摘要：研究了放电等离子制备CuCr触头材料的冶金机理，合成材料及制备工艺参数，分析了施加压力对触头材料致密度的影响，并基于Munir理论阐述了触头材料中空隙缺陷的产生原因。
关键词：CuCr合金 触头材料 放电等离子
空隙
中图分类号：TG456
文献标识码A
文章编号：1007-3973(2011)010-033-02
真空灭弧室被称为真空开关的“心脏”，是直接影响真空开关关键性能的核心部件。近年来，真空灭弧室的质量有了很大提高，得益于采用新技术、新工艺、新材料，走技术创新之路。这主要表现在采用大型真空炉、用一次封排工艺、采用低碳不锈钢制造波纹管、用铜陶瓷封接取代可伐一陶瓷封接，尽量少用或不用可伐等。目前，中电装备尚未掌握真空灭弧室制造和生产的关键技术。建立自己的真空灭弧室制造和研发体系，拥有自主知识产权的真空开关核心技术是平高集团公司当前的重要战略方向。触头是真空灭弧室的关键部件之一。在触头材料上，多数厂家采用CuCr合金，l这种触头材料的优点源于Cu和cr之间具有很小的互溶度。CuCr合金实际上是两相合金，从而使Cu和Cr都充分保留各自良好的性能，即：具有较低熔点、高导电率和热导率的Cu组元，有利于提高真空开关的分断能力；cr组元具有较高的熔点、力学强度和较低的截流值，保证了真空开关具有良好的耐电压、抗烧损、抗熔焊和低截流等特性。
国内主要采用粉末冶金的方法制备CuCr合金触头，西门子采用电弧冶炼法，使CuCr金相组织好，进一步提高了灭弧室的抗烧蚀能力。本论文研发一种基于放电等离子合成原理的新型CuCr触头材料制备技术，具有工艺简单、成本低廉、金相组织较好、抗烧蚀能力优异、服役寿命延长等特点，达到国内外CuCr触头材料制备领域较高水平，可以为我国先进真空灭弧室项目的顺利建设奠定坚实的物质基础和提供重要的技术支撑。
1、放电等离子制备原理
放电等离子技术(Spark Plasma Sintering或SPS)是近年来发展起来的一种新型的快速材料合成技术。该技术是在加压粉体粒子时直接通入脉冲电能，由火花放电瞬间产生的等离子体进行加热，利用热效应、场效应等在低温进行短时间烧结的新技术，其融等离子活化、热压、电阻加热为一体，具有升温速度快、时间短、试样晶粒均匀、容易控制细微结构、获得材料致密度高、性能好等特点。现阶段除各种新材料的制各和硬质合金的合成外，还可进行多层粉末的同步焊接、固体．粉末-固体及固体与固体之间的结合。
SPS装置主要包括以下几个部分：轴向压力装置；水冷冲头电极；真空腔体；气氛控制系统(真空、氩气)；直流脉冲电源及冷却水、位移测量、温度测量和安全等控制单元。SPS的基本结构如图1所示。其中通一断的脉冲电源可以产生一系列独特的效应：放电等离子体、放电冲击压、焦耳热和电场辅助扩散效应。在烧结的初始阶段，由于脉冲电流的作用，在粉末颗粒间产生放电现象，所产生等离子体高温和放电冲击压，不仅可以有效去除粉末颗粒表面的吸附气体和杂电导致的快速扩散促进了颗粒质，而且由于放致密化过程。因此SPS可以得到均质、致密的材料。采用SPS技术进行CuCr触头材料的制备，目前国内外尚未见到相关报道。SPS技术作为集电场、应力场、温度场等多场耦合技术于一体的新型快速制备工艺，为CuCr合金的制备提供了一种短时、低温、低压扩散连接的新方法、新工艺，也为其它触头材料的制备提供了重要的理论和实践上的借鉴意义。
2、放电等离子制备材料及设备
