铜铬合金中夹杂物的金相显微分析检测方案(金相显微镜)

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自蔓延-电磁铸造法制备铜铬合金中夹杂物的金相显微分析 1研究背景 触头材料是决定真空断路器性能的关键因素，理想的触头材料必须具有以下电气性能：大的分断电流能力、高的耐电压强度、可靠的抗焊性能、高的导电率和高的导热率、低的电弧烧损率以及低的截流值等。近年来随着大功率真空高压形状技术的发展， CuCr系列的合金触头材料以其众多的优越性能逐渐取代了传统的W-Cu、Cu-Bi 系列的合金触头材料，而广泛的应用于中高压大功率真空形状电路中，预计随着其性能的不断改善，其应用范围会更加广泛。CuCr 合金高压触头材料的电气性能取决于其微观结构，而微观结构又取决于其制备工艺。传统的粉末冶金法、熔渗法以及真空电弧熔炼法都是以金属Cu粉、Cr粉为原料，存在生产成本高，工艺复杂，且产品致密度差，成品率低等缺点，在制备大尺寸合金铸锭方面存在困难。因此，世界各国都把 CuCr 合金的制备工艺和技术放在首位。 课题组在国家自然基金资助下，先后开发出基于铝热自蔓延电磁铸造法制备铜铬合金新工艺以及基于铝热还原电渣重熔法制备铜铬合金触头材料的新工艺，并获得两项国家发明专利。铝热还原-电磁铸造法制备铜铬合金，专利号：ZL200510047309.7和自蔓延熔-电渣重熔制备 CuCr 合金触头材料的方法，，专利号：200710011613.5。 首先采用铝热还原法获得高温互溶铜铬熔体，然后采用冶金铸造技术，在电磁场作用下将高温互溶的铜铬合金熔体浇铸到铸模中，得到铜铬自耗铸锭结果表明：通过电磁搅拌以及循环强冷等强制手段，对抑制合金偏析效果很明显，但是合金中的夹杂物、气孔等微观结构缺陷并没有的得很好的去除。由于电渣精炼在去除合金中氧化物夹杂以及气孔等缺陷方面具有极大的优势，所以课题组在前期研究基础上提出了基于铝热还原-电渣精炼新工艺，并连续得到国家自然科学基金的资助。该工艺是提出对铝热还原获得铜铬合金锭进行电渣重熔处理，消除合金锭中气孔和夹杂。由于铜铬合金中主要杂质成分为氧化铝等，而且铜铬合金与氧化铝凝固点较高，造成液态铜铬很难与杂质进行分离，影响了铜铬合金的性能。但是在铝热还原以后，利用电渣重熔工艺，通过电渣重熔过程以后，得到二次精练的铜铬合金纯度更高，性能更优越，更适宜于触头材料的要求。因 此本论文将对铝热还原工艺制备的 CuCr 合金的夹杂物种类，存在形态及分布规律进行系统研究，为电渣精炼去除夹杂物精炼渣系选择提供理论依据；同时分析熔炼工艺条件对合金中夹杂物的种类，存在形态及分布规律的影响，为熔炼过程中控制夹杂物含量提供理论。从而实现具有独立知识产权的基于铝热还原法制备高性能，大尺寸铜铬合金铸锭工业化生产，增强我国的铜铬合金触头材料材料的国际竞争力。 2研究内容 本论文在前期研究工作基础之上，提出对铝热还原法制备铜铬合金中夹杂物存在形态和分布规律进行研究，同时考察铝热还原熔炼条件对合金性能以及合金中夹杂物种类，存在形态以及分布规律的影响规律，为熔炼过程中夹杂物的控制提供理论依据，为采用基于铝热还原法新工艺制备致密优良的铜铬合金提供实验依据和理论指导。 主要研究内容如下： (1)采用金相技术分析夹杂物在合金中的赋存状态及分布规律； (2)在以上研究的基础上，分析反应物配比，添加剂类型，铸模内径、电磁搅拌等熔炼工艺条件对合金中夹杂物种类，存在形态以及分布规律的影响规律。 3 Cu-50%Cr 合金 本论文将系统考察不同的反应物配比，添加剂(CaF2、Na3AlF6)种类，电磁搅拌等工艺条件对铝热法制备 Cu-50%Cr铜铬合金性能及合金中夹杂物种类，存在形态以及分布规律的影响，试验方案如表2.1所示。 (1)相对于化学反应计量数， CuO 过量5%， Cr2O3正常， Al 粉过量10%。经计算，比例为 CuO： Cr2O3： Al=105：：116.7：：770.5。添加剂为 CaF2 或 Na3AlF6，含量为相对于反应物总质量的5%或 10%。 