摘要: 自蔓延冶金法制備CuCr合金時，合金中的Al2O3和Cr2O3夾雜物會在熔渣精煉過程中被冶煉渣溶解，改變?nèi)墼煞郑瑥亩绊懸睙捲娜埸c、黏度、密度和表面張力等性能，給精煉過程帶來不利影響。使用熔體物性測定儀針對Al2O3和Cr2O3含量變化對冶煉渣的性能影響規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明：Al2O3和Cr2O3含量的增加均可以提高熔渣的黏度、凝固溫度和表面張力，Cr2O3對黏度和表面張力的影響較大，Al2O3對凝固溫度的影響較大；Al2O3使熔體密度上升，Cr2O3使熔體密度先上升后下降。

引言

CuCr合金具有較高的強度、硬度、導熱導電能力和耐腐蝕性能，因此在電極材料、接觸線、集成電路引線框架、連鑄機結(jié)晶器內(nèi)襯等方面有著廣泛應(yīng)用。其中，Cr含量10%~50%的CuCr合金具有優(yōu)良的耐電壓能力、抗熔焊性能和截流水平，是理想的中高壓大功率真空開關(guān)觸頭材料，在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用。Cu和Cr室溫下的固溶度很小，合金顯微組織為細小的富鉻相晶粒彌散分布于富銅相基體中，較小的富Cr相晶粒有利于提升合金的耐電壓和截流性能。目前工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的生產(chǎn)方法是以純銅粉和純鉻粉為原料通過燒結(jié)或者熔滲制備CuCr合金，但富鉻相尺寸受到原料鉻粉粒度限制。真空自耗法可以獲得Cr顆粒細小且分布均勻的合金，但生產(chǎn)流程長，設(shè)備復雜，成本高。由于Cu和Cr的熔點與密度均有較大差別，且CuCr合金是一種難混溶合金，二元系中存在兩液相共存區(qū)，鑄造過程中Cr粒子析出后會在重力作用下迅速上浮，導致兩相分離，因此常規(guī)熔鑄工藝制備CuCr合金較為困難，目前基本只用于CuCr25合金的生產(chǎn)。

自蔓延冶金法具有流程短，設(shè)備投資小，生產(chǎn)成本低等特點。張廷安等提出以氧化物為原料，利用自蔓延冶金法制備CuCr合金，該方法包括3個關(guān)鍵步驟，首先通過鋁熱反應(yīng)獲得高溫熔體，然后將熔體轉(zhuǎn)移到坩堝中進行熔渣精煉，最后對其進行快速冷卻以獲得合金鑄錠。利用該工藝已經(jīng)成功制備出Cr含量15%~40%的CuCr合金，其富鉻相尺寸在20 μm左右，接近真空自耗法產(chǎn)品。在鋁熱還原過程中將有大量的Al2O3產(chǎn)生，Al2O3將和造渣劑、未反應(yīng)的氧化物（主要是Cr2O3）一起形成熔渣，渣中Al2O3含量較高，凝固溫度高、流動性較差。增加造渣劑添加量可以改善熔渣的性能，但同時會降低體系的反應(yīng)溫度，反而對渣金分離過程帶來不利影響。由于該工藝中鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的熔渣直接用作第2步中的精煉渣，成分受到一定的限制，故需要綜合考慮兩方面的影響，選取適當?shù)某煞郑挂睙捲哂羞m當?shù)男阅芮也粫^多地降低反應(yīng)溫度。

Cr2O3相對不易還原，通常會有少量進入冶煉渣，同時，Al2O3和Cr2O3均有較高的熔點，在鋁熱反應(yīng)獲得的高溫熔體轉(zhuǎn)移到坩堝內(nèi)時，會有部分Al2O3和Cr2O3顆粒夾雜在金屬熔體內(nèi)，在熔渣精煉過程中上浮并被熔渣吸收，改變?nèi)墼某煞郑瑢θ墼阅苡胁焕绊憽６墼埸c、黏度、密度和表面張力等熱物理性能的變化，會影響到渣金分離過程和熔渣精煉效果。因此，文中考察了Al2O3和Cr2O3對銅鉻合金冶煉渣性能的影響，為CuCr合金自蔓延冶金法制備提供了理論依據(jù)。

1 實驗方法與步驟

1.1 實驗原料

實驗中所使用的熔渣均以分析純化學試劑配制，為脫除試劑中的水分和揮發(fā)性雜質(zhì)，所有試劑均在馬弗爐中進行高溫焙燒預處理，其中CaF2經(jīng)500℃、6h處理，其它試劑經(jīng)1000℃、4h處理，處理后的試劑裝瓶放入干燥器內(nèi)儲存。根據(jù)前期研究成果，選擇w（CaF2）=20%、w（CaO）:w（Al2O3）=1:2的熔渣（CAF5）為基礎(chǔ)渣系，分別向其中添加質(zhì)量分數(shù)為2.5%~10%的Al2O3和Cr2O3，以考察Al2O3和Cr2O3對冶煉渣性能的影響，渣組成配比如表1所列。實驗前，按照預定成分稱取試劑，然后在混料罐中混合均勻。

表1 渣系組成配比/（質(zhì)量分數(shù)，%）

1.2 實驗方法

采用RTW-10型熔體物性測定儀（如圖1所示）進行熔渣性能測試實驗，熔渣的黏度使用內(nèi)旋轉(zhuǎn)柱體法測定，密度采用阿基米德法測定，表面張力采用拉筒法測定，凝固溫度利用Seetharaman的方法由熔渣的黏度溫度曲線來估算。實驗中所使用的坩堝為石墨質(zhì)，探頭均為鉬質(zhì)。取140g混合好的渣料放入尺寸為?40mm×70mm的高純石墨坩堝中在二硅化鉬電爐中隨爐升溫至1650℃，保溫30min以保證熔渣熔化充分且均勻混合，用直徑為8mm的鐵棒蘸出多余的熔渣，將熔池深度調(diào)整為40mm，測量熔渣的密度、表面張力和黏度，隨后以-3℃/min的速度降溫并測定熔渣的黏度-溫度曲線并計算其凝固溫度。

圖1 RTW-10型熔體物性綜合測定儀示意

1.電子天平；2.爐架；3.黏度測試儀；4.二硅化鉬加熱爐；5.控溫熱電偶；6.熔渣；7.石墨坩堝；8.高純剛玉爐管；9.保護氣進口；10.測溫熱電偶；11.保護氣出口；12.爐體升降電機。