稀有金属 1999,(05),362-364 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.1999.05.010
微晶、纳米晶 ＣｕＣｒ 触头材料的组织及性能
丁秉钧
山东烟台进出口商品检验局检测中心!烟台264000 ,山东烟台进出口商品检验局检测中心!烟台264000,西安交通大学材料工程学院!西安710049
摘 要：
采用机械合金化的方法制备出 Ｃｕ Ｃｒ 纳米合金粉并分别在９２０ ℃、７５０ ℃及５８０ ℃将合金粉热压烧结得到了微晶、纳米晶 Ｃｕ Ｃｒ 合金。５８０ ℃热压可以得到致密度大于９０ ％ 的纳米晶 Ｃｕ Ｃｒ 块体，７５０ ℃及９２０ ℃热压晶粒长大到微米量级。纳米晶 Ｃｕ Ｃｒ 材料在真空间隙中的耐电压强度接近常规致密、低氧 Ｃｕ Ｃｒ 触头材料的水平。
关键词：
机械合金化 ;微晶 ;纳米晶 ;CuCr 触头 ;耐电压强度 ;
中图分类号： TB383
收稿日期： 收稿日期: 1998 - 09 - 15
基金： 国家自然科学基金;
Microstructure and Properties of CuCr Contact Materials with Microcrystalline or Nanocrystalline Grains
Abstract：
Abstract: The CuCr alloy powders with nanocrystals were prepared by mechanical alloying technique. The CuCr materials with microcrystalline or nanocrystalline grains were got through consolidation of the milled powders by heat press at 920℃, 750℃ and 580℃ respectively. Experimental results show that the CuCr materials with nanocrystals and more than 90% relative density are achieved when heat pressed at 580℃. The size of grains increases to several micrometers for heat press at 750℃ and 920℃. The dielectric strength of the CuCr materials with nanocrystalline grains in vacuum has approached to that of conventional CuCr contacts.
Keyword：
Mechanical alloying; Microcrystalline; Nanocrystalline; CuCr contacts; Dielectric strength;
Received： 收稿日期: 1998 - 09 - 15
随着高电压、 大容量、 小型化真空断路器的发展, 对触头材料的性能要求越来越高
[1 ]
。 由于触头材料晶粒细化后, 可使真空灭弧室绝缘强度升高, 最大截流值降低, 综合性能有显著提高
[2 ]
。 因此, 细化、 超细化触头材料的显微组织已是当前真空断路器发展的一个重要研究方向。
目前, 人们已采取电弧熔炼法, 等离子体喷涂法, 雾化法及机械合金化等方法使真空断路器中广泛使用的CuCr材料晶粒尺寸从常规的75～150 μm下降到3～30 μm, 并在这些细晶CuCr材料中发现了一些特殊的电击穿现象
[3 ]
。 在这些研究中, 机械合金化方法可望得到超细晶粒即纳米晶CuCr材料, 因此具有极大的发展潜力。 本文采用机械合金化的方法制备出纳米晶Cu-Cr合金粉, 然后在不同温度下热压致密化, 对制得材料的组织及性能进行了研究。
1 实 验
实验所用的原料为国产-300目电解铜粉 (纯度>99.95%) 及-200目铬粉 (纯度>99.17%) 。 将铜粉、 铬粉及液体保护介质按一定比例装入自制的高能球磨机中进行机械合金化。 高能球磨机筒体为不锈钢, 磨球为Φ 6 mm的轴承钢球, 搅拌轴转速用可控硅无级调速控制, 合金成分及球磨参数如表1所示。
表 1 合金成分及高能球磨工艺 下载原图
表 1 合金成分及高能球磨工艺
机械合金化完毕的Cu-Cr合金粉与液体介质经沉淀及过滤分开后将潮湿的合金粉装入高纯石墨模具, 经手工压实后直接装入真空热压炉内。 粉料在真空环境中放置10 h挥发除去剩余液体后即可开始热压烧结, 首先将真空炉内真空抽至小于8×10-3 Pa, 然后分别升温至580℃、 750℃及920℃, 在这些温度上以50 MPa的压力进行缓慢热压, 热压时间不少于8 h。 热压完毕继续保持炉内的真空至室温。
对比实验用的粗晶CuCr触头材料采用常规的熔渗法制备