表 3.1 Cu-50%Cr 合金的实验方案 Table3.1 experiment plan of Cu-50%Cr alloy 组别 原料 添加剂/% KClO3 铸模内径 电磁搅拌 铸模温度 比 Na3AlF6 CaF2 /% /mm /7min /℃ 1# I 5 0 0 75 搅拌7 200 2# I 10 0 0 75 搅拌7 200 3# 5 0 5 75 搅拌7 200 4# I 0 0 0 75 搅拌7 200 5# I 0 5 0 60 搅拌7 200 6# 0 5 5 60 搅拌7 200 7# 0 10 0 60 搅拌7 200 8# 0 5 0 60 搅拌7 200 9# 0 10 0 60 搅拌7 200 10# 0 5 0 60 ※ 200 11# 0 5 0 60 不加搅拌 200 12# 0 5 0 60 搅拌7 500 13# Ⅱ 0 5 0 45 搅拌7 200 (2)相对于化学反应计量数， CuO 正常， Cr2O3过量5%，Al粉过量10%。经计算，比例为 CuO： Cr2O3： Al=100：122.6：70.5。添加剂为 CaF2 或 Na3AlF6，含量为相对于反应物总质量的5%或 10%。 (3)有些组中加了相对于反应物总质量的 5%KC1O3发热剂。 注：I表示配比为： CuO： Cr2O3： Al=105： 116.7：70.5 II表示配比为 CuO： Cr2O3： Al=100： 122.6：70.5 II表示配比为： CuO： Cr2O3： Al=105：1116.7：77 ※电磁搅拌为间歇式单向搅拌，间歇为 10s。 4Cu-25%Cr合金 本论文将系统考察不同的反应物配比，添加剂 (CaF2、CaO、Al2O3)种类，对铝热法制备 Cu-25Cr 铜铬合金性能及合金中夹杂物种类，存在形态以及分布规律的影响，试验方案如表2.2所示。 表 4.1 Cu-25%Cr 合金的实验方案 Table4.1experiment plan Cu-25%Cr alloy 组别 原料比 CaF/% Ca0/% Al2O3/% 铸模内径 搅拌时间 铸模温度 /mm /min /℃ 1# I 5 60 7 150 2# 5 5 60 7 150 3# I 5 10 60 7 150 4# 5 5 60 7 150 5# 5 8 60 7 150 I表示反应物配比 CuO： Cr2O3： A1=93.89： 36.5：：36.015 5金相显微镜分析 金相样品的制备及观察过程： (1)取样：用锯弓在拉伸试样上截取，尺寸约15mm×15mm×3mm，尽量保持试样的代表性。 (2)镶样：同样用锯弓锯出若干个高、直径和长都为20mm 的小圆柱形铜块，将小铜块的端面磨平，再将试样块用胶粘牢在圆形铜块的端面上，粘贴的表面需洁净。 (3)磨光：：首先，在国产M-2型金相试样预磨机上依次用120号，240号， 400号水磨砂纸打磨成平整的平面，然后在在璃板上依次用01号，03号，05号金相砂纸磨光，使样品表面平整，无较深划痕。磨光时不能过热，以免合金表面氧化。 (4)抛光： a.粗拋：用Cr203悬浮液及细昵布在抛光机上抛至试样表面无明显划痕。 b.精抛：用W0.5的金刚石抛光膏光光至无划痕、污迹、拖尾等成为光滑无痕镜面。 (5)侵蚀：使用如表2.3成分配制的侵蚀剂对试样表面进行侵蚀，才用脱脂棉沾上侵蚀剂对试样表面进行擦拭，待试样磨面发暗时就可停止，避免因侵蚀时间过长而造成的过侵蚀现象发生。侵蚀完毕后，立即用清水和无水酒精冲洗，最后用吹风机吹干。 表5.1侵蚀剂成分配比 Table5.1 Component ratio of aggressive agent 成分 FeCl： HC1 H2O 含量 5g 10ml 100ml (6)观察：金相显微镜组织观察采用 MM-6 大型金相显微镜。主要观察合金组织的晶粒形貌、、晶粒大小、气孔、夹杂物的分布等。 6 Cu-50%Cr 合金金相显微镜分析 首先，对自蔓延-电磁铸造法制备的 Cu-50%Cr合金1#-13#样品的上、中、下部进行金相观察。 2#中 2#下 1-Na3AlF6添加量5%；2-Na3AlF6 添加量 10%； 3-Na3AlF6， KClO3添加量均为5%；4-未添加添加剂 图 6.1添加Na3AlF6时 CuCr 合金的金相照片Fig6.1Micrograph of CuCr Alloy for Na3AlF6 as Additive 图6.1是添加 Na3AlF6时铜铬合金的金相照片。合金中存在明显的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物，其中黄色的为 Cu 基体，白色的为富Cr相，黑色的为气孔和夹杂物。