CN101515512A - 一种制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法，该方法按以下步骤进行：按照质量比为1∶0.2％～1.0％称取钨粉和Y2O3粉，配制好后放入混料罐中；在混料罐中按钨粉、Y2O3粉总质量的5％～8％添加诱导铜粉，并且加入少量过程控制剂，加入非等径磨球进行混料；将混好的混合料倒入轴向压制的钢制模具内模压成钨压坯；将熔渗金属铜块与钨压坯叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚内，置于高温H2气氛烧结炉内，先后进行钨压坯骨架的烧结和熔渗即成。使用本发明方法制备的CuW/Y2O3复相触头材料，材料的耐烧蚀性能显著提高。

Description

一种制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法。
背景技术
CuW合金应用于高压开关中的触头材料。随着高压开关向超特高电压、大容量方向发展，对CuW材料的性能提出了更高的要求，需要研制和开发新型的性能更为优异的CuW触头材料。
CuW合金触头在工作过程中，由于高压电弧的作用，触头表面发生加热、熔化、气化、流动、凝固等物理冶金过程，导致触头表面产生软化、喷溅、流动、裂纹等现象，因此，要求CuW触头材料除了具有良好的机械物理性能外，还应具有分散电弧的特性以减轻电弧的烧蚀性。
Y2O3陶瓷相具有比Cu、W较低的逸出功，因此在电击穿过程中可做为首先发射电子的部位，它在CuW组织中的弥散分布能起到分散电弧的作用；另一方面，在高温电弧作用下，由于铜相的熔化和挥发，材料强度则主要取决于钨骨架的高温强度，但钨高温强度随温度上升而显著下降，在1000℃时的强度只有室温强度的20％～40％，因此研制耐烧蚀性优良的CuW复相触头材料具有现实的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法，用该方法制备的含Y2O3的CuW复相触头材料在电击穿过程中，电弧在该材料表面得到有效分散，有效提高了CuW触头材料的耐烧蚀性。
本发明所采用的技术方案是，一种制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法，该方法按以下步骤进行，
a、按照质量比为1∶0.2％～1.0％的比例称取钨粉和Y2O3粉，将所称的钨粉与Y2O3粉放入混料罐中；
b、按钨粉与Y2O3粉总质量的5％～8％称取诱导铜粉，将诱导铜粉添加到混料罐中；
c、在混料罐中加入工业酒精，使粉末有湿润感即可，按钨粉、Y2O3粉和诱导铜粉总质量的2～3倍加入非等径磨球进行混料，混料时间为5～7小时，得到混合料；
d、将步骤c混好的混合料倒入轴向压制的钢制模具内，在340±20MPa的压力下模压成钨压坯；
e、将熔渗金属铜块与步骤d得到的钨压坯叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚内，置于高温H2气氛烧结炉内，先进行钨压坯骨架的烧结，烧结温度为900℃～1000℃，烧结时间为1.5～2小时；再进行钨压坯骨架的熔渗，熔渗温度为1200℃～1400℃，熔渗时间为1.5～2小时即成。
本发明采用熔渗法制备添加Y2O3相的CuW复相触头材料，该方法得到的CuW/Y2O3复相触头材料具有优良的耐烧蚀性；该方法工艺简单，且易于控制。
附图说明
图1为CuW合金和含Y2O3的CuW合金的电导率对比曲线；
图2是现有的CuW触头材料进行50次电击穿后的SEM烧蚀形貌；
图3是用本发明的方法制备得到的含0.4％Y2O3的CuW复相触头材料进行50次电击穿后的烧蚀形貌；
图4是现有的CuW触头材料进行首次电击穿后的SEM组织照片；
图5是用本发明的方法制备得到的含0.4％Y2O3的CuW复相触头材料发生首次电击穿后的SEM组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法，借鉴了溶渗法的一般原理，具体按以下步骤进行，
a、称取钨粉和Y2O3粉，其中钨粉与Y2O3粉的质量比为1∶0.2％～1.0％，配制好后放入混料罐中；其中混粉时将Y2O3粉添加在W粉中，易于硬质陶瓷相Y2O3颗粒在W粉中分布均匀。
