CN101928866A - La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料，由La、W、Ni及铜组成，总质量为100%，其中铜的质量百分比为25%-35%，La、W、Ni三者之和为65%-75%，且La∶Ni∶W的质量百分比为0.15-0.6%∶0.8%∶1。本发明还公开了该种钨铜复合材料的制备方法，步骤是：熔炼得到铜镧中间合金；将铜镧中间合金制成薄带，剪碎过筛，球磨后制成铜镧中间合金粉末；按照La：镍粉：钨粉质量比为0.15%-0.6%∶0.8%∶1的比例，分别称取三种粉末并置于混料罐中，另称取三种粉末总质量的2-3倍的非等径磨球进行混料；将混合粉末模压成钨坯烧结，得到钨骨架；采用常规熔渗铜工艺将铜熔渗进钨骨架中，即可得到钨铜复合材料。本发明方法制备的钨铜复合材料，硬度，压缩强度明显提高。

Description

La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，涉及一种La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料，本发明还涉及该种钨铜复合材料的制备方法。

背景技术

钨铜复合材料是由高熔点高强度的钨骨架，通过熔渗金属铜所得到的互不相溶型特殊的复合材料，它综合了钨与铜二者的优点，具备良好的抗高温、耐烧蚀及高强度等性能，主要应用于高压断路器的触头材料。

钨铜复合材料最经典的合成方法是通过将钨粉末烧结成类似海绵体的多孔骨架，然后将铜液渗入其中而形成的。在电弧作用下两种金属各自发挥着不同的作用，即铜相分散电弧的运动；钨骨架则承受电弧产生的冲击和高温下反复开断产生的摩擦力，同时产生毛细作用防止铜喷溅出去，这就要求钨骨架在高温下要具有足够的强度。

Ni元素对W的活化烧结已经众所周知，但是单一Ni元素的活化效果有限，而稀土元素La在合金中具有净化、细化晶粒、合金化以及变质的作用，但La由于氧化性强难于加入钨铜复合材料之中，因此，如何发挥稀土元素的作用，成为制作该类复合材料的一个技术研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料，解决了La由于氧化性强难于加入钨铜复合材料之中的难题，提高了钨骨架的强度，明显提高了复合材料的整体合金强度。

本发明的另一目的是提供该种钨铜复合材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料，由La、W、Ni及铜组成，总质量为100%，其中铜的质量百分比为25%-35%，La、W、Ni三者之和为65%-75%，且La：Ni：W的质量百分比为0.15-0.6%：0.8%：1。

本发明所采用的另一技术方案是，一种制备上述复合材料的方法，该方法包括以下步骤：

a.按照质量比为6：100的比例称取La和铜，对La和铜进行真空熔炼，熔炼工艺参数为：900-920℃保温15-20分钟，1100-1150℃保温30-35分钟，得到铜镧中间合金；

b.采用甩带的方法将铜镧中间合金制成厚度为33-45μm的薄带，机械剪碎后过149μm筛，而后放入球磨罐中，加入工业酒精，球磨48-72小时，过44μm筛，制成铜镧中间合金粉末；

c.按照La：镍粉：钨粉质量比为0.15%-0.6%：0.8%：1的比例，分别称取步骤b 得到的铜镧中间合金粉末、镍粉及钨粉，将本步骤称取的三种粉末置于混料罐中，加入工业酒精混料，另称取铜镧中间合金粉末、镍粉及钨粉三种粉末总质量2-3倍的非等径磨球进行混料，混料4-6小时，得到混合粉末；

d.将步骤c所制备的混合粉末置于轴向压制的钢制模具内，模压成钨坯，然后在氢气保护下在950-1200℃烧结，得到钨骨架；

e.采用常规熔渗铜工艺，将熔渗金属铜块与钨骨架叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚中，置于高温氢气氛烧结炉内烧结和熔渗，即得到钨铜复合材料。

本发明的方法，采用La和Ni同时强化烧结钨骨架，以提高钨铜复合材料的强度，从而制备出综合性能优良的钨铜系触头材料，钨骨架连通，且与铜相结合良好，合金硬度，压缩最大应力值增加。