在金相显微镜下，可清晰观察到明显、粗大的枝晶等轴晶结构晶区。其枝晶结构发达，枝晶间偏析明显。但是铜铬相分布较均匀，同时能隐约看到枝晶的存在，大多数为类球状晶。用 image-pro-plus 图像分析软件先将彩图转换为灰度图片，利用色差，统计分析了自蔓延-电磁铸造法制备的 CuCr 合金铸锭上部、中部、下部的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物相所占合金的比例，并求得平均值，数据如表6.1所示。 图6.2 image-pro-plus 软件转换出的灰度图片 Fig6.2 Grayscale image of converting by image-pro-plus 从6.2图中可以看出， CuCr合金上部 Cr 偏析比较严重，下部 Cu含量较多，从表6.1中可以看出1#、2#、4#Cu-50%Cr 合金中 Cu 和 Cr的比例接近于1：1，4#Cu-50%Cr 合金中Cr 所占比例较多，由于 Cr 偏析严重。其中1#合金上部气孔较多，4#合金中部 Table6.2 the proportion of each phase in CuCr Alloy for Na3AlF6 as Additive 上中下 上中下 上中下 上中下 气孔较多，3#合金平均气孔较少。合金上、中、下部都存在微观缺陷，气孔几乎分布于整个合金中。因此要对合金进行电渣精炼，消除一部分枝晶结构和偏析，去除气孔和夹杂物，使成分向均匀化趋近，从而使其强度得到提高。 5-CaF2 添加量5%； 6-CaF2， KClO3添加量均为5%； 7-CaF2添加量 10% 图6.3 添加 CaF2时CuCr 合金的金相照片 Fig6.3Micrograph of CuCr Alloy for CaF2 as Additive 图6.3是添加 CaF2时铜铬合金的金相照片。由图6.3可知，合金中存在明显的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物，其中黄色的为 Cu 基体，白色的为富 Cr相，黑色的为气孔和夹杂物。 用 image-pro-plus 图像分析软件先将彩图转换为灰度图片，利用色差，统计分析了自蔓延-电磁铸造法制备的 CuCr 合金铸锭上部、中部、下部的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物相所占合金的比例，并求得平均值，数据如表3.2所示。 其中5#和7#合金气孔和夹杂物占合金比例较大，6#合金缺陷相对较少，由于6#合金中不但添加了 CaF2，而且添加了 KClO3，这样熔渣流动性得到改善的同时反应温度会更高，这些都能有效促进金渣分离，获得更好的微观组织。7#合金下部还出现了粒径 300pm 左右的球状 Cr 晶体，是由于冷却过程导致的偏析 严重。5#合金中部气孔和夹杂物较多，占合金比例22.5%，7#合金上部气孔和夹杂物占合金比例16.2%，合金上、中、下部都存在微观缺陷，气孔几乎分布于整个合金中。 表6.2 添加 CaF2时 CuCr 合金中各相所占比例 Table6.2 the proportion of each phase in CuCr Alloy 气孔及杂质所占比例/% Cu 的比例/% Cr 的比例/% 5# 上 中 6.2 43.4 50.4 22.5 37.9 39.6 下 1.9 47.5 50.6 平均 10.2 42.9 46.9 6# 上 5.4 52.4 42.1 中 下 7.6 39.6 52.8 1.5 50.2 48.3 平均 4.8 47.4 47.7 7# 上 16.2 36.4 42.4 中 7.6 39.6 52.8 卜 5.4 52.4 42.1 平均 9.7 42.8 45.5 11#上 11#中 11#下 8-CaF2添加量5%； 9-CaF2 添加量10%； 10-CaF2 添加量5%间歇搅拌；11-CaF2添加量5%无搅拌；12-CaF2添加量5%铸模温度500℃；13-CaF2 添加量5%。其中8-12号合金铸锭直径为60mm，13号铸锭直径为45mm 图 64 添加 CaF2 时 CuCr 合金的金相照片 Fig6.4 Micrograph of CuCr Alloy for CaF2 as Additive 图6.4是添加CaF2 时铜铬合金的金相照片。