CuCrTe触头材料中脆性相的存在形式及影响

张石松，王小军，刘 凯，李 鹏，李 刚，师晓云，贺德永

（陕西斯瑞新材料股份有限公司，西安 710077）

引言

触头熔焊和材料本身的特性有关，如熔点、沸点、熔化热、导电率、导热率、硬度等力学物理性能都是影响触头的重要因素[1,2]，其中材料的抗拉强度与抗熔焊性能有直接关系，触头材料的韧性越好，抗拉强度越高，则熔焊力越大，触头材料的抗熔焊性越差[3]。因此，虽然电弧熔炼和真空熔铸CuCr 触头的开断能力及绝缘性能均优于相同化学成分的混粉压制烧结的CuCr粉末冶金触头材料[4-6]，但是一旦发生接触熔焊，分开一对CuCr粉末冶金触头需要更大的力[7]。为了进一步降低抗拉强度，通过在触头材料中添加低熔点或脆性相合金元素，使触头之间的熔焊点变得十分脆弱，易于拉断。Te 对CuCr材料的抗拉强度有显著影响[7]，并且Te 实际没有固溶于Cu中，所以合金有较好的导电率和导热率。研究表明真空熔铸CuCrTe材料具有更细的晶粒组织、较低的抗拉强度以及较低的截流水平，特别是在开断电流方面明显高于粉末冶金工艺，并且耐电压水平不低于粉末冶金工艺，是一种性能优良的触头材料[9,10]。但是CuCrTe 触头的研究多局限于电性能的研究，对于CuCrTe触头材料中脆性相的存在形式及影响关注较少，因此，研究了其脆性相的存在及作用。

1 试验方法

1.1 原材料选择及配比

选用Cu 含量≥99.97%，O 含量≤0.002%的无氧Cu 块；选择Cr 含量≥99.0%，O 含量≤0.1%，N 含量≤0.02%的高纯Cr 块；选择Te 含量≥99.99%的金属Te块，作为真空熔铸法的原材料，制备CuCr25Te0.6 材料，Cr 含量配比为26%，考虑到合金熔炼温度高，而金属Te 的沸点较低，因此需要考虑Te 的最终收得率，其原材料配比见表1。

表1 原材料配比 （质量分数，%）

1.2 真空熔炼及热处理

试验选择ZGJL0.025-100-2.5 型中频真空感应熔炼炉，该设备带有二次加料装置，随机选取耐火温度＞1600 ℃的陶瓷坩埚。将原材料Cu 块、Cr 块装入陶瓷坩埚中，在真空条件下通过电磁感应加热，随着原材料Cu 块、Cr 块熔化形成合金熔液，通过二次加料方式将金属Te加入合金熔液，在电磁搅拌的作用下等到Te熔化并混合均匀后，随后浇铸进入水冷铜结晶器，通过快速冷却的方式得到CuCr25Te0.6 合金锭。对制备完成的铸锭进行750 ℃～850 ℃的退火，其目的在于调整各项理化指标，以便于性能分析。

2 结果分析

2.1 常规理化性能分析

对熔铸法制备的CuCr25Te0.6 合金材料检测各项理化性能，同时为了对比熔铸法添加金属Te后对组织性能的影响，随机在产品线上选择熔铸法生产的常规CuCr25 进行性能检测。表2 为材料性能检测结果，图1为二者的金相组织。

表2 理化检测结果

图1 金相组织

比较添加金属Te 后的差别，由检测结果来看，CuCr25Te0.6相比CuCr25，材料的化学成分，特别是气体含量没有太大的变化，硬度、密度和电导等方面二者差别也不大。比较金相组织，Cr 相的尺寸、形态没有变化，组织整体均匀，但发现添加金属Te后，金相中的气孔、夹杂略有增加。整体来看，添加金属Te 后，各项理化指标及金相组织与CuCr25 仍然处于同一水平。

2.2 力学性能检测

对熔铸法制备的CuCr25Te0.6 和CuCr25 的退火态合金进行力学性能检测，测试设备型号为CMT5105电子万能试验机，样棒尺寸及试验方法参照GB/T 228、GB/T 295进行，检测结果见表3。添加金属Te 后，熔铸法制备的CuCr25Te0.6 力学性能明显下降，抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率均小于CuCr25，可见材料的脆性得到增强。

表3 力学性能检测结果

2.3 电镜分析和能谱分析

为了对脆性相的存在位置和形式直观分析，在观测前对CuCr25Te0.6 样品参照GB/T 26871—2011处理，采用侵蚀剂三氯化铁盐酸水溶液进行腐蚀，随后选择SN3400 型日立电子扫描电镜，通过背散射的方式观测分析。

金相组织见图2。发现在CuCr25Te0.6 中，除了浅灰色的Cu 基体和均匀分布在其上的深灰色Cr相外，也发现了白色相的存在，该种相多数分布在Cu、Cr两相的边界上，依附在Cr相边缘，少量存在于Cu基体或Cu 晶界上。为了进一步分析该种白色相的成分，采用能谱对其进行了分析，其结果如图3 所示。通过能谱分析了解到，该种白色相的主要成分为Cu、Cr、Te，其中Te 为主要成分，分析认为该种脆性相应当是一种CuCrxTey。

图2 CuCr25Te0.6金相组织

图3 能谱分析

对CuCr25Te0.6 断口形貌观测，如图4 所示，断口以Cr 相形貌分布为主，Cr 相形态完整，呈现熔化态凝固的类球形，少量Cu 相表现出韧性断裂的形态，可见断裂主要是沿着Cr相的边缘进行断裂。与常规铸态法CuCr25 比较，常规铸态CuCr25 的Cr 相以解离断裂和Cu相的韧窝断裂为主，同时也有因为内部夹杂缺陷造成的断裂。结合上述分析，认为添加Te之所以降低了材料的力学性能，主要是因为脆性相CuCrxTey存在于Cr 相边缘，在材料中形成了强度薄弱点，在拉伸过程，沿着Cr 相的边缘发生了沿晶断裂，从而熔焊发生时仅需要很小的力便可拉开。

图4 断口形貌

2.4 综合分析

添加Te 后，在材料的组织中形成了CuCrxTey脆性相，该脆性相主要存在于Cu、Cr两相的边界，依附于Cr 相的边缘，其作为组织中的薄弱点，在受力过程首先被撕裂，并没有在Cr 相内部发生撕裂，因而CuCrTe 材料主要是通过沿晶断裂的方式来降低材料的强度，起到触头在服役过程抗熔焊的作用。

3 结论

（1）通过添加Te，铸态法生产的CuCr25Te0.6 相比常规铸态的CuCr25，其硬度、密度、电导、金相、气体含量等均没有发生明显的变化，但是力学性能如抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率有明显的下降，因此其不仅具有铸态CuCr材料良好的开断和耐压能力，而且通过添加Te，增强了抗熔焊的特性。

（2）CuCrTe 材料组织中，脆性相的主要成分是Cu、Cr、Te 三种元素，且以Te 的成分为主。该脆性相CuCrxTey多数分布在Cu、Cr 两相的边界上，依附在Cr相边缘，少量存在于Cu基体或Cu晶界上。

（3）脆性相CuCrxTey的存在改变了铸态法生产CuCr 合金的断裂方式，依附在Cr 相边缘，在Cu、Cr相的边界处形成了薄弱点，使得断裂主要以沿晶断裂为主，大大降低了力学性能。