附图说明

图1为钨骨架断口形貌图，其中图1a为950℃未添加稀土元素的断口形貌图，图1b为本发明实施例3添加0.45% La，并在950℃烧结的断口形貌图，图1c为本发明实施例2添加0.3% La，并在1200℃烧结的断口形貌图；

图2为本发明方法与对比方法制备的钨铜材料的组织形貌，其中图2a为未添加稀土元素的钨铜材料组织形貌图，图2b为本发明实施例3添加0.45%La的钨铜复合材料组织形貌图；

图3为本发明方法各实施例制备的钨铜复合材料的电导率与硬度曲线图；

图4为本发明方法各实施例制备的钨铜复合材料的压缩应力与应变曲线图。

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。

本发明的钨铜复合材料的制备方法，按照以下步骤具体实施：

a.按照质量比为6：100的比例称取La和铜，对La和铜进行真空熔炼，熔炼工艺参数为：900-920℃保温15-20分钟，1100-1150℃保温30-35分钟，得到铜镧中间合金；

b.采用甩带的方法将铜镧中间合金制成厚度为33-45μm的薄带，机械剪碎后过149μm筛，而后放入球磨罐中，加入少量工业酒精，既防止氧化，又可作为过程分散剂，球磨48-72小时，过44μm筛，制成铜镧中间合金粉末。采用甩带的优点是：扩大了固溶度，细化组织，形成亚稳相、非晶态，有利于在后续的烧结过程中铜镧中间合金充分发挥强化烧结钨骨架的作用。

c.按照La：镍粉：钨粉质量比为0.15%-0.6%：0.8%：1的比例，分别称取步骤b 得到的铜镧中间合金粉末、镍粉及钨粉，将本步骤称取的三种粉末置于混料罐中，加入少量工业酒精混料，另称取三种粉末（铜镧中间合金粉末、镍粉和钨粉）总质量的2-3倍的非等径磨球进行混料，混料时间为4-6小时，得到混合粉末。

d.将步骤c所制备的混合粉末置于轴向压制的钢制模具内，模压成钨坯，然后在氢气保护下在950-1200℃烧结，得到钨骨架。

e.采用常规熔渗铜工艺，将熔渗金属铜块与钨骨架叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚中，置于高温氢气氛烧结炉内，在1000-1040℃下保温1-1.5小时，在 1200-1250℃下熔渗3-4小时，即可得到钨铜复合材料。

上述La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料，其最终的组分及含量为：由La、W、Ni及铜组成，总质量为100%，其中铜的质量百分比为25%-35%，La、W、Ni三者之和为65%-75%，且La：Ni：W的质量百分比为0.15-0.6%：0.8%：1。

本发明的钨铜复合材料，考虑到稀土元素La在合金中具有净化、细化晶粒、合金化以及变质的作用，生成微量的稀土氧化物起到弥散强化的作用，提出采用铜镧中间合金粉末作为诱导铜粉，同时添加活化元素Ni，采用La和Ni同时强化烧结钨骨架，以期提高钨骨架的强度，从而制备出综合性能优良的钨铜复合材料，作为优良的钨铜系触头材料。

实施例1（La0.15%）

根据上述制备方法，按照以下具体步骤实施：

a.按照质量比为6：100的比例称取La和铜，对La和铜进行真空熔炼，熔炼工艺参数为：900℃保温20分钟，1100℃保温35分钟，得到铜镧中间合金；

b.采用甩带的方法将铜镧中间合金制成厚度为33μm的薄带，机械剪碎过149μm筛，而后放入球磨罐中，加入少量工业酒精，球磨48小时，过44μm筛，制成铜镧中间合金粉末。

c.按照La：镍粉：钨粉质量比为0.15%：0.8%：1的比例，分别称取步骤b 得到的铜镧中间合金粉末3.719g、镍粉1.190g及钨粉148.777g；将本步骤称取的三种粉末置于混料罐中，加入少量工业酒精混料，另称取三种粉末总质量的3倍的非等径磨球进行混料，混料时间为4小时，得到混合粉末。

d.将步骤c所制备的混合粉末置于轴向压制的钢制模具内，模压成钨坯，然后在氢气保护下在950℃烧结，得到钨骨架。

e.采用常规熔渗铜工艺，将熔渗金属铜块与钨骨架叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚中，置于高温氢气氛烧结炉内，在1000℃下保温1.5小时，在 1200℃下熔渗4小时，即得到钨铜复合材料。

