CN102162055A - 高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：它是根据所要制备的钨铜复合材料中钨和铜的重量配比以及所要制备的钨铜复合材料的外形尺寸，将适量的钨粉先预烧成钨骨架，然后用高温熔渗烧结方法在钨骨架内熔渗铜并烧结成型，从而获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。利用本发明方法制备的钨铜复合材料能够抵抗在高电压、大电流下开闭形成的电弧烧蚀，从而达到延长触头、电极乃至整个器件寿命的目的。

Description

高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，它可制备适用于高压电器设备和航空航天用钨基电触头的钨铜复合材料。
背景技术
钨铜合金是由高熔点、高硬度的钨和高导电、导热率的铜所构成的假合金，具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和高强度、高硬度等优点，被广泛地用做中压或高压开关中的电接触材料、航空航天器件的耐高温材料、高性能电极材料。但随着现代化工业的高速发展，高压输变电网路负荷日益增加，开关电器向更高电压、更大容量发展。传统的高压电触头材料，在高电压、大电流作用下，电弧烧蚀会使触头表面产生严重蚀坑而引起过早失效。
发明内容
为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，利用该方法制备的钨铜复合材料能够抵抗在高电压（大于220KV）、大电流(大于4000KA)下开闭形成的电弧烧蚀，从而达到延长触头、电极乃至整个器件寿命的目的。
本发明技术方案是这样构成的，一种高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：它是根据所要制备的钨铜复合材料中钨和铜的重量配比以及所要制备的钨铜复合材料的外形尺寸，将适量的钨粉先预烧成钨骨架，然后用高温熔渗烧结方法在钨骨架内熔渗铜并烧结成型，从而获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。
本发明上述技术方案具体包括以下步骤：
①掺胶混合：将钨粉与胶液按适当比例搅拌混合在一起；
②压制成型：将步骤①获得的混合物放入模具中，压制成与要制备的钨铜复合材料的外形尺寸一致的压坯；
③脱胶：对步骤②成型好的压坯进行脱胶处理；
④高温预烧：将步骤③脱胶后的压坯高温预烧成钨骨架；
⑤熔渗烧结：将步骤④获得的钨骨架和铜一起装入高温保护气氛烧结炉中进行熔渗烧结成型，获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。
其中，步骤①的具体制备方法如下：选取粒径为4-6μm的钨粉，将钨粉与预先配置好的胶液共同搅拌混合2-3小时后，过40-60目的筛网放置；钨粉与胶液的混合比例为1公斤钨粉：20-30毫升胶液；所述胶液由汽油溶液与由碳氢氧元素构成的可挥发粘结剂混合而成，混合比例为100毫升汽油溶液：25-35克粘结剂；
步骤②的具体制备方法如下：将步骤①获得的混合物装入模具中，以6-8吨/厘米2的压力压制成型后脱模；
步骤③的具体制备方法如下：将步骤②获得的压坯放入石墨舟中，置于气氛脱胶炉中脱胶，控制气氛脱胶炉的温度为550℃-650℃，所述气氛脱胶炉内的气氛由惰性气体构成，气氛流量为0.5-1.0立方米每小时，保温1.5-2.0小时；
步骤④的具体制备方法如下：将步骤③脱胶后的压坯放入石墨舟中，在高温真空炉中预烧结成钨骨架，控制高温真空炉的温度为1800℃-2000℃，真空度不大于10-2Pa，保温1.5-2.0小时；
