CN105256159B - 一种钨铜复合材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钨铜复合材料及其应用，所述钨铜复合材料由放电等离子体方法制备：取钨铜复合粉末，放于模具中，钨铜复合粉末与模具之间用碳纸隔开，将模具放于预压机中，对模具上下两个压头之间施加压力进行预压，预压压力为2‑20MPa，然后卸压，完成预压过程，再调整模具上下两个压头的位置，使钨铜复合粉末置于模具的中间位置，完成装模过程，将模具放入放电等离子体烧结炉的烧结腔中烧结，烧结温度为970‑1060℃，烧结压力为30‑70Mpa，烧结升温速率为50‑100℃/min，烧结结束后，所得钨铜复合材料随放电等离子体烧结炉自然冷却。本发明制备的钨铜复合材料可以作为整流子，与铜碳电刷配合摩擦。
Description
技术领域
本发明涉及一种钨铜复合材料及其应用，属于材料制备领域。
背景技术
铜及其合金具有较好的摩擦导电性能是现在整流子的主要应用材料，但是因其硬度较低，易磨损。提高整流子寿命，必须同时兼顾摩擦导电性能与润滑性能。钨铜复合材料是在铜的基体中引入钨颗粒，提高其表面硬度与耐磨损性能，可以作为整流子的备选材料之一。
公开号为CN104404282A的发明专利公布了一种制备低钨高铜含量钨铜合金的方法，该方法先对钨铜混合坯块预烧结，然后进热压可以制备钨铜合金。该方法不足在于工艺复杂，制备效率低。公开号为CN 104263992A的发明专利公开了一种电极整流子用银铜合金材料及其制备方法，所使用材料为铜中加入少量银以及稀土元素，经过熔炼及多次轧制过程可以制备此材料。此方法不足之处在于制备方法复杂，对现有整流子材料调整不大。
放电等离子体烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)方法是一种制备致密材料的快速烧结技术，便于制备复合材料、梯度材料。在烧结过程中，粉末置于石墨模具中，上下表面加电极通电，并在石墨模具两端施加一定的压力，促进收缩和保证电流流通。烧结过程中颗粒表面发生放电，温度迅速升高。放电等离子体烧结方法可以一步制备出致密材料，且升温速率大，试样晶粒不发生明显长大。公开号为CN 101450381A的专利公开了一种制备钨铜材料的方法，使用等静压机压制钨铜生坯然后再浸渗铜夜。不足之处在于工艺复杂，且浸渗过程易产生孔缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钨铜复合材料及其应用，本发明制备的钨铜复合材料可以作为整流子，与铜碳电刷配合摩擦。
本发明的新颖性在于通过调节原料成分的比例和烧结工艺参数，制备出致密复合材料，铜中引入钨颗粒后促进转移层形成，本发明制备的W-60Cu钨铜复合材料作为整流子材料，可以减小对铜碳电刷的磨损。
本发明采用的放电等离子体烧结技术是利用脉冲电流加热并且活化粉末使其致密化的烧结方法，所用的装置为SPS烧结炉，本发明方法对SPS烧结炉的型号和生产厂家没有要求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种钨铜复合材料，所述钨铜复合材料由放电等离子体方法制备，包括：
步骤一、取钨铜复合粉末，放于模具中，钨铜复合粉末与模具之间用碳纸隔开；
步骤二、将模具放于预压机中，对模具上下两个压头之间施加压力进行预压，预压压力为2-20MPa，然后卸压，完成预压过程，再调整模具上下两个压头的位置，使钨铜复合粉末置于模具的中间位置，完成装模过程；
步骤三、将模具放入放电等离子体烧结炉的烧结腔中烧结，烧结温度为970-1060℃，烧结压力为30-70Mpa，烧结升温速率为50-100℃/min；
