顏培濤，陳名勇，謝榮文，賈 波，徐瑋澤

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

銅鎢合金具備良好的抗機(jī)械磨損和抗電弧燒損性能，被廣泛用作高壓開關(guān)的觸頭材料。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始研制氣氛熔滲燒結(jié)和真空燒結(jié)銅鎢整體電觸頭、電子束焊接和摩擦焊接銅鎢整體電觸頭［1］，不管是整體熔滲還是熔滲焊接都要求CuW/Cu觸頭的銅層致密沒有孔洞缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)中，使用推舟式鉬絲爐氨分解氣氛熔滲后，會在銅層留存嚴(yán)重的孔洞，見圖1，結(jié)構(gòu)見圖3；熔滲后的毛坯即使外觀無孔洞，但在機(jī)加工后仍然有較大比例銅層殘留有孔洞，見圖2，結(jié)構(gòu)見圖4。

圖1 鉬絲爐熔滲后的CuW/Cu毛坯

圖2 機(jī)加工后的CuW/Cu車坯

圖3 CuW/Cu毛坯結(jié)構(gòu)

圖4 CuW/Cu車坯結(jié)構(gòu)

從圖3～4可以看出，只有使孔洞聚集在CuW/Cu產(chǎn)品有效的銅層之外，即CuW/Cu毛坯銅層上端才能確保加工后的產(chǎn)品無孔洞。因此，在CuW/Cu毛坯冷卻過程中，如果能使毛坯按CuW底端→CuW/Cu交界面→Cu上端順序依次定向凝固，就可以讓后凝固區(qū)留在銅層上端，最后消除孔洞缺陷。

本研究主要采用垂直下降定向凝固的方式，研究不同保護(hù)氣氛、加熱溫度和下降速率對消除銅層孔洞效果的影響。

1 試驗(yàn)

采用型號為JTRS-20-3的定向凝固爐,以氨分解氣體或惰性氣體X作為保護(hù)氣氛，進(jìn)行定向凝固試驗(yàn)，爐子結(jié)構(gòu)見圖5。選取銅層有孔洞的CuW/Cu車坯（見圖2、圖4）裝入石墨舟，每舟兩件并加入足量的銅片，每爐共裝9舟，按從下至上的順序給料舟編號1、2、…、9；將料舟推入加熱區(qū)，通入保護(hù)性氣氛；將加熱區(qū)設(shè)定溫度并通電升溫，到溫后保溫1 h；保溫結(jié)束后，啟動推桿慢速下降，下降結(jié)束即停止加熱；當(dāng)爐溫降至約150℃后開爐門出料舟。

圖5 JTRS-20-3定向凝固爐

檢驗(yàn)出爐后CuW/Cu毛坯及加工后CuW/Cu車坯的外觀，以及不同保護(hù)氣氛、加熱溫度和下降速率對消除CuW/Cu觸頭銅層孔洞的效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 惰性氣體X作保護(hù)性氣氛

使用純度不小于99.9%的惰性氣體X作保護(hù)氣氛。

2.1.1 不同下降速率的影響

表1列出了相同加熱溫度，不同下降速率(a＞b＞c＞d)對CuW/Cu車坯成品率影響的試驗(yàn)結(jié)果，圖6是下降速率為a時出現(xiàn)閉孔的車坯，圖7是下降速率為b時出現(xiàn)閉孔的車坯。

表1 惰性氣體X氣氛下不同下降速率對CuW/Cu車坯成品率的影響

圖6 下降速率為a時的CuW/Cu車坯

圖7 下降速率為b時的CuW/Cu車坯

從表1可以看出，當(dāng)下降速率較快（如為a時），CuW/Cu車坯存在較多的孔洞缺陷，隨著下降速率的降低，當(dāng)小于某一速率時車坯成品率可達(dá)到100%。

為了便于分析定向凝固過程中孔洞的形成原因，可以建立一個定向凝固模型（見圖8），擋板以上的加熱室內(nèi)溫度是均衡的，擋板以下料舟高溫輻射散熱則不受阻礙?？梢钥闯?，料舟散熱方式主要為料舟周面輻射散熱和縱向傳導(dǎo)散熱，兩項(xiàng)散熱的熱量可表達(dá)為：

圖8 定向凝固模型

式中，QR為輻射散熱，k1為輻射散熱的等效熱交換系數(shù)，△T1為料舟與爐內(nèi)壁之間的等效溫差，S1為料舟表面的散熱面積。

縱向傳導(dǎo)散熱：

式中，QC為縱向傳導(dǎo)散熱，k2為傳導(dǎo)散熱的等效熱交換系數(shù)，△T2為料舟縱向溫差，S2為料舟橫截面面積。

理想的定向凝固狀態(tài)是：凝固界面在擋板之下并保持在擋板附近，凝固界面較平，如圖9所示，此時α角較大，隨著物料的下降凝固界面平穩(wěn)地向CuW/Cu坯件的上端移動，最終可獲得無孔洞的車坯。在物料下降速率足夠慢時，定向凝固是趨于這種理想狀態(tài)的。從表1可以看到，物料下降速率為c時所得車坯全部無孔洞，已達(dá)到100%的成品率。

圖9 定向凝固界面示意圖

當(dāng)物料下降速率加快時，凝固界面會遠(yuǎn)離擋板，此時QR升高，α角變小，而當(dāng)物料下降速率足夠快時，此時因△T1、S1達(dá)到最大而△T2最小，因此QR比QC大得多，CuW/Cu坯件的凝固已不再是自下向上的定向凝固，而是體積凝固（由四周向中心凝固），由此難以避免地形成閉孔。