步骤⑤的具体制备方法如下：将步骤④获得的钨骨架和铜一起放入石墨舟中，周围加高纯氧化铝填料，置于高温保护气氛烧结炉内，控制高温保护气氛烧结炉的温度1250℃-1300℃，气氛流量为0.3-0.6立方米每小时，保温2-2.5小时进行熔渗烧结成型。
较之现有技术而言，本发明的优点在于：本发明有效解决了现有的钨铜触头材料、钨铜电极材料、钨铜高温合金在工作过程中表面会产生严重烧蚀而引起过早失效的问题，本发明通过预烧钨骨架使骨架相的结合强度高，能够抵抗电弧的烧损，另外，熔渗于钨骨架中的低熔点铜在电弧烧蚀时自身的挥发也会带走大量的热量，从而可提高电触头或电极材料的抗电弧烧蚀性能并可以延长使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施方式和实施例对本发明内容进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
（一）实施方式
本发明具体实施方式提供了一种高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：它是根据所要制备的钨铜复合材料中钨和铜的重量配比以及所要制备的钨铜复合材料的外形尺寸，将适量的钨粉先预烧成钨骨架，然后用高温熔渗烧结方法在钨骨架内熔渗铜并烧结成型，从而获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。具体包括以下步骤：
①掺胶混合：将钨粉与胶液按适当比例搅拌混合在一起。具体做法是选取粒径为4-6μm的钨粉，将钨粉与预先配置好的胶液共同搅拌混合2-3小时后，过40-60目的筛网放置；钨粉与胶液的混合比例为1公斤钨粉：20-30毫升胶液；所述胶液由汽油溶液与由碳氢氧元素构成的可挥发粘结剂混合而成，混合比例为100毫升汽油溶液：25-35克粘结剂；所述的粘结剂可采用丁钠橡胶或石蜡或松香。
②压制成型：将步骤①获得的混合物放入模具中，压制成与要制备的钨铜复合材料的外形尺寸一致的压坯。具体做法是将步骤①获得的混合物装入模具（可采用钢制模具）中，以6-8吨/厘米2的压力压制成型后脱模，脱模压力优选为2-4吨/厘米2。
③脱胶：对步骤②成型好的压坯进行脱胶处理。具体做法是将步骤②获得的压坯放入石墨舟中，置于气氛脱胶炉中脱胶，控制气氛脱胶炉的温度为550℃-650℃，所述气氛脱胶炉内的气氛由惰性气体（可采用氮气或氩气，氮气最好，氩气价格较贵）构成，气氛流量为0.5-1.0立方米每小时，保温1.5-2.0小时。
④高温预烧：将步骤③脱胶后的压坯高温预烧成钨骨架；将步骤③脱胶后的压坯放入石墨舟中，在高温真空炉中预烧结成钨骨架，控制高温真空炉的温度为1800℃-2000℃，真空度不大于10-2Pa，保温1.5-2.0小时；
⑤熔渗烧结：将步骤④获得的钨骨架和铜一起装入高温保护气氛烧结炉中进行熔渗烧结成型，获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。具体做法是将步骤④获得的钨骨架和铜（铜块或铜片等铜材）一起放入石墨舟中，周围加高纯氧化铝（80-100目的高纯氧化铝砂子）填料，置于高温保护气氛烧结炉内，控制高温保护气氛烧结炉的温度1250℃-1300℃，气氛（优选为氢气）流量为0.3-0.6立方米每小时，保温2-2.5小时进行熔渗烧结成型。
本发明所制备的钨铜复合材料中，铜的重量百分数基本上需小于等于50%。
（二）实施例
实施例1
制取直径为20毫米，长度为40毫米，钨和铜的重量百分数分别为70和30的钨铜合金W70Cu30电触头材料（可先根据钨和铜的重量百分数查到密度后，根据密度和外形尺寸计算出总重量以及分别要取用的钨和铜的重量，不同比例钨铜密度的计算是：密度=100/（钨的比例/19.3+铜的比例/8.9）克/厘米3）。本例中计算为100/(70/19.3+30/8.9)=14.2克/厘米3
