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Cu-Cr合金因良好的结合了Cu的良好导电性和Cr的高硬度,在工业上具有广泛的应用,尤其是高Cr含量的Cu-Cr合金是中压真空断路器中使用最多的触头材料。然而在文献中存在两种不同类型的Cu-Cr合金相图,即简单的共晶型相图和偏晶型相图,且不同研究者所测定的Cu-Cr合金相图液相线温度有很大的差别。此外,不同学者对Cu-Cr合金相图中存在亚稳态溶解度间隙有不同的看法。为了澄清Cu-Cr合金相图的类型和验证Cu-Cr合金中的亚稳态溶解度间隙,开展了以下研究:
为了实现对高Cr含量Cu-Cr合金的相图类型和液相线温度的准确测定,将电磁悬浮无坩埚凝固技术和无接触的红外温度测量技术相结合,并采用高纯惰性保护气氛和高纯实验原料创建高纯实验环境,从而消除坩埚材料、测温元件和保护气氛对样品的污染。研究结果表明Cu-Cr合金相图是偏晶型相图,而不是共晶型相图。
通过采用亚正规溶液模型对高Cr含量Cu-Cr合金的液相线温度进行了优化计算,其液相交互作用系数Ω1=(86088-10674XCr)-T(34.39-17.05XCr),偏晶反应温度为2023±20K,偏晶反应成分范围为53~84at.%Cr,液相分离的顶点成分为0.6964,温度为2118.5K。
通过悬淬法成功地实现了更大成分范围Cu-Cr合金的快速凝固。当合金中Cr含量高于15at.%时,悬淬Cu-Cr合金中开始出现亚稳态的液相分离。随着合金中Cr含量的增加,富Cr球的直径不断增大。当合金中Cr含量高于65at.%时,出现了球状富Cr相与板条状的富Cr相。与此同时,在高Cr含量的Cu-Cr合金中出现了许多二次液相分离出来的富Cu相。
由于高温下Cu-Cr合金与坩埚材料发生反应,感应加热熔炼和旋铸Cu-Cr合金都受到污染,澄清了Li和Muller对高温下Cu-Cr合金与Al2O3坩埚材料发生反应与否的争议。当合金中Cr含量大于40at.%Cr时,感应加热熔炼Cu-Cr合金出现了液相分离,可能是由于合金与Al2O3坩埚材料发生反应的生成物促进了合金的液相分离。旋铸Cu71Cr29合金和Cu45Cr55合金出现了明显的液相分离,随着线速度的增加,液相分离的富Cr球直径显著减小。旋铸Cu-Cr合金的显微硬度大大提高,主要是晶粒细化和固溶度增加的结果。
当合金中Cr含量大于40at.%时,电弧熔炼的Cu-Cr合金发生了亚稳态的液相分离。与电弧熔炼Cu-Cr合金的显微组织不均匀所不同的是,电磁悬浮熔炼的Cu-Cr合金由于强烈的电磁搅拌作用,显微组织更加均匀。