CuCrTe觸頭材料中脆性相的存在形式及影響

張石松，王小軍，劉 凱，李 鵬，李 剛，師曉云，賀德永

（陜西斯瑞新材料股份有限公司，西安 710077）

引言

觸頭熔焊和材料本身的特性有關(guān)，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熔化熱、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、硬度等力學(xué)物理性能都是影響觸頭的重要因素[1,2]，其中材料的抗拉強(qiáng)度與抗熔焊性能有直接關(guān)系，觸頭材料的韌性越好，抗拉強(qiáng)度越高，則熔焊力越大，觸頭材料的抗熔焊性越差[3]。因此，雖然電弧熔煉和真空熔鑄CuCr 觸頭的開斷能力及絕緣性能均優(yōu)于相同化學(xué)成分的混粉壓制燒結(jié)的CuCr粉末冶金觸頭材料[4-6]，但是一旦發(fā)生接觸熔焊，分開一對(duì)CuCr粉末冶金觸頭需要更大的力[7]。為了進(jìn)一步降低抗拉強(qiáng)度，通過在觸頭材料中添加低熔點(diǎn)或脆性相合金元素，使觸頭之間的熔焊點(diǎn)變得十分脆弱，易于拉斷。Te 對(duì)CuCr材料的抗拉強(qiáng)度有顯著影響[7]，并且Te 實(shí)際沒有固溶于Cu中，所以合金有較好的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率。研究表明真空熔鑄CuCrTe材料具有更細(xì)的晶粒組織、較低的抗拉強(qiáng)度以及較低的截流水平，特別是在開斷電流方面明顯高于粉末冶金工藝，并且耐電壓水平不低于粉末冶金工藝，是一種性能優(yōu)良的觸頭材料[9,10]。但是CuCrTe 觸頭的研究多局限于電性能的研究，對(duì)于CuCrTe觸頭材料中脆性相的存在形式及影響關(guān)注較少，因此，研究了其脆性相的存在及作用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料選擇及配比

選用Cu 含量≥99.97%，O 含量≤0.002%的無氧Cu 塊；選擇Cr 含量≥99.0%，O 含量≤0.1%，N 含量≤0.02%的高純Cr 塊；選擇Te 含量≥99.99%的金屬Te塊，作為真空熔鑄法的原材料，制備CuCr25Te0.6 材料，Cr 含量配比為26%，考慮到合金熔煉溫度高，而金屬Te 的沸點(diǎn)較低，因此需要考慮Te 的最終收得率，其原材料配比見表1。

表1 原材料配比 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 真空熔煉及熱處理

試驗(yàn)選擇ZGJL0.025-100-2.5 型中頻真空感應(yīng)熔煉爐，該設(shè)備帶有二次加料裝置，隨機(jī)選取耐火溫度＞1600 ℃的陶瓷坩堝。將原材料Cu 塊、Cr 塊裝入陶瓷坩堝中，在真空條件下通過電磁感應(yīng)加熱，隨著原材料Cu 塊、Cr 塊熔化形成合金熔液，通過二次加料方式將金屬Te加入合金熔液，在電磁攪拌的作用下等到Te熔化并混合均勻后，隨后澆鑄進(jìn)入水冷銅結(jié)晶器，通過快速冷卻的方式得到CuCr25Te0.6 合金錠。對(duì)制備完成的鑄錠進(jìn)行750 ℃～850 ℃的退火，其目的在于調(diào)整各項(xiàng)理化指標(biāo)，以便于性能分析。

2 結(jié)果分析

2.1 常規(guī)理化性能分析

對(duì)熔鑄法制備的CuCr25Te0.6 合金材料檢測各項(xiàng)理化性能，同時(shí)為了對(duì)比熔鑄法添加金屬Te后對(duì)組織性能的影響，隨機(jī)在產(chǎn)品線上選擇熔鑄法生產(chǎn)的常規(guī)CuCr25 進(jìn)行性能檢測。表2 為材料性能檢測結(jié)果，圖1為二者的金相組織。

表2 理化檢測結(jié)果

圖1 金相組織

比較添加金屬Te 后的差別，由檢測結(jié)果來看，CuCr25Te0.6相比CuCr25，材料的化學(xué)成分，特別是氣體含量沒有太大的變化，硬度、密度和電導(dǎo)等方面二者差別也不大。比較金相組織，Cr 相的尺寸、形態(tài)沒有變化，組織整體均勻，但發(fā)現(xiàn)添加金屬Te后，金相中的氣孔、夾雜略有增加。整體來看，添加金屬Te 后，各項(xiàng)理化指標(biāo)及金相組織與CuCr25 仍然處于同一水平。

