淺談CuCr合金制備工藝

銅鉻（CuCr）系合金是指以Cu為基體，加入Cr和其他微量合金元素形成的一系列合金。因其熱處理后具有較高的強度和硬度，具有良好的導電導熱性及抗腐蝕性，在很多行業都得到了廣泛的應用。其中，用量較大的是低鉻含量的CuCr合金，而高鉻含量的Cu Cr合金長期以來一直沒有得到實際應用。直到1980年以后，這種新材料才被大規模地應用于電接觸材料。

在CuCr合金中，Cu組元具有較低的熔點、高的導熱導電性和良好的塑性；第二組元Cr具有較高的熔點和高的機械強度。Cu、Cr組元的各自特性給銅鉻合金的制備帶來了較為嚴重的困難。固態時，面心立方的的Cu和體心立方的Cr幾乎不互溶，共晶點的含Cr量為1.5%，Cr在Cu中的最大固溶度（0.7%）出現在共晶溫度1 076℃，600℃以下則幾乎不容，而Cu不溶于Cr中。合金凝固時，Cr有共晶化的傾向，易造成成分偏析；Cr熔點較高，在高溫時與普通熔爐材料發生反應劇烈，且在熔點溫度下有較高的蒸汽壓。另外，Cr和O、N、C的親和力大，易吸氣和產生不易還原的化合物，從而影響材料的性質，也難以制備低含氣量的合金。因此，研究者廣開思路，設計出多種工藝方法，以求獲得高性能的CuCr合金。

目前，CuCr合金的制備工藝主要有常規熔煉技術、熔滲技術、等離子體技術、粉末冶金技術、快速凝固技術、自蔓延合成技術、激光表面合金化技術等。對低Cr含量的合金，大多數采用常規熔煉技術和快速凝固技術；對于高Cr含量的合金，多采用其他幾種方法。

一、常規熔煉技術

對于低Cr含量的CuCr合金，即鉻青銅，一般采用普通熔鑄法制備。Cr組元以純Cr或以中間合金的形式加入。原材料采用電解銅、銅鉻中間合金或鉻顆粒，一般采用石墨坩堝，含碳覆蓋劑。先將坩堝預熱至暗紅色，加入經預熱的電解銅爐料，以快速熔煉；待電解銅基本熔化后，加入約占1.5%的長效復合覆蓋劑，用鐘罩壓入坩堝中部；繼續熔煉升溫至1250℃左右時，加入中間合金或鉻顆粒，再熔煉10－15min，并用石墨棒對合金液攪拌使成分均勻，稍后即可出爐。澆注時，可采用砂型或金屬型。金屬型相對于砂型而言，冷卻速度較大，生產的銅合金晶粒較小，機械性能高。普通熔鑄法雖然生產成本低，但其生產的銅合金存在晶粒粗大、偏析嚴重、雜質含量高等問題，且難以制備含Cr量較高的合金。

二、快速凝固技術

為了得到更高的綜合性能，低Cr含量的CuCr合金也采用快速凝固技術進行熔煉。對于高Cr含量的CuCr系合金，主要用作觸頭材料。觸頭材料是開關電器中的最關鍵部件之一，其質量好壞直接影響著電器的可靠接通、分斷、抗熔焊性、截流、耐壓、升溫、壽命等。理想的觸頭材料應具有以下性能：大的電流開斷能力、高的承受電壓能力、小的接觸電阻、抗熔焊性能好、低的觸頭磨損、小的截斷電流、足夠的機械強度、良好的加工性能。

大容量真空開關的發展，對CuCr觸頭材料提出了更高的要求，必須進一步提高CuCr觸頭材料的耐電壓強度、開斷電流能力、抗熔焊性能及降低材料的截流值等性能。其中，細化CuCr合金微觀組織中的Cr粒子，是提高觸頭材料綜合性能的有效手段。研究表明，當Cr粒子尺寸細化到納米尺度時，將會呈現出與常規粗晶材料不同的優異電性能，如低的平均截流值和良好的電弧分散特性等。為達到該目的，擬采用真空熔煉－單輥熔體快淬方法制備CuCr合金。目前，實際中所使用的CuCr觸頭材料含Cr量在25%～50%之間。國內，人們更傾向于使用含Cr量較低的CuCr觸頭材料，如CuCr25。筆者考慮實際使用情況后，將CuCr25觸頭材料選為實驗研究的主要對象，但為了較全面地了解冷卻速度的變化、添加合金化元素以及熱時效工藝CuCr合金微觀組織和電性能的影響，將CuCr合金中的含Cr量設計在2％～35％之間。筆者首先研究冷卻速度對不同成分的CuCr合金微觀組織的細化作用；通過采用快速凝固，力爭實現CuCr合金微觀組織中Cr粒子的納米化。

隨著CuCr合金中Cr含量的增加，初生Cr相的形貌由球形轉變為樹枝型，且尺寸明顯增大。當Cr含量為25%時，初生Cr枝晶的尺寸達到mm級。隨著Cr含量的增加，CuCr合金鑄錠微觀組織中初生Cr相的生長方式會發生轉變，即由細等軸晶向樹枝晶轉變，結果導致CuCr合金鑄錠的微觀組織不斷粗化。

（作者單位：山西省榆次液壓有限公司技工學校）