步骤1、掺胶混合
称取粒径为4-6μm的钨粉125克，按重量体积比20毫升胶液：每公斤钨粉，加入胶液2.5毫升，共同搅拌混合2小时，然后过40目的筛网放置。所述胶液是由汽油溶液与丁钠橡胶按照100毫升汽油溶液：25克丁钠橡胶的混合比例配制而成的。
步骤2、压制成型
将步骤1获得的混合物装入直径20毫米的钢制模具中，以20吨的压力压制成型，再将压坯从模具中以8吨的压制压力脱出。
步骤3、 脱胶
将步骤2的压坯放入石墨舟中，在气氛脱胶炉中脱胶，控制温度550℃，氮气流量在0.5立方米每小时，保温1.5小时。
步骤4、高温预烧
将步骤3脱胶后的压坯放入石墨舟中，在高温真空炉中预烧结成钨骨架，控制温度1800℃，真空度不大于10-2Pa，保温1.5小时。
步骤5、熔渗烧结
将步骤4获得的钨骨架和铜一起放入石墨舟中，周围加80目的高纯氧化铝填料。在高温保护气氛烧结炉内，氢气气氛流量在0.3立方米每小时，控制温度1250℃，保温2小时进行熔渗烧结成型。
实施例2
制取直径为100毫米，长度为80毫米，重量百分数分别为80和20的钨铜合金W80Cu20高温材料。
步骤1、掺胶混合
称取粒径为4-6μm的钨粉7.636公斤，按重量体积比25毫升胶液：每公斤钨粉，加入胶液190.9毫升，共同搅拌混合3小时，然后过60目的筛网放置。所述胶液是由汽油溶液与丁钠橡胶按照100毫升汽油溶液：35克丁钠橡胶的混合比例配制而成的。
步骤2、压制成型
将步骤1获得的混合物装入直径100毫米的钢制模具中，以628吨的压力压制成型，再将压坯从模具中以210吨的压制压力脱出。
步骤3. 脱胶
将步骤2的压坯放入石墨舟中，在气氛脱胶炉中脱胶，控制温度650℃，氮气流量在1.0立方米每小时，保温2.0小时。
步骤4. 高温预烧
将步骤3脱胶后的压坯放入石墨舟中，在高温真空炉中预烧结成钨骨架，控制温度2000℃，真空度不大于10-2Pa，保温2.0小时。
步骤5. 熔渗烧结
将步骤4获得的钨骨架和铜一起放入石墨舟中，周围加高纯氧化铝填料。在高温保护气氛烧结炉内，氢气气氛流量在0.6立方米每小时，控制温度1280℃，保温2.5小时进行熔渗烧结成型。
实施例3
制取直径为20毫米，长度为80毫米，重量百分数分别为60和40的钨铜合金W60Cu40电极材料。
步骤1.掺胶混合
称取粒径为4-6μm的钨粉268.3克，按重量体积比30毫升胶液：每公斤钨粉，加入胶液8毫升，共同搅拌混合2.5小时，然后过50目筛网放置。所述胶液是由汽油溶液与丁钠橡胶按照100毫升汽油溶液：30克丁钠橡胶的混合比例配制而成的。
步骤2.压制成型
将步骤1获得的混合物装入直径20毫米钢制模具中，以21吨的压力压制成型，再将压坯从模具中以7吨/厘米2的压制压力脱出。
步骤3. 脱胶
将步骤2的压坯放入石墨舟中，在气氛脱胶炉中脱胶，控制温度600℃，氮气流量在0.7立方米每小时，保温1.8小时。
步骤4. 高温预烧
将步骤3脱胶后的压坯放入石墨舟中，在高温真空炉中预烧结成钨骨架，控制温度1900℃，真空度不大于10-2Pa，保温1.8小时。
步骤5. 熔渗烧结
将步骤4获得的钨骨架和铜一起放入石墨舟中，周围加高纯氧化铝填料。在高温保护气氛（氢气或氦气）烧结炉内，气氛流量在0.5立方米每小时，控制温度1300℃，保温2.2小时进行熔渗烧结成型。
实施例4 - 实施例6
将实施例4-实施例6的步骤1中的丁钠橡胶用石蜡替代，其它内容分别与实施例1-实施例3相同。
实施例7 - 实施例9
将实施例7-实施例9的步骤1中的丁钠橡胶用松香替代，其它内容分别与实施例1-实施例3相同。
（三）实验对比
将采用本发明实施例1-实施例3制备的试样与用传统熔渗烧结方法制备的钨铜复合材料相比较，得出的数据对比如下表：
烧结方式 电弧烧蚀速率mg/min
传统熔渗烧结W70Cu30 0.42
本发明实施例1 0.28