2.2 力學(xué)性能檢測

對(duì)熔鑄法制備的CuCr25Te0.6 和CuCr25 的退火態(tài)合金進(jìn)行力學(xué)性能檢測，測試設(shè)備型號(hào)為CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)，樣棒尺寸及試驗(yàn)方法參照GB/T 228、GB/T 295進(jìn)行，檢測結(jié)果見表3。添加金屬Te 后，熔鑄法制備的CuCr25Te0.6 力學(xué)性能明顯下降，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率均小于CuCr25，可見材料的脆性得到增強(qiáng)。

表3 力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.3 電鏡分析和能譜分析

為了對(duì)脆性相的存在位置和形式直觀分析，在觀測前對(duì)CuCr25Te0.6 樣品參照GB/T 26871—2011處理，采用侵蝕劑三氯化鐵鹽酸水溶液進(jìn)行腐蝕，隨后選擇SN3400 型日立電子掃描電鏡，通過背散射的方式觀測分析。

金相組織見圖2。發(fā)現(xiàn)在CuCr25Te0.6 中，除了淺灰色的Cu 基體和均勻分布在其上的深灰色Cr相外，也發(fā)現(xiàn)了白色相的存在，該種相多數(shù)分布在Cu、Cr兩相的邊界上，依附在Cr相邊緣，少量存在于Cu基體或Cu 晶界上。為了進(jìn)一步分析該種白色相的成分，采用能譜對(duì)其進(jìn)行了分析，其結(jié)果如圖3 所示。通過能譜分析了解到，該種白色相的主要成分為Cu、Cr、Te，其中Te 為主要成分，分析認(rèn)為該種脆性相應(yīng)當(dāng)是一種CuCrxTey。

圖2 CuCr25Te0.6金相組織

圖3 能譜分析

對(duì)CuCr25Te0.6 斷口形貌觀測，如圖4 所示，斷口以Cr 相形貌分布為主，Cr 相形態(tài)完整，呈現(xiàn)熔化態(tài)凝固的類球形，少量Cu 相表現(xiàn)出韌性斷裂的形態(tài)，可見斷裂主要是沿著Cr相的邊緣進(jìn)行斷裂。與常規(guī)鑄態(tài)法CuCr25 比較，常規(guī)鑄態(tài)CuCr25 的Cr 相以解離斷裂和Cu相的韌窩斷裂為主，同時(shí)也有因?yàn)閮?nèi)部夾雜缺陷造成的斷裂。結(jié)合上述分析，認(rèn)為添加Te之所以降低了材料的力學(xué)性能，主要是因?yàn)榇嘈韵郈uCrxTey存在于Cr 相邊緣，在材料中形成了強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，在拉伸過程，沿著Cr 相的邊緣發(fā)生了沿晶斷裂，從而熔焊發(fā)生時(shí)僅需要很小的力便可拉開。

圖4 斷口形貌

2.4 綜合分析

添加Te 后，在材料的組織中形成了CuCrxTey脆性相，該脆性相主要存在于Cu、Cr兩相的邊界，依附于Cr 相的邊緣，其作為組織中的薄弱點(diǎn)，在受力過程首先被撕裂，并沒有在Cr 相內(nèi)部發(fā)生撕裂，因而CuCrTe 材料主要是通過沿晶斷裂的方式來降低材料的強(qiáng)度，起到觸頭在服役過程抗熔焊的作用。

3 結(jié)論

（1）通過添加Te，鑄態(tài)法生產(chǎn)的CuCr25Te0.6 相比常規(guī)鑄態(tài)的CuCr25，其硬度、密度、電導(dǎo)、金相、氣體含量等均沒有發(fā)生明顯的變化，但是力學(xué)性能如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率有明顯的下降，因此其不僅具有鑄態(tài)CuCr材料良好的開斷和耐壓能力，而且通過添加Te，增強(qiáng)了抗熔焊的特性。

（2）CuCrTe 材料組織中，脆性相的主要成分是Cu、Cr、Te 三種元素，且以Te 的成分為主。該脆性相CuCrxTey多數(shù)分布在Cu、Cr 兩相的邊界上，依附在Cr相邊緣，少量存在于Cu基體或Cu晶界上。

（3）脆性相CuCrxTey的存在改變了鑄態(tài)法生產(chǎn)CuCr 合金的斷裂方式，依附在Cr 相邊緣，在Cu、Cr相的邊界處形成了薄弱點(diǎn)，使得斷裂主要以沿晶斷裂為主，大大降低了力學(xué)性能。