摘要： 本文采用真空感应熔炼法制备CuCr25W1Ni2合金，研究了不同成分（25％Cu及75％Cu）和Cr晶粒尺寸对物理性能和击穿电压的影响，讨论了合金元素和微观结构对CuCr25W1Ni2合金电击穿性能的影响。研究结果表明，W粉能够显著细化Cr相，同时对Cr相进行了强化；在电击穿后
，熔层中极细的W粉能起到非自发形核核心的作用，CuCr25W1Ni2的熔层表面更加扁平；另一方面，Ni能够促进Cu、Cr的互溶，使合金整体得以强化。这两种元素均能显著提高合金的耐电压强度。
关键词： CuCr触头材料； 真空感应熔炼； 耐电压强度
1 引言
实验证明，增大CuCr合金中Cu含量可以增大材料的热传导率，降低分断过程中触头表面的温度和减少熔化层的厚度，从而减少电流过零时电弧的重燃［1，2］。
目前国际上生产CuCr25主要有混粉烧结和真空自耗熔炼两种方法［3］。西屋公司用混粉烧结法制备的CuCr25合金质量并不理想，比如氧含量高，致密度较低，生产效率低下。西门子公司采用真空自耗熔炼法制备CuCr25合金，产品性能优异，但制备工艺非常复杂，而且CuCr25自耗电极需预先制作，生产周期长，产品成本高。最近采用真空电弧熔炼法制备出CuCr25及CuCr25 W1Co1合金［4，5］，但在这两种合金中特征组织为Cr枝晶，这不利于耐电压强度的进一步提高。
CuCr触头材料中Cr相为电击穿弱相，研究表明，触头材料的微观结构对其电击穿行为有非常大的影响。例如，Cr相尺寸的细化可提高耐电压强度，降低截流值，同时，开断性能及抗熔焊性能无明显变化［6～8］。本文研究了CuCr25系合金的真空感应熔炼法。W粉作为异质形核剂细化和强化了Cr相，Ni通过固溶对合金整体进行了强化，结果耐电压强度显著上升。采用的原料为Cr块而不是Cr粉，而且其含量从50％下降到25％，因而成本降低。整个生产周期约2 h，且产量很大，适合于触头材料的大规模生产。
2 试验过程
采用真空中频感应熔炼制备出CuCr25W1Ni2合金，原料为按质量比72∶25∶1∶2配制Cu块、Cr块、W粉（粒度为0．6～3μm）和Ni块。将Cu、Cr、Ni块放入坩埚中抽高真空（1×10－2～3×10－2 Pa）进行熔 采用阿基米德排水法测量密度，用FQR－7501型涡流式电导仪测量电导率，用布氏硬度计测量硬度，用LECO红外氧氮气体分析仪测定氧氮含量。
将合金加工成20×5 mm的试样，对其表面抛光，装入由TDR－40A单晶炉改装成的真空灭弧室，试样为阴极，抛光过的W杆为阳极，其半径为5 mm，边缘半径为1 mm。为除去电极吸附的气体，将炉内温度提升为500℃，真空度升为1．5×10－3 Pa，保持30 min。当阴极冷却至室温后，在电极间加上8 kV的直流电压，并让阴极以0．2 mm／min的速度向阳极移动，当电击穿发生时，停止移动，记下两极间的距离用以计算击穿电场强度。然后下移阴极，准备下一次测试。每个试样测量100次，为排除老炼［9］的影响，计算击穿场强时均取后60个点。在扫描电镜上观察合金的显微组织，并用能谱分析法测定合金的成分分布。
3 实验结果与讨论
3．1 成分及微观形貌
熔炼时在电磁搅拌作用下，Cu、Cr充分混合，快速凝固条件下Cr受重力影响产生的偏析倾向降低，成分分析见表1。
