摘要: 自蔓延冶金法制备CuCr合金时，合金中的Al2O3和Cr2O3夹杂物会在熔渣精炼过程中被冶炼渣溶解，改变熔渣成分，从而影响冶炼渣的熔点、黏度、密度和表面张力等性能，给精炼过程带来不利影响。使用熔体物性测定仪针对Al2O3和Cr2O3含量变化对冶炼渣的性能影响规律进行了研究，结果表明：Al2O3和Cr2O3含量的增加均可以提高熔渣的黏度、凝固温度和表面张力，Cr2O3对黏度和表面张力的影响较大，Al2O3对凝固温度的影响较大；Al2O3使熔体密度上升，Cr2O3使熔体密度先上升后下降。

引言

CuCr合金具有较高的强度、硬度、导热导电能力和耐腐蚀性能，因此在电极材料、接触线、集成电路引线框架、连铸机结晶器内衬等方面有着广泛应用。其中，Cr含量10%~50%的CuCr合金具有优良的耐电压能力、抗熔焊性能和截流水平，是理想的中高压大功率真空开关触头材料，在国内外获得了广泛的应用。Cu和Cr室温下的固溶度很小，合金显微组织为细小的富铬相晶粒弥散分布于富铜相基体中，较小的富Cr相晶粒有利于提升合金的耐电压和截流性能。目前工业上应用较为广泛的生产方法是以纯铜粉和纯铬粉为原料通过烧结或者熔渗制备CuCr合金，但富铬相尺寸受到原料铬粉粒度限制。真空自耗法可以获得Cr颗粒细小且分布均匀的合金，但生产流程长，设备复杂，成本高。由于Cu和Cr的熔点与密度均有较大差别，且CuCr合金是一种难混溶合金，二元系中存在两液相共存区，铸造过程中Cr粒子析出后会在重力作用下迅速上浮，导致两相分离，因此常规熔铸工艺制备CuCr合金较为困难，目前基本只用于CuCr25合金的生产。

自蔓延冶金法具有流程短，设备投资小，生产成本低等特点。张廷安等提出以氧化物为原料，利用自蔓延冶金法制备CuCr合金，该方法包括3个关键步骤，首先通过铝热反应获得高温熔体，然后将熔体转移到坩埚中进行熔渣精炼，最后对其进行快速冷却以获得合金铸锭。利用该工艺已经成功制备出Cr含量15%~40%的CuCr合金，其富铬相尺寸在20 μm左右，接近真空自耗法产品。在铝热还原过程中将有大量的Al2O3产生，Al2O3将和造渣剂、未反应的氧化物（主要是Cr2O3）一起形成熔渣，渣中Al2O3含量较高，凝固温度高、流动性较差。增加造渣剂添加量可以改善熔渣的性能，但同时会降低体系的反应温度，反而对渣金分离过程带来不利影响。由于该工艺中铝热反应产生的熔渣直接用作第2步中的精炼渣，成分受到一定的限制，故需要综合考虑两方面的影响，选取适当的成分，使冶炼渣具有适当的性能且不会过多地降低反应温度。

Cr2O3相对不易还原，通常会有少量进入冶炼渣，同时，Al2O3和Cr2O3均有较高的熔点，在铝热反应获得的高温熔体转移到坩埚内时，会有部分Al2O3和Cr2O3颗粒夹杂在金属熔体内，在熔渣精炼过程中上浮并被熔渣吸收，改变熔渣的成分，对熔渣性能有不利影响。而熔渣熔点、黏度、密度和表面张力等热物理性能的变化，会影响到渣金分离过程和熔渣精炼效果。因此，文中考察了Al2O3和Cr2O3对铜铬合金冶炼渣性能的影响，为CuCr合金自蔓延冶金法制备提供了理论依据。

1 实验方法与步骤

1.1 实验原料

实验中所使用的熔渣均以分析纯化学试剂配制，为脱除试剂中的水分和挥发性杂质，所有试剂均在马弗炉中进行高温焙烧预处理，其中CaF2经500℃、6h处理，其它试剂经1000℃、4h处理，处理后的试剂装瓶放入干燥器内储存。根据前期研究成果，选择w（CaF2）=20%、w（CaO）:w（Al2O3）=1:2的熔渣（CAF5）为基础渣系，分别向其中添加质量分数为2.5%~10%的Al2O3和Cr2O3，以考察Al2O3和Cr2O3对冶炼渣性能的影响，渣组成配比如表1所列。实验前，按照预定成分称取试剂，然后在混料罐中混合均匀。

表1 渣系组成配比/（质量分数，%）

1.2 实验方法

采用RTW-10型熔体物性测定仪（如图1所示）进行熔渣性能测试实验，熔渣的黏度使用内旋转柱体法测定，密度采用阿基米德法测定，表面张力采用拉筒法测定，凝固温度利用Seetharaman的方法由熔渣的黏度温度曲线来估算。实验中所使用的坩埚为石墨质，探头均为钼质。取140g混合好的渣料放入尺寸为ø40mm×70mm的高纯石墨坩埚中在二硅化钼电炉中随炉升温至1650℃，保温30min以保证熔渣熔化充分且均匀混合，用直径为8mm的铁棒蘸出多余的熔渣，将熔池深度调整为40mm，测量熔渣的密度、表面张力和黏度，随后以-3℃/min的速度降温并测定熔渣的黏度-温度曲线并计算其凝固温度。

图1 RTW-10型熔体物性综合测定仪示意

1.电子天平；2.炉架；3.黏度测试仪；4.二硅化钼加热炉；5.控温热电偶；6.熔渣；7.石墨坩埚；8.高纯刚玉炉管；9.保护气进口；10.测温热电偶；11.保护气出口；12.炉体升降电机。