段文燕

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，秦皇島066100）

0 引 言

銅鉻合金具有較高的抗壓強(qiáng)度、優(yōu)良的抗熔焊性能及載流能力，作為觸頭材料已在真空斷路器中得到了廣泛應(yīng)用［1－2］?，F(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)銅鉻合金的性能提出了更高的要求。目前，制備銅鉻合金的方法主要有粉末燒結(jié)法、熔滲法、電弧熔煉法、真空感應(yīng)熔煉法及快速凝固法等［3］。熔滲法制備的銅鉻合金觸頭抗壓強(qiáng)度高，抗電蝕能力好，且含氧量低，是制備銅鉻合金最常用的一種方法，但該方法的缺點(diǎn)是高溫熔滲時(shí)，鉻在銅基體中的溶解度較高，冷卻后易形成過飽和固溶體，同時(shí)所制備的銅鉻合金致密性較差［4］，影響其導(dǎo)電性能。據(jù)資料報(bào)道［5－6］，高壓處理能細(xì)化金屬材料的組織，增大其致密性，改善其性能。但是涉及高壓處理對(duì)銅鉻合金導(dǎo)電性能影響的研究尚未見報(bào)道。為此，作者探討了3GPa高壓處理及時(shí)效處理對(duì)熔滲法制備銅鉻合金電導(dǎo)率的影響及相關(guān)機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用銅鉻合金由秦皇島通達(dá)觸頭材料公司采用真空熔滲法制備，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為50.47Cu，49.41Cr，其余為雜質(zhì)。將合金加工成尺寸為φ10mm×5mm的高壓試驗(yàn)用試樣，然后在CS－ⅡB型六面頂壓機(jī)上于920℃進(jìn)行高壓處理，壓力分別為1，3，6GPa，保溫時(shí)間20min，施壓示意如圖1所示，采用電阻方式加熱，斷電保壓冷卻至室溫，其冷卻壓頭的循環(huán)水流量約為0.8L·min－1。再對(duì)不同壓力處理前后的試樣在200，400，500，600℃時(shí)效0～3h，然后將其用1200＃砂紙打磨、拋光及清水清洗后，用WD－Z型渦流電導(dǎo)儀測(cè)其電導(dǎo)率。試樣經(jīng)砂紙打磨、拋光后，用由3%FeCl3和10%HCl（體積分?jǐn)?shù)）組成的混合溶液腐蝕，并用Axiovert200MAT型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

圖1 施壓示意Fig.1 Schematic of pressure applying on sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高壓處理對(duì)顯微組織的影響

由圖2可以看出，3GPa高壓處理前后銅鉻合金的組織特征變化不明顯，鉻相均以不規(guī)則的顆粒狀分布于銅基體上，差別僅是高壓處理后的鉻相邊緣更光滑。不同壓力處理前后的組織變形類似，圖略。

圖2 3GPa高壓處理前后合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of Cu－Cr alloy before（a）and after（b）high pressure treatment

2.2 高壓處理對(duì)電導(dǎo)率的影響

由圖3可以看出，高壓處理前銅鉻合金的電導(dǎo)率為13.75MS·m－1，隨壓力的增大，電導(dǎo)率逐漸減小，當(dāng)壓力超過3GPa后，電導(dǎo)率的降幅不大。3GPa高壓處理后合金的電導(dǎo)率為12.47MS·m－1。

圖3 高壓處理的壓力與銅鉻合金電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.3 Electrical conductivity vs pressure for Cu－Cr alloy before and after high pressure treatment

2.3 時(shí)效工藝對(duì)電導(dǎo)率的影響

由圖4可以看出，高壓處理前后銅鉻合金的電導(dǎo)率均隨時(shí)效溫度的升高先增大后降低，時(shí)效溫度高于200℃后，高壓處理后合金的電導(dǎo)率高于處理前的；當(dāng)時(shí)效溫度為500℃時(shí)，3種合金的電導(dǎo)率均達(dá)到峰值，其中3GPa壓力處理后合金的電導(dǎo)率（18.76MS·m－1）最高，較未高壓處理并且未時(shí)效處理（13.75MS·m－1）及未高壓處理但經(jīng)相同時(shí)效處理后的電導(dǎo)率（16.12MS·m－1）分別提高了34.44%和16.38%，超過500℃后電導(dǎo)率又開始下降。