实施例2（La0.30%）

按照实施例1的方法，按照下述的参数实施：

a.按照质量比为6：100的比例称取La和铜，对La和铜进行真空熔炼，熔炼工艺参数为：920℃保温15分钟，1150℃保温30分钟，得到铜镧中间合金；

b.采用甩带的方法将铜镧中间合金制成厚度为45μm的薄带，机械剪碎过149μm筛，而后放入球磨罐中，加入少量工业酒精，球磨60小时，过44μm筛，制成铜镧中间合金粉末。

c.按照La：镍粉：钨粉质量比为0.3%：0.8%：1的比例，分别称取步骤b 得到的铜镧中间合金粉末7.408g、镍粉1.185g及钨粉W粉148.151g，将本步骤称取的三种粉末置于混料罐中，加入少量工业酒精混料，另称取三种粉末总质量的2倍的非等径磨球进行混料，混料6小时，得到混合粉末。

d.将步骤c所制备的混合粉末置于轴向压制的钢制模具内，模压成钨坯，然后在氢气保护下在1200℃烧结，得到钨骨架。

e.采用常规熔渗铜工艺，将熔渗金属铜块与钨骨架叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚中，置于高温氢气氛烧结炉内，在1040℃下保温1小时，在1250℃下熔渗3小时，即可得到钨铜复合材料。

实施例3（La0.45%）

按照实施例1的方法，按照下述的参数实施：

a.按照质量比为6：100的比例称取La和铜，对La和铜进行真空熔炼，熔炼工艺参数为：910℃保温18分钟，1130℃保温32分钟，得到铜镧中间合金；

b.采用甩带的方法将铜镧中间合金制成厚度为40μm的薄带，机械剪碎过149μm筛，而后放入球磨罐中，加入少量工业酒精，球磨64小时，过44μm筛，制成铜镧中间合金粉末。

c.按照La：镍粉：钨粉质量比为0.45%：0.8%：1的比例，分别称取步骤b 得到的铜镧中间合金粉末11.065g、镍粉1.180g及钨粉147.530g，将本步骤称取的三种粉末置于混料罐中，加入少量工业酒精混料，另称取三种粉末总质量的2.5倍的非等径磨球进行混料，混料5小时，得到混合粉末。

d.将步骤c所制备的混合粉末置于轴向压制的钢制模具内，模压成钨坯，然后在氢气保护下在950℃烧结，得到钨骨架。

e.采用常规熔渗铜工艺，将熔渗金属铜块与钨骨架叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚中，置于高温氢气氛烧结炉内，在1020℃下保温1.2小时，在 1240℃下熔渗3.5小时，即得到钨铜复合材料。

实施例4（La0.60%）                                                                   

按照实施例1的方法，按照下述的参数实施：

a.按照质量比为6：100的比例称取La和铜，对La和铜进行真空熔炼，工艺参数为：920℃保温15分钟，1120℃保温35分钟，得到铜镧中间合金；

b.采用甩带的方法将铜镧中间合金制成厚度为35μm的薄带，机械剪碎过149μm筛，而后放入球磨罐中，加入少量工业酒精，球磨54小时，过44μm筛，制成铜镧中间合金粉末。

c.按照La：镍粉：钨粉质量比为0.6%：0.8%：1的比例，分别称取步骤b 得到的铜镧中间合金粉末14.691g、镍粉1.175g及钨粉146.913g，将本步骤称取的三种粉末置于混料罐中，加入少量工业酒精混料，另称取三种粉末总质量的2.5倍的非等径磨球进行混料，混料4.5小时，得到混合粉末。

d.将步骤c所制备的混合粉末置于轴向压制的钢制模具内，模压成钨坯，然后在氢气保护下在1100℃烧结，得到钨骨架。

e.采用常规熔渗铜工艺，将熔渗金属铜块与钨骨架叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚中，置于高温氢气氛烧结炉内，在1000℃下保温1.5小时，在 1230℃下熔渗3.5小时，即可得到钨铜复合材料。