b、在混料罐中，按钨粉与Y2O3粉总质量的5％～8％添加诱导铜粉，添加诱导铜粉一方面可以改善脆性粉末的成形性，使生坯中孔隙分布比较均匀；另一方面，在后续的熔渗过程中，多孔骨架中的诱导铜粉先熔化，在骨架内部形成连通孔隙，将待熔渗的金属液“诱”进骨架，这种内外金属液熔合为一体的驱动力将有利于熔渗过程的进行，从而提高材料的致密度。
c、在混料罐中加入少量易挥发的工业酒精溶剂，使粉末有湿润感即可，这样做可以提高粉末的流动性，降低不同元素粉料之间因密度不同而产生重力分离现象；同时为了使混和料进一步均匀化，可按钨粉、Y2O3粉、铜粉三者总质量的2～3倍加入非等径磨球进行混料，磨球直径分别为8mm和4mm，两种磨球的质量比为1∶1.4～1.6，混料时间控制在5～7小时，得到混合料。
d、将步骤c混好的混合料倒入轴向压制的钢制模具内，在315吨的液压机上，以340±20MPa的压力下模压成钨压坯(生坯)。
e、将熔渗金属铜块与钨压坯叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚内，置于高温H2气氛烧结炉内进行烧结及熔渗，先进行钨(压坯)骨架的烧结，烧结温度为900℃～1000℃，烧结时间为1.5～2小时；再进行钨压坯骨架的熔渗，熔渗温度为1200℃～1400℃，熔渗时间为1.5～2小时即成。在骨架烧结时由于Y2O3具有良好的高温稳定性，在烧结温度下既不会分解，也不会与烧结气氛、铜和钨发生化学反应或溶解，Y2O3弥散均匀地分布在钨颗粒间，减少了W颗粒间的接触几率，所以在高温长时间烧结钨骨架的过程中，可以有效地抑制W颗粒聚集长大而形成的孤立孔隙，使钨骨架具有分布均匀且相互贯通的开孔孔隙。在铜的熔化温度以下烧结1.5～2小时，可使W颗粒之间充分地形成烧结颈，使W骨架具有一定的强度，避免在后续熔渗过程中出现骨架坍塌现象。同时，在熔渗W骨架的过程中，由于Y2O3的添加，W骨架孔隙相互贯通，空间结构更为合理，在后续的熔渗过程中骨架对铜液的虹吸作用更强，铜液可顺利地渗入，避免了由于骨架闭孔而产生的孔隙缺陷。
实施例
按照上述的制备方法，选用下述表1中的有关工艺参数，来制备含Y2O3的CuW合金，十二个实施例的配比含量如表1所示，十二个实施例的工艺参数如表2所示。
表1十二个实施例的配比含量及工艺参数表
  实施例   钨粉   Y2O3粉  诱导铜粉(按钨粉、Y2O3粉总质量的)   溶剂   直径为8mm和4mm的磨球质量比为
  实施例1   1   0.2％   5％   工业酒精   1∶1.4
  实施例2   1   0.7％   5.5％   工业酒精   1∶1.5
  实施例3   1   0.4％   6％   工业酒精   1∶1.6
  实施例4   1   0.5％   7.5％   工业酒精   1∶1.5
  实施例5   1   0.6％   7.8％   工业酒精   1∶1.5
  实施例6   1   0.8％   7％   工业酒精   1∶1.5
  实施例7   1   0.4％   6％   工业酒精   1∶1.4
  实施例8   1   1.0％   6.5％   工业酒精   1∶1.5
  实施例9   1   0.3％   8％   工业酒精   1∶1.6
  实施例10   1   0.4％   6％   工业酒精   1∶1.5
  实施例11   1   1.0％   8％   工业酒精   1∶1.6
  实施例12   1   0.2％   5％   工业酒精   1∶1.4
表2十二个实施例的工艺控制参数表
实施例   磨球质量(按钨粉、Y2O3粉、诱导铜粉总质量的倍数)   混料时间小时   模压压力MPa   烧结温度℃   烧结时间小时   熔渗温度℃   熔渗时间小时
 实施例1   2.0   5.4   320   910   1.5   1250   1.8
 实施例2   2.1   6.5   325   930   1.6   1280   1.6
 实施例3   2.2   6.0   330   920   1.7   1350   1.8
 实施例4   2.3   5.5   335   940   1.9   1400   1.7
 实施例5   2.4   5.8   340   960   2.0   1200   1.5
  实施例6   2.5   5.2   350   980   1.8   1300   1.5
  实施例7   2.6   5.4   360   940   1.6   1320   1.6