因此可判定，存在一個臨界下降速率，當(dāng)小于此速率時可以獲得無孔的產(chǎn)品，大于此速率時就容易出現(xiàn)閉孔，尤其是頂部第9層料坯。這是因?yàn)轫攲恿现墼陔x開高溫區(qū)后就失去了維持定向凝固所需的熱源，料坯上端的銅液會先凝固從而使后凝固區(qū)留在料坯內(nèi)部，并最終形成閉孔。

2.1.2 加熱溫度的影響

表2中試驗(yàn)批次5～7給出了相同下降速率，不同加熱溫度對CuW/Cu車坯成品率影響的試驗(yàn)結(jié)果。從表2可看到，加熱溫度對CuW/Cu車坯成品率影響不明顯。在不同加熱溫度下，當(dāng)下降速率小于臨界速率時，CuW/Cu車坯的成品率均可達(dá)到100%。

表2 惰性氣體X氣氛下不同加熱溫度對CuW/Cu車坯成品率的影響

2.2 氨分解氣體作保護(hù)氣氛

表3列出了相同加熱溫度，不同下降速率(a＞b＞c＞d＞e＞f＞g)對CuW/Cu車坯成品率影響的試驗(yàn)結(jié)果，表4給出了相同下降速率，不同加熱溫度對CuW/Cu車坯成品率影響的試驗(yàn)結(jié)果，圖10是下降速率為g時的CuW/Cu毛坯，圖11是下降速率為g時的CuW/Cu線切割坯，圖12是下降速率為c時的CuW/Cu毛坯，圖13是下降速率為c時的CuW/Cu車坯。

圖10 下降速率為g時的CuW/Cu毛坯

圖11 下降速率為g時的CuW/Cu毛坯截面

圖12 下降速率為c時的CuW/Cu毛坯

圖13 下降速率為c時的CuW/Cu車坯

表3 不同下降速率對CuW/Cu車坯成品率的影響

表4 不同加熱溫度對CuW/Cu車坯成品率的影響

從表3～4可以看出，下降速率越慢CuW/Cu車坯成品率越高，而加熱溫度對車坯成品率的影響不明顯，下降速率是影響車坯成品率的主要因素，但即使下降速率很慢時也難以獲得較高的車坯成品率。

從圖10～13可以看出，下降速率較慢時，CuW/Cu銅層孔洞大而集中，下降速率較快時，銅層孔洞小而分散。

綜上可見，保護(hù)氣氛對CuW/Cu車坯成品率的影響極大，在下降速率較慢時，使用惰性氣體X作保護(hù)氣氛易獲得高的車坯成品率，而使用氨分解氣體作保護(hù)氣氛難以獲得高的車坯成品率，這是由于氨分解氣體中的氫氣所致。

銅是極易溶解氫氣的金屬，表5列出了不同溫度下氫氣在銅中的溶解度。從表5中可以看出，液態(tài)銅的溶解度比固態(tài)銅的大得多，這是因?yàn)橐簯B(tài)的金屬原子間距比固態(tài)的大，液態(tài)金屬銅溶解氫原子的量也自然大得多。在液態(tài)銅冷卻凝固過程中，隨著溫度的下降氫的溶解度會降低，氫會從銅液中析出，當(dāng)銅從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時，氫的析出量會陡增。

表5 氫氣在銅中的溶解度

定向凝固過程中因存在CuW/Cu界面、銅的凝固界面、所含雜質(zhì)形成的界面等，氫氣很容易在這些界面處形成氣泡核心,如圖11，氣泡核心就是在CuW/Cu界面上形成的。

氣泡核心生成之后，液態(tài)銅中過飽和的氫就會向氣泡核心擴(kuò)散，使氣泡不斷長大。當(dāng)氣泡的浮力大于氣泡在界面上的附著力后，氣泡就會上浮。當(dāng)定向凝固速率緩慢并使凝固界面到液面保持較高的溫度梯度，將有利于氣泡的排出；反之，如果冷卻速率過快，則不利于氣體向氣泡內(nèi)擴(kuò)散、匯集和上浮排出，最終會在銅中形成小而分散的閉孔（如圖13所示）。

本試驗(yàn)中由于石墨舟的導(dǎo)熱系數(shù)較小，垂直向下的散熱速率低，且側(cè)面缺少水冷等強(qiáng)制散熱裝置，側(cè)面輻射散熱速率也較低，凝固界面到液面無法保持較高的溫度梯度，在氣泡上浮過程中周圍銅液出現(xiàn)快速凝固，最終形成了集中的大通孔（如圖11所示）。即使提高加熱區(qū)的溫度，也只能使凝固界面向下位移，而不能提高溫度梯度，因此達(dá)不到消除孔洞的效果。

可見，在氨分解氣體氣氛下，即使采用垂直下降定向凝固也難以完全消除CuW/Cu產(chǎn)品的銅層孔洞缺陷。

3 結(jié)論

在惰性氣體X氣氛下采用垂直下降定向凝固可以消除CuW/Cu產(chǎn)品的銅層孔洞，提高產(chǎn)品的成品率；而在氨分解氣體氣氛下，即使采用垂直下降定向凝固也難以完全消除CuW/Cu產(chǎn)品的銅層孔洞缺陷。