[4 ]
。 制得的CuCr材料密度用排水法测定, 并用涡流式电导仪及LECO氧氮气体分析仪测定了材料的电导率及气体含量。 高能球磨粉与热压块体材料组织分别用扫描电子显微镜, 透射电子显微镜及X射线衍射仪进行分析。 将制备的材料加工成Φ 20 mm×5 mm的试样并进行机械抛光, 抛光好的试样装入真空炉改装成的模拟真空灭弧室内作为阴极, 阳极用纯钨制作, 在阴阳极两端加上8 kV的电压, 电击穿发生瞬间用百分表测量出阴阳极两端的距离, 用击穿电压除以击穿距离即可得出真空间隙的击穿电场强度。 每个试样进行100次测试。
2 结果与讨论
2.1 机械合金化过程分析
机械合金化是使粉末质点在很高的机械能量下经受反复的冷焊、 断裂以及重新焊接, 从而获得粉末的合金化以及晶粒超细化的过程
[5 ]
。 铜及铬的混合粉在机械合金化过程中粉末的粒度及成分分布都发生了明显变化。 在球磨初期, 铜粉与铬粉均匀混合, 同时铜粉被辗压冲击发生塑性变形, 并与铬颗粒冷焊在一起, 形成较大的层片状复合颗粒。 随着球磨的继续进行, 复合颗粒由于反复强烈的塑性变形而发生加工硬化, 断裂倾向不断增加, 在磨球的冲击作用下, 复合颗粒内部产生裂纹并发生断裂, 形成细小的颗粒。 继续球磨时, 碎裂的颗粒再次发生焊合、 碎化, 进一步形成细小的颗粒。 在这个过程中, 常温下互溶度极小的Cu-Cr两个组元在磨球强烈的机械作用下, 会互相发生强制扩散及溶解, 即发生了合金化过程, 在每个颗粒内形成亚稳态的过饱和固溶体。 如此循环往复, 复合颗粒的断裂与冷焊达到动态平衡, 粉末的粒度及成分都不再发生变化, 在每个颗粒内形成和平均成分相同的均匀细小组织。
图1 (a) 、 (b) 分别为Cu50-Cr50原始粉及机械合金化后的X射线衍射图, 可以看到, 球磨后衍射峰宽化, 衍射强度减弱, 部分衍射峰消失。 这正是晶粒细化及铜与铬互相固溶的结果。 利用谢乐公式
[6 ]
对衍射峰的变化进行分析, 得出球磨后Cu50-Cr50合金粉的平均晶粒尺寸为32 nm。
2.2 热压CuCr块体材料的组织
热压是压制与烧结同时进行以使粉料致密化的过程。 由于热压温度升高会促进CuCr材料的晶粒长大, 因此, 采用尽量低的热压温度达到致密化是获得细晶、 超细晶CuCr块体材料的关键。 图2为CuCr50材料在580℃热压后的组织形貌, 和常规CuCr触头材料相比, 组织明显细化。 将这种材料在透射电子显微镜下进行组织分析, 在极高放大倍数下可以看到材料颗粒尺寸为50～80 nm (图3 (a) ) , 和图1 (c) 中的X射线分析结果相当, 这时材料在透射电镜中的衍射花样为多晶环 (图3 (b) ) , 表现出纳米材料特有的衍射特征。 对CuCr材料在750℃及920℃热压时组织进行扫描及透射电镜分析, 晶粒尺寸分别约为1 μm和3 μm, 比580℃热压的材料晶粒已有明显长大。
图1 X射线分析结果
(a) 原始粉; (b) 机械合金化粉; (c) 580℃热压块体
图2 CuCr50材料在580℃热压的组织形貌
2.3 纳米晶CuCr材料的性能
从图3可以看到, 580℃热压能够获得纳米晶的CuCr块体材料。 表2列出了这种纳米材料的性能测试结果。 可以看到, 纳米晶CuCr25及CuCr50材料电导率较高, 密度约为90%, 真空中的耐电压强度已接近常规CuCr触头材料的水平。
图3 CuCr50材料在580℃热压后的透射电镜分析
(a) 组织形貌 (×100000) ; (b) 衍射花样
表2 纳米晶CuCr块体材料性能测试结果
材料
平均晶粒尺寸/nm
密度/g·cm-3
致密度/%
电导率/MS·m-1
氧含量/%
平均击穿电场强度/×108 V·m-1
45.6
7.65
91.06
16.7
2.19
2.25
67.3
7.05
88.15
11.6
1.21
1.52
74～150 μm
8.0
99.5
19
0.035
2.57
3 结 论
1. 采用机械合金化法可以得到纳米晶Cu-Cr合金粉, 粉的平均晶粒尺寸为几十纳米。
2. 580℃真空缓慢热压可以得到致密度较高的纳米晶CuCr合金块体, 在750℃和920℃热压时平均晶粒长大到1 μm和3 μm。
3. 纳米晶CuCr合金在真空中的耐电压强度已接近常规低氧致密CuCr触头材料的水平。
参考文献
[1] Boxman R L et al. IEEE Trans. Pla. Sci., 1997, 25 (6) : 1175
[2] Rieder F et al. IEEE Trans. CPMT, 1989, 12 (2) : 273
[3] 王亚平等. 高压电器. 1997, 33 (2) : 34
[4] 丁秉钧等. 高压电器. 1990, 26 (2) : 26
[5] Alkin B J M et al. Metall. Trans., 1993, A24: 647
[6] 范雄. X射线金属学. 天津: 机械工业出版社, 1980
