銅鉻觸頭材料化學(xué)分析方法

備案信息

備案號：0071-1996

桂林電器科學(xué)研究院有限公司、浙江省冶金研究院有限公司等。

劉躍平、陳京生等。

金屬材料的性能是由其成分、組織和結(jié)構(gòu)決定的) 實際應(yīng)用已經(jīng)證明了銅鉻仍是當(dāng)前綜合性能最好的真空斷路器觸頭材料，但是不同工藝方法制造的銅鉻材料、具有不同組織結(jié)構(gòu)的銅鉻材料，其性能差異很大。

通常觸頭經(jīng)過幾次大電流分?jǐn)嗪缶哂懈叩拈_斷可靠性，這一現(xiàn)象引發(fā)了專業(yè)技術(shù)人員研究用真空電弧熔煉的方法來制造銅鉻觸頭材料的想法，西門子公司的實踐證明了真空電弧熔煉工藝制造的銅鉻觸頭材料性能的優(yōu)越性和實際應(yīng)用的可行性。

電弧熔煉銅鉻觸頭的金相組織與形成機理

大電流開斷后的觸頭表面金相分析顯示，觸頭表面是一層鉻在銅中呈非常細(xì)小彌散分布的組織，這層組織不同于開斷前的原始組織，厚度約150微米，鉻顆粒大小約1-5微米。分析認(rèn)為，開斷大電流過程中電弧產(chǎn)生的高溫使觸頭表面的銅鉻發(fā)生了互溶反應(yīng)，熄弧后，隨著溫度的下降，觸頭表面銅鉻熔液中的鉻結(jié)晶，從銅中過飽和析出，而真空滅弧室導(dǎo)電系統(tǒng)良好的導(dǎo)熱性為銅鉻觸頭提供了很強的散熱能力，使銅鉻熔液迅速冷凝，形成了鉻在銅中呈細(xì)小彌散分布的組織。

因此，除了通常采用的粉末冶金方法外，冶煉的方法不僅可以制造銅鉻材料，而且可以獲得鉻在銅中呈細(xì)小彌散分布的銅鉻組織：（1）把銅和鉻加熱到鉻的熔點1890℃以上使其熔化；（2）凝固時為銅鉻熔液提供足夠快的冷卻速度，即可用冶煉的方法制造機械混合物組織的銅鉻材料。這為真空電弧熔煉工藝制造銅鉻觸頭材料提供了依據(jù)。

電弧熔煉金相組織對電氣性能的影響

觸頭材料是一種金屬功能材料。在非納米概念的范疇，當(dāng)觸頭材料的結(jié)晶組織是假合金、機械混合物時，發(fā)揮和承擔(dān)電接觸功能的作用主要是靠觸頭材料組成元素本身的物理和化學(xué)性質(zhì)。而理想的組織結(jié)構(gòu)則能改善材料的性能，能更充分地發(fā)揮其有利的物理和化學(xué)性質(zhì)的作用，同時抑制不利的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的影響。在觸頭材料研究中，首先要解決的兩個問題是：（1）選擇理想的組元和成分；（2）尋求理想的組織結(jié)構(gòu)。其后才是如何實現(xiàn)理想的組元成分和組織結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)研究工作的目標(biāo)。

由于銅和鉻既不固溶，也不形成金屬間化合物，使得銅鉻材料不僅保持了銅和鉻各自單一的特性，而且還保存著它們共同的特性。當(dāng)銅鉻材料用作真空斷路器觸頭時，銅和鉻的這些單一特性和共同特性承擔(dān)著真空斷路器觸頭的主要功能作用，也使其表現(xiàn)出比原先使用的銅中添加低熔點高蒸氣壓元素等其他觸頭材料更為優(yōu)異的綜合電氣特性，即銅具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，是理想的觸頭材料組元（在真空下表現(xiàn)得更為突出），使銅鉻材料具有承載和分?jǐn)啻箅娏鞯哪芰?；鉻具有較高的熔點和機械強度、低的截流水平和強的親氧性，使銅鉻材料具有耐電弧燒、抗熔、截流水平低和介質(zhì)強度恢復(fù)快等特性；為難得的是，銅和鉻具有相近的蒸氣壓，使得銅鉻觸頭在真空電弧的作用下，表面的銅和鉻蒸發(fā)和冷凝的速度相當(dāng)，觸頭表面始終能基本保持其原有的成分，觸頭不會因為經(jīng)過多次分?jǐn)嗪?，表面成分發(fā)生變化而導(dǎo)致觸頭電氣性能的變化。這對保證電器可靠性是非常重要的。

經(jīng)過電弧熔煉的銅鉻觸頭材料與粉末冶金方法制造的銅鉻觸頭材料相比，結(jié)晶組織中夾雜的數(shù)量要少得多、顆粒要小得多，這些夾雜主要是金屬氧化物，如氧化鋁、氧化鉻和氧化硅，在電弧熔煉過程中，制成自耗電極的銅和鉻逐漸被熔化，銅鉻鑄錠隨之長高，為了保證整個鑄錠組織的均勻性，在熔煉過程中鑄錠必須始終保持一段連續(xù)的熔池。由于金屬氧化物的熔點高、比重小，銅和鉻熔化后，金屬氧化物會上浮，聚積在熔池的表面，隨熔池移至鑄錠的頂端，直到熔煉結(jié)束后而被切除；或被電弧吹到熔池邊緣，冷凝在鑄錠外圓表面而被去除；電弧熔煉的真空氛圍還有利于銅和鉻中低熔點高蒸氣壓元素的去除?？梢?，真空自耗熔煉有區(qū)域熔煉的提純效果。