合金中存在明显的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物，其中黄色的为 Cu 基体，白色的为富 Cr相，黑色的为气孔和夹杂物。 用 image-pro-plus 图像分析软件先将彩图转换为灰度图片，利用色差，统计分析了自蔓延-电磁铸造法制备的 CuCr 合金铸锭上部、中部、八下部的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物相所占合金的比例，并求得平均值，数据如表6.3所示。 表6.3 添加 CaF2时 CuCr 合金中各相所占比例 Table6.3 the proportion of each phase in CuCr Alloy 上中下 22巧 20 上中下 上中下 上中下 上中下 7 Cu-25%Cr 合金金相显微镜分析 对自蔓延-电磁铸造法制备的Cu-25%Cr 合金1#-5#样品进行金相观察，如图7.1所示。 图7.1是 Cu-25%Cr 合金的金相照片。由图7.1可知，合金中存在明显的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物，其中黄色的为Cu 基体，白色的为富 Cr 相，黑色的为气孔和夹杂物。 图7.1 Cu-25%Cr 合金的金相照片 Fig7.1 Micrograph of Cu-25%Cr Alloy 用 image-pro-plus 图像分析软件先将彩图转换为灰度图片，见表7.1。.利用色差，统计分析了自蔓延-电磁铸造法制备的 Cu-25%Cr 合金铸锭富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物相所占合金的比例，数据如表3.2所示，由于 Cu-25%Cr 合金铸锭相对较小，所以只取中间部分进行观察。其中1#和2#合金气孔和夹杂物占合金比例较大，3#合金气孔和夹杂物先对较少。Cu-25%Cr 合金上、中、下部都存在微观缺陷，气孔几乎分布于整个合金中。 图7.1 image-pro-plus 软件转换出的灰度图片 Fig7.1 Grayscale image of converting by image-pro-plus 表7.1 Cu-25%Cr合金中各相所占比例 Table7.1 the proportion of each phase in Cu-25%Cr Alloy 气孔及杂质所占比例/% Cu 的比例/% Cr 的比例/% 1# 31.9 63.2 2# 51.8 41.3 3# 1.3 66.7 32.0 4# 4.2 60.9 34.9 5# 2.3 48.7 49.0 由金相显微镜分析可知，合金中存在明显的富铜区，富铬区以及气孔和夹杂物，其中黄色的为 Cu 基体，白色的为富Cr 相，黑色的为气孔和夹杂物。在金相显微镜下，可清晰观察到明显、粗大的枝晶等轴晶结构晶区。用 image-pro-plus图像分析软件计算出合金中 Cu 相，Cr 相，气孔和夹杂物占合金的比例， Cu-50%Cr合金中 Cu、Cr所占比例基本为1：1，合金上部 Cr 偏析较严重，下部 Cu 含量偏高。Cu-25%Cr合金Cr 的枝晶比 Cu-50%Cr 合金细小。Cu-50%Cr合金和 Cu-25%Cr合金都有存在宏观偏析和微观结构等缺陷。 触头材料是决定真空断路器性能的关键因素，理想的触头材料必须具有以下电气性能：大的分断电流能力、高的耐电压强度、可靠的抗焊性能、高的导电率和高的导热率、低的电弧烧损率以及低的截流值等。近年来随着大功率真空高压形状技术的发展，CuCr系列的合金触头材料以其众多的优越性能逐渐取代了传统的 W-Cu、Cu-Bi 系列的合金触头材料，而广泛的应用于中高压大功率真空形状电路中，预计随着其性能的不断改善，其应用范围会更加广泛。CuCr 合金高压触头材料的电气性能取决于其微观结构，而微观结构又取决于其制备工艺。传统的粉末冶金法、熔渗法以及真空电弧熔炼法都是以金属 Cu 粉、Cr 粉为原料，存在生产成本高，工艺复杂，且产品致密度差，成品率低等缺点，在制备大尺寸合金铸锭方面存在困难。因此，世界各国都CuCr 合金的制备工艺和技术放在首位。