不同cr含量cucr触头材料组织与性能对比研究

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1、不同Cr含量CuCr触头材料组织与性能对比研究修士新摘要：CuCr合金是各国公认的最佳真空断路器触头材料，为了研究Cr含量对CuCr触头材料组织和性能的影响，本文采用真空熔铸法制备了CuCr25、CuCr30、CuCr40三种不同Cr含量的触头材料，并对3种材料的显微组织、理化性能及开断性能进行了对比研究。结果表明，随着Cr含量的增加，CuCr材料的组织和性能产生以下变化：微观组织的致密度有所提高，Cr颗粒得到细化，但是Cu基体中固溶的Cr含量增加；材料的电导率和密度均降低，硬度增加，抗拉强度呈线性增加；电流开断

2、能力CuCr25、CuCr30相当，CuCr40最低。关键词：一、前言真空开关作为一种性能优异的新型开关，从60年代初应用到电力系统其发展非常迅速。目前，真空开关已在中压领域占绝对优势，并向高压领域延伸。触头材料作为决定真空灭弧室性能的关键因素之一，它对真空开关起着至关重要的作用。目前用于不同规格的真空开关触头材料大致分为3类：（1）半难熔金属加良导体，典型的如铜铬合金；（2）难熔金属加良导体，典型的如钨铜合金；（3）铜合金，如铜铋等。这3类材料的定性比较如表1所示[1]，可见CuCr材料的绝大多数特性参数均为最

3、好，部分参数可接受，没有不能接受的特性参数。对比可知，CuCr合金的综合性能最优。这是因为CuCr触头材料为机械混合的复合材料，这种材料保持两类不同金属原有的物理性能，起到相互取长补短的作用，因此CuCr合金触头材料具有耐电压高、分断容量大、耐损失性能好、吸气能力强及寿命长等综合优点，它已成为各国公认的最佳真空断路器触头材料。表1中压、大电流真空灭弧室触头材料特性的定性评估材料气体含量熔点蒸汽压功函数电子发射游离电位电导率热导率剩余气体吸收能力组织结构质量触头表面光滑、无毛刺、裂痕半难熔加高电导(如CuCr)++

4、++++++++++++难熔加高电导(如CuW)+++―+++++++铜合金(如CuBi)++++++++++――注：―不能接受；+可接受；++最好。为了获得最佳性能的CuCr触头材料，必须研究影响材料性能的因素及其影响规律才能实现材料的优化设计。在CuCr材料制备时，两组元的配比量不同，材料性能会有所差异。本文采用真空熔铸法制备了CuCr25、CuCr30、CuCr40三种不同Cr含量的触头材料，通过对3种材料分别进行微观组织、理化性能及开断性能的对比研究，总结Cr含量对CuCr触头材料组织和性能的影响。二、材

5、料制备真空熔铸法就是将原料放入真空感应炉中加热熔炼，然后进行凝固。真空熔铸法制备触头材料的工艺过程包括以下几步：装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注等。由于熔炼和浇注过程都是在真空条件下进行，故大大降低了材料的含气量，提高了合金的纯度，而且操作过程简便。中频感应真空炉的工作原理是：在螺旋管形感应线圈中通过中频电流产生电动势，线圈内部磁通密度最高，加热的金属放在线圈内被感应产生电动势，并引起环流的中频电流，此电流在它本身的磁场作用下集中到金属表面，形成一电流层，它与感应线圈内的电流层相同，但方向相反。中频电流的集肤

6、作用，使金属表面的电流层具有很高的电流密度，因而产生集中而强大的热效应，把金属加热一直到熔化。本文中，原料为分别按质量比75:25、70:30、60:40配置的Cu块、Cr块，将Cu、Cr块放入感应炉中抽高真空(～Pa)进行熔炼（具体熔炼温度视Cu、Cr质量比而定），待其完全熔化并保温一段时间后，将熔化的合金熔体直接浇入到水冷铜模中进行快速凝固，得到不同Cr含量的合金锭。三、显微组织利用金相显微镜观察三种真空熔铸CuCr25、CuCr30、CuCr40触头材料的显微组织，得到其金相照片，分别如图1、图2、图3所示

7、。图1熔铸CuCr25合金显微组织(100X)图2熔铸CuCr30合金显微组织(100X)图3熔铸CuCr40合金显微组织(100X)三种不同Cr含量CuCr材料的微观组织均为典型的铸态组织，富Cu相作为整个合金的基体，而富Cr相则以树枝晶形态均匀分布。由于采用快速凝固，富Cr相尺寸细小。由图可见，合金中除树枝状的富Cr相外，在富Cu相上还分布着许多尺寸更加细小的颗粒状富Cr相。树枝状富Cr相是在凝固过程中由液态合金中直接析出的，而颗粒状富Cr相则是在合金继续冷却过程中由富Cu相中二次析出的。由于颗粒状富Cr相的

8、尺寸非常细小，对整个合金的强化作用更为明显。CuCr合金中两组元互不相溶，以假合金形式存在，但合金各相中仍然会有少量其它元素固溶在其中，并对合金的性能产生影响。随着合金中Cr含量的增加，显微组织的致密度略有提高，而且Cr颗粒得到细化，这些变化都有利于耐压性能的提高。但是随着Cr含量的增加，Cu基体中固溶的Cr含量增多，而Cu基体中Cr的固溶度将对合金中铜相的传导性能产生重