步骤四、烧结结束后，所得钨铜复合材料随放电等离子体烧结炉自然冷却。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在步骤一中，所述钨铜复合材料按重量百分比计，铜的含量为10％-90％，例如90％W-10％Cu、80％W-20％Cu、75％W-25％Cu或者40％W-60％Cu，钨颗粒的尺寸在200nm-2um。
进一步，所述W-20Cu粉末中铜颗粒的粒度为0.8-1um，形状不规则，如图1所示，图中颗粒中心暗色部分为铜，颗粒边缘白色部分为钨，为钨包铜复合粉末。
进一步，所述W-60Cu粉末中铜颗粒的粒径为10um，形状不规则，如图2所示，图中颗粒中心暗色部分为铜，颗粒边缘白色部分为钨，为钨包铜复合粉末。
进一步，在步骤一中，所用模具的材料为导电材料或非导电材料，优选为导电石墨材料或不导电碳化硅材料。
进一步，在步骤三中，当烧结腔腔体温度升至低于预设的烧结温度40-70℃时，将升温速率降为10℃/min。
进一步，在步骤三中，所述烧结过程中烧结腔始终保持真空。
本发明还提供一种上述钨铜复合材料作为整流子材料，所述钨铜复合材料与铜碳电刷配合摩擦时，铜碳电刷接触处表面形成部分或者完全覆盖的“转移层”，转移层成分为铜和碳，减少了整流子对铜碳电刷的磨损。相比于同等硬度的其他成分铜合金，钨铜复合材料整流子对铜碳电刷的磨损较轻。应用于整流子的钨铜复合材料按重量百分比计，优选比例为40％W，60％Cu或铜比例更高。
本发明的有益效果是：
本发明的方法直接将钨铜复合粉末进行烧结，无需进行混粉步骤。烧结步骤一步完成，无需后续热处理或者复烧结步骤。
本发明的新颖性在于通过调节原料成分的比例和烧结工艺参数，制备出致密复合材料，铜中引入钨颗粒后提高了铜基体的硬度并且促进转移层形成，本发明制备的钨铜复合材料作为整流子材料，可以减小对铜碳电刷的磨损。
附图说明
图1为本发明所用原料W-20Cu钨铜粉末背散射照片图；
图2为本发明所用原料W-60Cu钨铜粉末背散射照片图；
图3为经过本发明放电等离子体烧结之后，得到的W-10Cu钨铜复合材料的电子显微照片图；
图4为经过本发明放电等离子体烧结之后，得到的W-20Cu钨铜复合材料的电子显微照片图；
图5为经过本发明放电等离子体烧结之后，得到的W-25Cu钨铜复合材料的电子显微照片图；
图6为本发明经过放电等离子体烧结之后，得到的W-60Cu钨铜复合材料的电子显微照片图；
图7为摩擦实验的示意图，其中，1为上摩擦副，2为下摩擦副；
图8为磨损测试后，W-60Cu钨铜复合材料表面形貌的显微组织图，其中，3为转移层，4为原始组织；
图9为磨损测试后，黄铜材料表面形貌的显微组织图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本实施例中所用原料W-10Cu粉末、W-20Cu粉末、W-25Cu粉末和W-60Cu粉末均购买自厦门钨业股份有限公司(Xiamen Tunsgten CO.,Ltd.)，均为钨铜复合粉末，显示为钨包铜结构，Cu的质量分数分别为10％、20％、25％和60％，钨颗粒的尺寸在200nm-2um，杂质含量小于0.4％，所述杂质为O、N、C中的一种或几种。
所用设备为Dr.Sinter放电等离子体烧结设备。
实施例1
取8g W-10Cu粉末，放于石墨模具中，所述石墨模具的内径为Φ20，W-10Cu粉末与石墨模具之间用碳纸隔开，将石墨模具放于预压机中，在石墨模具上下两个压头之间施加压力至10MPa，然后卸压，完成预压过程，再调整石墨模具上下两个压头的位置，使W-10Cu粉末置于石墨模具的中间位置，