熔渗烧结W80Cu20 0.3
本发明实施例2 0.2
熔渗烧结W60Cu40 0.6
本发明实施例3 0.37
从上面的表格数据说明本发明与相应成分的传统熔渗烧结相比，能显著地提高钨铜合金的抗烧蚀性，因为其烧蚀速率大大降低。

Claims (8)

1.一种高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：它是根据所要制备的钨铜复合材料中钨和铜的重量配比以及所要制备的钨铜复合材料的外形尺寸，将适量的钨粉先预烧成钨骨架，然后用高温熔渗烧结方法在钨骨架内熔渗铜并烧结成型，从而获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：它具体包括以下步骤：
①掺胶混合：将钨粉与胶液按适当比例搅拌混合在一起；
②压制成型：将步骤①获得的混合物放入模具中，压制成与要制备的钨铜复合材料的外形尺寸一致的压坯；
③脱胶：对步骤②成型好的压坯进行脱胶处理；
④高温预烧：将步骤③脱胶后的压坯高温预烧成钨骨架；
⑤熔渗烧结：将步骤④获得的钨骨架和铜一起装入高温保护气氛烧结炉中进行熔渗烧结成型，获得高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料。
3.根据权利要求2所述的高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤①的具体制备方法如下：选取粒径为4-6μm的钨粉，将钨粉与预先配置好的胶液共同搅拌混合2-3小时后，过40-60目的筛网放置；钨粉与胶液的混合比例为1公斤钨粉：20-30毫升胶液；所述胶液由汽油溶液与由碳氢氧元素构成的可挥发粘结剂混合而成，混合比例为100毫升汽油溶液：25-35克粘结剂；
步骤②的具体制备方法如下：将步骤①获得的混合物装入模具中，以6-8吨/厘米2的压力压制成型后脱模；
步骤③的具体制备方法如下：将步骤②获得的压坯放入石墨舟中，置于气氛脱胶炉中脱胶，控制气氛脱胶炉的温度为550℃-650℃，所述气氛脱胶炉内的气氛由惰性气体构成，气氛流量为0.5-1.0立方米每小时，保温1.5-2.0小时；
步骤④的具体制备方法如下：将步骤③脱胶后的压坯放入石墨舟中，在高温真空炉中预烧结成钨骨架，控制高温真空炉的温度为1800℃-2000℃，真空度不大于10-2Pa，保温1.5-2.0小时；
步骤⑤的具体制备方法如下：将步骤④获得的钨骨架和铜一起放入石墨舟中，周围加高纯氧化铝填料，置于高温保护气氛烧结炉内，控制高温保护气氛烧结炉的温度1250℃-1300℃，气氛流量为0.3-0.6立方米每小时，保温2-2.5小时进行熔渗烧结成型。
4.根据权利要求3所述的高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤①所述的粘结剂采用丁钠橡胶或石蜡或松香。
5.根据权利要求3所述的高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤②所述的模具为钢制模具，脱模压力为2-4吨/厘米2。
6.根据权利要求3所述的高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤③所述的气氛为氮气或氩气。
7.根据权利要求3所述的高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑤所述的气氛为氢气。
8.根据权利要求3所述的高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑤所述的高纯氧化铝采用80-100目的高纯氧化铝砂子。
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