高能球磨—放電等離子燒結Cu-Cr納米復合材料的研究.pdf

1、Cu-Cr復合材料（亦稱Cu-Cr合金）是真空開關中常用的觸頭材料。隨著真空開關向高電壓、大容量、小型化方向發(fā)展，對Cu-Cr觸頭材料的性能提出了更高的要求。納米復合材料具有優(yōu)良的綜合性能，且塊體納米材料的制備一直是國內外研究的熱點。為此，本文采用高能球磨（High Energy Ball Milling,簡稱HEBM）與放電等離子燒結（Spark plasmasintering，簡稱SPS）相結合的方法，制備Cu-Cr納米復合材料，并

2、探討Cu-Cr納米復合材料在大功率真空開關中應用的可能性。
　　分別以CuCr5和CuCr50（質量百分含量）兩個材料體系為對象，著重研究了高能球磨過程中Cu（Cr）固溶體粉末、Cu-Cr納米晶復合粉末的形成過程及機理，研究了放電等離子燒結過程中粉末的致密化行為以及納米Cr粒子的脫溶析出與長大規(guī)律，并通過模擬試驗和裝機試驗，比較了納米和非納米Cu-Cr觸頭材料的電性能。經(jīng)過研究，得到如下主要結論：
　　采用高能球磨工藝，可以

3、形成Cu（Cr）固溶體，且球磨工藝參數(shù)對Cu（Cr）過飽和固溶體粉末的形成具有重要影響。優(yōu)化的球磨工藝為：過程控制劑（PCA）無水乙醇的添加量為5％，采用2種不同尺寸的硬質合金磨球進行級配球磨(φ10:φ6=1:2)，球料比30:1，球磨時間100h。在此條件下，可實現(xiàn)CuCr5粉末中的Cr在Cu中的完全固溶，形成過飽和Cu（Cr）固溶體粉末。
　　熱力學計算表明，CuCr體系在常溫下形成固溶體時存在熱力學勢壘。在高能球磨過程中，

4、晶粒尺寸的減少和位錯密度的增加使得體系的自由能增加，從而導致Cr在Cu中的固溶度得到有效擴展。
　　在燒結溫度900℃、保溫時間5min、升溫速率100℃/min、壓力50MPa的條件下，通過對過飽和Cu（Cr）固溶體粉末進行放電等離子燒結，成功制備了CuCr5納米復合材料。在放電等離子燒結過程中，Cr從Cu(Cr)過飽和固溶體中彌散析出，其尺寸約為70~150nm，均勻分散在Cu基體中，形成了CuCr5納米復合材料。
　　

5、制備的CuCr5納米復合材料的相對致密度為98.7％，顯微硬度高達213HV，電導率為38.8％IACS。與傳統(tǒng)方法制備的非納米CuCr5合金相比，制備的CuCr5納米復合材料的硬度提高了1.58倍，而電導率相當。
　　CuCr50粉末的優(yōu)化球磨工藝為：過程控制劑（PCA）無水乙醇的添加量為5％，采用2種不同尺寸的硬質合金磨球進行級配球磨(φ10:φ6=1:3)，球料比30:1，球磨時間60h。在此條件下，成功獲得了納米晶CuCr

6、50復合粉末。
　　CuCr50復合粉末的優(yōu)化放電等離子燒結工藝為：燒結溫度900℃、保溫時間5min、升溫速率100℃/min、壓力50MPa。在此工藝條件下，成功制備了CuCr50納米復合材料。
　　制備的CuCr50納米復合材料的相對致密度（98.8％）接近工業(yè)標準（99.0％），其顯微硬度（282HV）為工業(yè)標準的2.35倍，而電導率（21％IACS）略低于工業(yè)標準（30％IACS）。
　　在直流低電壓和小電流

7、（24V/10A）的條件下，納米CuCr50觸頭材料在真空中的平均分斷燃弧時間高于非納米CuCr50觸頭。雖然納米CuCr50陰極觸頭的電弧侵蝕量大于非納米CuCr50觸頭，但其表面燒蝕均勻，消除了嚴重的局部燒蝕現(xiàn)象，而非納米觸頭的心部出現(xiàn)了明顯的燒蝕坑，局部燒蝕嚴重。
　　相對于非納米CuCr25觸頭材料，納米CuCr25觸頭材料的截流值降低，但耐壓能力下降。在交流高電壓和大電流（24kV/20kA）的條件下，納米CuCr25觸

8、頭材料的分斷能力明顯劣于非納米CuCr25觸頭材料。
　　分斷試驗之后，2種CuCr25觸頭表面的電弧燒蝕形貌出現(xiàn)明顯差別。非納米CuCr25材料的陽極觸頭表面燒蝕比陰極表面嚴重，納米CuCr25的陰極和陽極觸頭表面局部燒蝕嚴重，出現(xiàn)了明顯的裂紋和裂縫。
　　模擬試驗和裝機試驗的綜合結果表明，在本實驗條件下，制備的Cu-Cr納米復合材料作為真空開關中的觸頭材料并未顯示出明顯的優(yōu)勢，如何進一步降低材料中的氧含量和雜質含量，如何