将石墨模具放入SPS烧结炉的烧结腔中，开始烧结，烧结压力为70MPa，升温过程为5min内从20℃升至400℃，然后以100℃/min的速率升至1000℃，再以10℃/min的速率升至烧结温度1060℃，烧结过程中烧结腔内始终保持真空，烧结结束后，所得W-10Cu钨铜复合材料随SPS烧结炉自然冷却。
W-10Cu钨铜复合材料的最大致密度为89.5％(89.5％表示烧结体中有10.5％的孔隙)，电子显微照片如图3所示，图中白色为钨，黑色为铜，存在较多的空隙。
实施例2
取8g W-20Cu粉末，放于石墨模具中，所述石墨模具的内径为Φ20，W-20Cu粉末与石墨模具之间用碳纸隔开，将石墨模具放于预压机中，在石墨模具上下两个压头之间施加压力至10MPa，然后卸压，完成预压过程，再调整石墨模具上下两个压头的位置，使W-20Cu粉末置于石墨模具的中间位置，
将石墨模具放入SPS烧结炉的烧结腔中，开始烧结，烧结压力为50MPa，升温过程为5min内从20℃升至400℃，然后以100℃/min的速率升至1000℃，再以10℃/min的速率升至烧结温度1050℃，烧结过程中烧结腔内始终保持真空，烧结结束后，所得W-20Cu钨铜复合材料随SPS烧结炉自然冷却。
W-20Cu钨铜复合材料最大相对密度大于99％，电子显微照片如图4所示，其中钨颗粒粒径在0.5-1μm。
实施例3
取8g W-25Cu粉末，放于石墨模具中，所述石墨模具的内径为Φ20，W-25Cu粉末与石墨模具之间用碳纸隔开，将石墨模具放于预压机中，在石墨模具上下两个压头之间施加压力至10MPa，然后卸压，完成预压过程，再调整石墨模具上下两个压头的位置，使W-25Cu粉末置于石墨模具的中间位置，
将石墨模具放入SPS烧结炉的烧结腔中，开始烧结，烧结压力为50MPa，升温过程为5min内从20℃升至400℃，然后以50℃/min的速率升至930℃，再以10℃/min的速率升至烧结温度970℃，烧结过程中烧结腔内始终保持真空，烧结结束后，所得W-25Cu钨铜复合材料随SPS烧结炉自然冷却。
W-25Cu钨铜复合材料的最大相对密度为92.8％，W-25Cu钨铜复合材料中存在一定量的空隙，铜的含量明显增多，而且钨颗粒的粒度<200nm，由于铜相增多，钨颗粒之间不相互接触，电子显微照片如图5所示，
实施例4
取8g W-60Cu粉末，放于石墨模具中，所述石墨模具的内径为Φ20，W-60Cu粉末与石墨模具之间用碳纸隔开，将石墨模具放于预压机中，在石墨模具上下两个压头之间施加压力至10MPa，然后卸压，完成预压过程，再调整石墨模具上下两个压头的位置，使W-60Cu粉末置于石墨模具的中间位置，
将石墨模具放入SPS烧结炉的烧结腔中，开始烧结，烧结压力为50MPa，升温过程为5min内从20℃升至400℃，然后以50℃/min的速率升至900℃，再以10℃/min的速率升至烧结温度970℃，烧结过程中烧结腔内始终保持真空，烧结结束后，所得W-60Cu钨铜复合材料随SPS烧结炉自然冷却。
W-60Cu钨铜复合材料的最大致密度>99％,原料W-60Cu粉末中10um的铜颗粒在烧结后基本保持，钨颗粒粒度在<200nm，电子显微照片如图6所示。
实验例1摩擦磨损测试
本实验将实施例4制备的W-60Cu钨铜复合材料用作整流子材料，与铜碳电刷配合摩擦，并测试摩擦性能，摩擦实验示意图如图7所示。
摩擦实验，下摩擦副2为购买自西门子公司市售的铜碳电刷，铜碳电刷的表面经机械抛光处理使表面平整。上摩擦副1分别使用实施例4制备的W-60Cu钨铜复合材料(显维氏硬度1.7GPa)和具有显维氏硬度1.6GPa的铜锌合金(黄铜)，W-60Cu钨铜复合材料和黄铜材料的头部均为半球形，直径为4mm。