圖4 不同狀態(tài)銅鉻合金的電導(dǎo)率與時(shí)效溫度的關(guān)系Fig.4 Electrical conductivity vs aging temperature for Cu－Cr alloy in different state

由圖5可見，在時(shí)效初期，3種合金的電導(dǎo)率均增長較快，高壓處理前合金的電導(dǎo)率在時(shí)效時(shí)間超過0.25h后增速變小，超2h后基本不變；而高壓處理后合金時(shí)效時(shí)間超過0.5h時(shí)，電導(dǎo)率變化不大。另外，時(shí)效時(shí)間超過0.25h后，高壓處理合金電導(dǎo)率的增加幅度明顯高于高壓處理前合金電導(dǎo)率的，這表明高壓處理能縮短合金電導(dǎo)率達(dá)到較高值所需的時(shí)效時(shí)間，且高壓處理后再經(jīng)適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理能顯著提高合金的電導(dǎo)率。

圖5 不同狀態(tài)銅鉻合金的電導(dǎo)率與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Electrical conductivity vs aging time for Cu－Cr alloy in different states

銅合金的電導(dǎo)率主要受固溶原子、雜質(zhì)、空位、晶格畸變及位錯(cuò)等晶體缺陷對(duì)電子散射作用的綜合效應(yīng)的影響［7］。通常上述晶體缺陷密度越高，對(duì)電子的散射作用就越大，電導(dǎo)率就越低。由于高壓處理能造成銅鉻合金晶格畸變，增加了內(nèi)部位錯(cuò)等缺陷，加大了對(duì)電子的散射作用。故高壓處理后銅鉻合金的電導(dǎo)率有所降低，壓力越大，電導(dǎo)率越低。在隨后的時(shí)效處理過程中，銅鉻合金中的晶格畸變及位錯(cuò)等缺陷得以消除，過飽和固溶體發(fā)生分解，鉻以微粒的形式從固溶體中彌散析出［8］。根據(jù)Mathiessen理論［9］，合金基體中固溶原子對(duì)電子散射能力遠(yuǎn)大于析出相對(duì)電子的散射能力，故銅鉻合金經(jīng)時(shí)效處理后的電導(dǎo)率有所升高。由于高壓處理后合金內(nèi)部存在高密度位錯(cuò)等缺陷，這些缺陷在隨后的時(shí)效過程中為鉻相的析出提供了更多的形核部位，促進(jìn)了鉻原子析出［10］。另外，高壓處理能增大金屬材料的致密性，減少材料內(nèi)部的顯微孔隙［11］，這大大減小了對(duì)自由電子的散射幾率。因此，高壓處理后銅鉻合金的電導(dǎo)率達(dá)到較高值所需的時(shí)效時(shí)間較高壓處理前銅鉻合金的更短，其電導(dǎo)率也較之更高。至于銅鉻合金在500℃時(shí)效時(shí)可獲得較高的電導(dǎo)率，這是由于時(shí)效溫度過低時(shí)，原子的活動(dòng)能力較弱，析出相少；時(shí)效溫度過高，析出來的鉻又有一部分重新溶解［12］，出現(xiàn)過時(shí)效現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

（1）高壓處理能降低銅鉻合金的電導(dǎo)率，而高壓處理后再經(jīng)適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理能提高合金的電導(dǎo)率，并縮短電導(dǎo)率達(dá)到較高值的時(shí)效時(shí)間。

（2）銅鉻合金在3GPa壓力下加熱至920℃保溫20min并保壓冷卻至室溫后再在500℃時(shí)效2h可獲得的較高的電導(dǎo)率（18.76MS·m－1）。

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