  实施例8   2.7   6.2   330   990   1.8   1300   1.7
  实施例9   2.8   7.0   325   950   1.7   1360   1.9
  实施例10   2.9   6.8   360   960   1.5   1320   2.0
  实施例11   3.0   7.0   320   1000   2   1400   2.0
  实施例12   2.0   5.0   340   900   1.5   1200   1.5
将上述十二个实施例制备得到的CuW/Y2O3合金材料在TDR-40A单晶炉内进行真空电击穿实验，将所制备的CuW/Y2O3复相触头材料抛光成镜面后作为阴极，用直径为
Figure A20091002174600081
3的针尖状纯W棒作为阳极，两极间施加电压8kV的直流电压，同时使阴极试样以0.2mm/min的速度缓慢地接近阳极，直至两极间发生电击穿；每次击穿之后，拉大阴极与阳极之间的距离。重复上述过程，每个试样测试50次，观察进行50次真空击穿后的电弧烧蚀形貌，试验证明，所有实施例的试样全部实现了电弧的有效分散。
下面仅通过实施例3所制备的含0.4％Y2O3的CuW合金与现有CuW合金的有关性能及烧蚀后形貌照片进行对比，说明本发明方法制备出的含Y2O3的CuW合金抗电弧烧蚀方面的优势：
图1为CuW合金和含Y2O3的CuW合金的电导率，硬度随TiC含量的变化曲线，可以看出，当Y2O3添加量为0.4％时，Y2O3/CuW材料的硬度和电导率分别达到最佳值HB230，46.9％(IACS％)，与现有的CuW合金相比，在其电导率没有任何损失的情况下，硬度值提高了8％，满足了作为电触头材料在静态使用条件下对电导率，硬度的要求。
图2和图3分别为CuW合金和添加0.4％Y2O3的CuW复相触头材料在电压为8kV的条件下，在电击穿50次后的电弧烧蚀形貌。可以看出，图1中正对阳极钨针处的中央区域烧蚀较为严重，此处的原始显微组织已变得粗糙和模糊。与图2相比，图3中添加Y2O3的CuW复相触头材料正对阳极钨针处烧蚀情况较轻微，烧蚀表面总体上比较平坦，且烧蚀面积较小。同时还可以看出，图3中添加0.4％Y2O3的CuW复相触头材料的击穿区域有向周围扩展的趋势，表明该材料表面的电弧有一定程度的分散特性。
图4和图5分别为CuW触头材料和添加0.4％Y2O3的CuW复相触头材料发生首次电击穿后的SEM照片。从图4中可以看出，CuW触头材料表面首次电击穿主要发生在富铜区域，产生了大片铜液的激烈喷溅，击穿坑较大，熔化飞溅出的铜液沉积在材料表面凝固后，形成图中亮白色的凸起颗粒(10μm左右)。在图5中，CuW复相触头材料首次电击穿后的阴极斑点表现出分散特性，而不是集中发生在富铜区。可见，由于逸出功较低的Y2O3颗粒的弥散分布，电弧得到有效分散，从而提高了材料的耐电弧烧蚀性能。

Claims (2)

1、一种制备CuW/Y2O3复相触头材料的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行，
a、按照质量比为1∶0.2％～1.0％的比例称取钨粉和Y2O3粉，将所称的钨粉与Y2O3粉放入混料罐中；
b、按钨粉与Y2O3粉总质量的5％～8％称取诱导铜粉，将诱导铜粉添加到混料罐中；
c、在混料罐中加入工业酒精，使粉末有湿润感即可，按钨粉、Y2O3粉和诱导铜粉总质量的2～3倍加入非等径磨球进行混料，混料时间为5～7小时，得到混合料；
d、将步骤c混好的混合料倒入轴向压制的钢制模具内，在340±20MPa的压力下模压成钨压坯；
e、将熔渗金属铜块与步骤d得到的钨压坯叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚内，置于高温H2气氛烧结炉内，先进行钨压坯骨架的烧结，烧结温度为900℃～1000℃，烧结时间为1.5～2小时；再进行钨压坯骨架的熔渗，熔渗温度为1200℃～1400℃，熔渗时间为1.5～2小时即成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c中非等径磨球直径分别为8mm和4mm，两种磨球的质量比为1∶1.4～1.6。
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