使用W-60Cu钨铜复合材料与铜碳电刷相互摩擦，在20℃条件下干摩擦，压力为30N,速度为0.8m/s。30min后磨痕宽度小于1mm。使用黄铜材料与碳铜电刷摩擦，在20℃条件下干摩擦，压力为30N,速度为0.8m/s，2min后碳铜电刷严重磨损，磨痕宽度大于4mm，两次重复结果一致。
在W-60Cu钨铜复合材料表面可以形成连续转移层，如图8所示。W-60Cu钨铜复合材料原始组织4为钨颗粒增强复合材料，经过与碳铜电刷连续磨损之后，钨颗粒在表面形成凹凸。在摩擦过程中，在微观尺度上摩擦面表面总是存在表面起伏，起伏尖端在摩擦过程中形成局部高温，在高温作用下，较软材料会被粘附剥落，形成磨损。在本实验中脱落的碳刷磨屑填充在摩擦面之间，实验中W-60Cu钨铜复合材料表面可以吸附磨屑，形成转移层3。脱转移层的存在有助于润滑层的形成，有利于保护铜碳电刷，减小了对碳铜电刷的磨损，因此，本发明制备的W-60Cu钨铜复合材料可以用作整流子材料。
如图9所示，在相同实验条件下，黄铜材料表面没有转移层形成，黄铜材料表面光滑无明显变化。碳铜电刷表面没有润滑层形成，不利于保护铜碳电刷，磨损较为严重。
实验例2
电导率测试表明：20℃下，本发明实验例1中使用的铜碳电刷的电导率为1.1×106S/m，符合国家标准JBT 4003-2001电机用电刷中对金属石墨电刷的规定。在相同温度下，本发明实施例4制备的W-60Cu钨铜复合材料电导率为3.3×107S/m，此数值接近纯铜的电导率5.98×107S/m，说明本发明实施例4制备的W-60Cu钨铜复合材料能作为整流子替代材料，具有良好的导电性能，具有应用前景。
显微硬度测试：本发明实施例4制备的W-60Cu钨铜复合材料显微硬度为1.7GPa，用作对比的黄铜材料显微应硬度为1.5GPa,二者具有相接近的显微硬度，在与碳刷摩擦时表现出不同的摩擦性能，是因为二者的组织结构不同导致。
本发明中所用W-60Cu钨铜复合材料本质上是颗粒增强铜基复合材料，作用增强体不局限于钨。其他具有增强效果并能改善与碳刷摩擦性能的铜基复合材料也属于本发明的保护范围。本发明实施例1-3制备的W-10Cu钨铜复合材料、W-20Cu钨铜复合材料以及W-25Cu钨铜复合材料，属于高钨含量复合材料，不具有最佳的效果，但也属于本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种钨铜复合材料作为整流子材料的应用，其特征是，兼具高的导电性能与低的对铜碳电刷的磨损性能，其电导率达到3.3×107S/m，同时具有低的对铜碳电刷的磨损性能，其制成Φ4mm半球形后与铜碳电刷在0.8m/s的速度和30N压力下干摩擦，30min后磨痕宽度小于1mm,其中，所述钨铜复合材料由如下方法制备：
步骤一、取具有钨包铜结构的复合粉末原料，放于模具中，原料与模具之间用碳纸隔开,成分按质量百分比计算为含铜60％-90％，其余为钨；
步骤二、对模具上下两个压头之间施加压力进行预压，预压压力值为2-20MPa；
步骤三、将模具放入放电等离子体烧结炉的烧结腔中烧结，烧结温度为970-1060℃，烧结压力值为30-70Mpa，烧结升温速率为50-100℃/min；
步骤四、烧结结束后，所得钨铜复合材料随放电等离子体烧结炉自然冷却。
2.根据权利要求1所述的一种钨铜复合材料作为整流子材料的应用，与铜碳电刷配合摩擦时，钨铜复合材料表面形成部分或者完全覆盖的“转移层”，转移层减少了对铜碳电刷的磨损。
3.根据权利要求1所述的一种钨铜复合材料作为整流子材料的应用，其特征在于，直径<200nm的钨颗粒均匀分布于铜基体中。
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