一般情况下，CuCr合金触头中Cu含量越低，其开断性能越好。室温下Cu-Cr合金可以认为是两组元机械混合的合金。Cu和cr的不溶性，使其液相合金凝固时，Cr有共晶化和比重偏析趋向，造成宏观偏析。Cu和Cr的熔点悬殊，且密度相差较大，在凝固时会产生比重偏析，而且Cr熔点较高，在高温时与普通熔炉炉衬材料发生反应，这些因素决定了高Cr含量的CuCr合金难以采用普通的熔炼法制取。本文研究以Cr含量为40％成分的CuCr40触头材料为研究对象，将原始配比合金粉末经机械活化后得到超微粉体。
放电等离子合成所用的设备是日本住友石炭公司生产的SPS 3.20MK-Ⅱ型放电等离子烧结机，此设备的最大轴向压力为100KN，最大电压为15V，其电源为直流脉冲电源，脉宽比为12：2，最大电流可达5000A。烧结过程中所加轴向压力为40MPa，烧结试样的收缩量可通过位移装置记录，测温装置为热电偶(1000℃以下使用)和红外测温装置(1000℃以上使用)，采用红外温度计测温，测温点对准模具表面2mm深的测温孔。为防止高温时粉体和模壁的粘结，在粉体和模具壁之间用一层石棉纸隔开。所使用的模具为中40(外径)×φ20(内径)×40(高)的高强石墨模具，设计烧结出来的试样为φ20x 5的圆柱体，如图2所示。
放电等离子合成过程工艺参数如表1所示。将模具置于SPS烧结机的真空室腔中，抽真空后通电烧结，烧结开始后在上下电极加上一定的压力，然后按照预先设定的程序升温加热、保温、然后试样随炉冷却，当温度降到200℃以下时，撤去压力，解除真空。然后将烧结仓打开，将模具取出。
3、触头材料致密度
触头材料致密度是决定触头性能的一个重要指标。试样密度根据阿基米德定律用排水法测得，烧结出来的试样在砂纸上磨去表层石墨，磨光后在电子秤上称出试样在空气中的质量，记为M(空气)。然后在电子秤上放一装有水的烧杯，将质量清零。用一根头发丝悬挂试样全部浸入水中，读出电子秤的读数，记为M水。忽略头发丝所占的体积，根据浮力公式则试块所受的浮力F浮=p水×g×V排。由作用力与反作用力原理可得M水=F浮=p水×g×V排。若取水的密度P水=1g／cm3，则M水在数值上就等于排出水的体积，所以可以得出块体试样的密度计算公式：p=M空气／M水。各个试样的密度如表2所示。显然，在同样的制各温度和时间情况下，提高压力有助于改善触头材料的致密度。
从表2还可以看出，放电等离子制备的触头材料中总是存在着空隙缺陷。根据Munir的研究结果，空隙的来源有如下几个方面：(1)混合物反应剂中原有的孔隙：一般在反应剂中存在30-50％的孔隙。在致密体中热传导相当快，热不能足够聚积而达到燃点的温度，因此在反应体中存在一些孔隙时有利于自蔓延合成。(2)来自摩尔体积的孔隙：由于生产物的热力学稳定性比反应物高，生成物粘结距离短，因而摩尔体积较小，有实验表明反应物的摩尔体积vr和生成物的摩尔体积Vp之比vp，vr都小于1，这样由于生产物体积缩小而在反应体中留下孔隙。这部分孔隙大约20-25％。(3)热迁移形成的孔隙：在等热的条件下，材料传递取决于浓度梯度。然而当存在温度梯度时，即使不存在浓度梯度也会发生物质传递，这种传递就是热传递，这已通过实验观察到。热梯度的物质传递是以空位迁移形式进行的，空位的聚集形成孔隙，有分析已经观察到在热迁移过程中形成的孔洞分布。(4)异构转变：在异构相形成时，微观体积内Kirkendall孔隙造成宏观体积膨胀，这一现象也 会在化合物内形成大量孔隙。
4、结论
(1)基于放电等离子合成技术，可以快速、高效制备CuCr触头材料。
(2)增加外加压力有助于提高放电等离子制备触头材料的致密度。
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