图1为VIM制备的CuCr25合金的典型组织，显示出Cr枝晶，可见单纯采用水冷凝固很难进一步细化Cr相，而且大部分以大枝晶存在，在断路器的运行过程中不利于Cr相向Cu基体散热，因而耐电压强度降低。所以必须采用合金化方法进一步细化Cr晶粒。图2为VIM制备的CuCr25 W1Ni2合金的显微组织形貌，可见Cr相以粒状在Cu基体中均匀分布，由于W粉在凝固过程中作为非自发形核核心，得到的Cr晶粒尺寸已经达到5～15μm，消除了枝晶。Cr晶粒中灰白斑点经能谱分析主要为W，其边界模糊，由Cr－W相图可知，为α固溶体，W对Cr相进行了有效的选择性强化。
用真空电弧熔炼制备的CuCr25 W1Co1合金，Cr相的特征形貌仍然是枝晶［5］。因为是将W薄片及Cu、Cr、Co块一起进行电弧熔炼，薄片状的W起不到异质形核剂的作用。
Ni的加入对导电性有一定的降低作用，但它能对合金进行固溶强化，根据热力学计算，Ni能促进Cu、Cr的互溶，在快速凝固下，有大量的富Cr颗粒从Cu基体析出，可以对整个合金产生强化作用，如图2所示。由于Ni在Cu和Cr中都有较大的固溶度，Ni加入后还能提高Cu、Cr相的浸润性，可减少凝固时产生的微孔隙，使材料致密性提高。
3．2 物理性能和击穿场强
表2为VIM制备的CuCr25W1Ni2等合金和其他方法制备的合金性能测试结果。可见CuCr25W1Ni2合金Cr晶粒细小，氧含量低，具有较好的导电性，耐电压强度显著提高。
对于CuCr25 W1Ni2合金，Cr相受到α固溶体的强化而且均匀分布，同时Ni对合金整体进行了固溶强化，CuCr25 W1Ni2硬度比CuCr25有所提高，抵抗电场引起的表面变形的能力大为增强，可使弧后的微观突起程度减轻，从而降低局部场致电子发射能力，提高了触头间隙的耐电压强度。对CuCr25而言，由于其枝晶组织本身引起的表面成分偏析较大，因而表面组织不均匀，必然存在某些耐电压强度低的区域，在强电场的作用下这些区域更容易引发真 空电弧，导致合金的耐电压强度下降。
在对Cu－Cr熔液凝固过程的模拟计算中发现，W颗粒作为均匀弥散分布的非自发形核核心的存在使Cr相凝固时间从几微秒减少到几十纳秒，从而使Cu－Cr熔液的凝固时间大幅度减少。起始存在的W颗粒和快速凝固析出的Cr颗粒能够起到“钉扎”在触头工作时因电弧作用而产生的CuCr熔液，减少液滴飞溅的作用，从而使触头表面微粒形成概率显著降低［10、11］。另一方面，Ni使合金熔液更易铺展，熔层更加扁平。图3、图4分别为100次电击穿后CuCr25 W1Ni2和CuCr25的组织形貌，可见前者的熔区更加扁平。
在CuCr合金中，Cr相为电击穿弱相。在以前的研究中［9］发现，运行过程中预击穿电流同时对Cu相和Cr相加热，由于Cr相的热传导率较低，其温度上升很快，Cr相很容易到达临界点，从而产生电击穿。这种现象也能在VIM制备的CuCr25合金中观察到，如图5所示。对于CuCr25W1Ni2合金，由于Cr晶粒在Cu基体中均匀分布，大大有利于它们向Cu基体传热，而且Cr相受到了W粉的有效强化，可见电击穿点主要分布在Cu基体上，有些击穿发生在Cu、Cr相界上，如图6所示，可见Cr相得到了强化，从而使CuCr25W1Ni2合金耐电压性能有了显著提高。
4 结论
真空感应熔炼法是一种有效的大规模生产Cu－Cr25触头材料的方法，通过选择适当的合金元素和冷速得到了性能优异的CuCr25W1Ni2合金，可满足高耐电压强度真空断路器对触头材料的要求。
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