本发明方法所制备的触头材料，在烧结钨骨架时骨架性能得到提高，表1中列出950℃烧结1小时骨架的各项性能较与传统钨骨架性能的比较。

表1 本发明制备的钨骨架和传统钨骨架性能对比

不同骨架	0%	La0.15%	La0.3%	La0.45%	La0.6%
						孔隙率(%)	35.24	34.99	29.59	30.76	32.59
线收缩率（%）	0.3	0.61	0.76	0.61	0.3
						相对密度（%）	65.62	65.80	67.1	66.35	66.03
压缩最大应力值(N/mm2)	210.40	249.02	264	232.89	226

图1为钨骨架断口形貌图，其中图1a为950℃未添加稀土元素的断口形貌图，图1b为本发明实施例3添加0.45% La，并在950℃烧结的断口形貌图，图1c为本发明实施例2添加0.3% La，并在1200℃烧结的断口形貌图。从图1b和图1c中可以看出，添加La后钨颗粒圆化明显，烧结温度升高骨架变得致密。

图2为本发明方法与对比方法制备的钨铜材料的组织形貌，其中图2a为未添加稀土元素的钨铜材料组织形貌图，图2b为本发明实施例3添加0.45%La的钨铜复合材料组织形貌图。从图2b中可以看出，添加La后的钨相变得更加连通，两相分布均匀。

图3为本发明方法各实施例制备的钨铜复合材料的硬度和电导率随La添加量的变化曲线图，随着La元素添加量的增加，硬度先增加后减少，而电导率变化幅度不大。

图4为本发明方法各实施例制备的添加La的钨铜复合材料的压缩应力与应变曲线图，不同符号标出的点为最大应力值点添加La后，最大压应力值明显高于未添加稀土元素的钨铜材料，且随着La含量的增加最大压应力值先增加后减少，在0.3%La含量时，最大压应力达到最大值，为823N/mm²。

综上所述，本发明方法制备的材料与传统触头材料相比，综合性能得到提高，在合金中钨相变得致密，硬度提高，压缩性能提高。 

Claims (3)

1.一种La和Ni强化烧结钨骨架制备的钨铜复合材料，其特征在于，

由La、W、Ni及铜组成，总质量为100%，其中铜的质量百分比为25%-35%，La、W、Ni三者之和为65%-75%，且La：Ni：W的质量百分比为0.15-0.6%：0.8%：1。

2.一种制备权利要求1所述复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.按照质量比为6：100的比例称取La和铜，对La和铜进行真空熔炼，熔炼工艺参数为：900-920℃保温15-20分钟，1100-1150℃保温30-35分钟，得到铜镧中间合金；

b.采用甩带的方法将铜镧中间合金制成厚度为33-45μm的薄带，机械剪碎后过149μm筛，而后放入球磨罐中，加入工业酒精，球磨48-72小时，过44μm筛，制成铜镧中间合金粉末；

c.按照La：镍粉：钨粉质量比为0.15%-0.6%：0.8%：1的比例，分别称取步骤b 得到的铜镧中间合金粉末、镍粉及钨粉，将本步骤称取的三种粉末置于混料罐中，加入工业酒精混料，另称取铜镧中间合金粉末、镍粉及钨粉三种粉末总质量2-3倍的非等径磨球进行混料，混料4-6小时，得到混合粉末；

d.将步骤c所制备的混合粉末置于轴向压制的钢制模具内，模压成钨坯，然后在氢气保护下在950-1200℃烧结，得到钨骨架；

e.采用常规熔渗铜工艺，将熔渗金属铜块与钨骨架叠置在一起，放入铺好石墨纸的石墨坩埚中，置于高温氢气氛烧结炉内烧结和熔渗，即得到钨铜复合材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤e中的烧结工艺为，在1000-1040℃下保温1-1.5小时，在 1200-1250℃下熔渗3-4小时。

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