摘要: 自蔓延冶金法製備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，改變熔渣成分，從而影響冶煉渣的熔點、黏度、密度和表麵張力等性能，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律進行了研究，結果表明：Al2O3和Cr2O3含量的增加均可以提高熔渣的黏度、凝固溫度和表麵張力，Cr2O3對黏度和表麵張力的影響較大，Al2O3對凝固溫度的影響較大；Al2O3使熔體密度上升，Cr2O3使熔體密度先上升後下降。

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、連鑄機結晶器內襯等方麵有著廣泛應用。其中，Cr含量10%~50%的CuCr合金具有優良的耐電壓能力、抗熔焊性能和截流水平，是理想的中高壓大功率真空開關觸頭材料，在國內外獲得了廣泛的應用。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於富銅相基體中，較小的富Cr相晶粒有利於提升合金的耐電壓和截流性能。目前工業上應用較為廣泛的生產方法是以純銅粉和純鉻粉為原料通過燒結或者熔滲製備CuCr合金，但富鉻相尺寸受到原料鉻粉粒度限製。真空自耗法可以獲得Cr顆粒細小且分布均勻的合金，但生產流程長，設備複雜，成本高。由於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，二元係中存在兩液相共存區，鑄造過程中Cr粒子析出後會在重力作用下迅速上浮，導致兩相分離，因此常規熔鑄工藝製備CuCr合金較為困難，目前基本隻用於CuCr25合金的生產。

自蔓延冶金法具有流程短，設備投資小，生產成本低等特點。張廷安等提出以氧化物為原料，利用自蔓延冶金法製備CuCr合金，該方法包括3個關鍵步驟，首先通過鋁熱反應獲得高溫熔體，然後將熔體轉移到坩堝中進行熔渣精煉，最後對其進行快速冷卻以獲得合金鑄錠。利用該工藝已經成功製備出Cr含量15%~40%的CuCr合金，其富鉻相尺寸在20 μm左右，接近真空自耗法產品。在鋁熱還原過程中將有大量的Al2O3產生，Al2O3將和造渣劑、未反應的氧化物（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，但同時會降低體係的反應溫度，反而對渣金分離過程帶來不利影響。由於該工藝中鋁熱反應產生的熔渣直接用作第2步中的精煉渣，成分受到一定的限製，故需要綜合考慮兩方麵的影響，選取適當的成分，使冶煉渣具有適當的性能且不會過多地降低反應溫度。

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，在鋁熱反應獲得的高溫熔體轉移到坩堝內時，會有部分Al2O3和Cr2O3顆粒夾雜在金屬熔體內，在熔渣精煉過程中上浮並被熔渣吸收，改變熔渣的成分，對熔渣性能有不利影響。而熔渣熔點、黏度、密度和表麵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合金自蔓延冶金法製備提供了理論依據。

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製，為脫除試劑中的水分和揮發性雜質，所有試劑均在馬弗爐中進行高溫焙燒預處理，其中CaF2經500℃、6h處理，其它試劑經1000℃、4h處理，處理後的試劑裝瓶放入幹燥器內儲存。根據前期研究成果，選擇w（CaF2）=20%、w（CaO）:w（Al2O3）=1:2的熔渣（CAF5）為基礎渣係，分別向其中添加質量分數為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，然後在混料罐中混合均勻。

表1 渣係組成配比/（質量分數，%）

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，熔渣的黏度使用內旋轉柱體法測定，密度采用阿基米德法測定，表麵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，探頭均為鉬質。取140g混合好的渣料放入尺寸為ø40mm×70mm的高純石墨坩堝中在二矽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的鐵棒蘸出多餘的熔渣，將熔池深度調整為40mm，測量熔渣的密度、表麵張力和黏度，隨後以-3℃/min的速度降溫並測定熔渣的黏度-溫度曲線並計算其凝固溫度。

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；4.二矽化鉬加熱爐；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。