CN105568209B - 一种原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法，将钨骨架在氩气保护下于真空渗碳炉中加热，然后将炉体抽真空后乙炔，保持2～10min，再将炉体抽真空至1Pa后保温，循环以上操作后保温，之后通入氮气使样品随炉冷却，得到WC梯度强化W骨架；将WC梯度强化W骨架在微机程控高温氢气气氛烧结炉中进行渗铜即得。本发明制备方法，提高了W骨架的高温强度和耐磨性；同时在渗碳过程中，由于骨架内外碳势的影响，WC在骨架的内外存在成分梯度。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法。
背景技术
CuW复合材料作为整体触头的核心部件，主要负责断路器的接通和断开，在超高压、特高压电网输送中具有重要作用。随着电网容量的增大，稳定性的提高，对整体触头用CuW复合材料提出更加苛刻的要求。传统CuW复合材料经高频次开合后，其耐磨性以及高温稳定性显著降低，无法满足高频次、高寿命的使用要求。
已有研究表明，向CuW复合材料中添加稀土氧化物、碳化物颗粒等可显著提高材料的硬度、耐电压强度和耐电弧烧蚀能力等性能。其中，WC陶瓷颗粒与W在许多方面有着相似的性质，如相近的熔点、线膨胀系数，较好的导电导热性能。除此之外，WC作为一种陶瓷耐磨相，其高温性能显著优于W，900℃的强度与室温时相当，而W在900℃的强度仅为室温时的17％左右。尝试用WC来代替W，制备Cu/WC复合材料，耐电弧烧蚀性能以及耐磨性得到显著提高，但其导电、导热性能较差，且与尾部的铜合金连接性能较差，无法满足使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法，该方法制备得到的CuW复合材料具有良好的导电、导热性能，同时使得CuW复合材料与尾部铜合金连接可靠。
本发明所采用的技术方案是，一种原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，真空渗碳：
将钨骨架在惰性气氛氩气保护下于真空渗碳炉中加热到900～1100℃，然后将炉体抽真空至0.8～1.2Pa，通入800～1200Pa的乙炔，保持2～10min，再将炉体抽真空至1Pa，保温5～20min，循环以上操作2～10次后保温30～60min，之后通入氮气使样品随炉冷却，得到WC梯度强化W骨架；
步骤2，熔渗：
将步骤1得到的WC梯度强化W骨架在微机程控高温氢气气氛烧结炉中进行渗铜，得到原位自生梯度WC强化CuW复合材料。
本发明的特点还在于，
步骤1中钨骨架按照常规方法将有添加剂的W粉经压制后在气氛保护炉中烧结得到。
步骤2中渗铜在1200～1400℃下烧结0.5～2h。
本发明的有益效果是，本发明原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法，通过真空渗碳工艺，在钨骨架上原位反应生长WC颗粒，在保证骨架自身烧结性的前提下，由于WC优异的高温性能以及钉扎作用，提高了W骨架的高温强度和耐磨性；同时在渗碳过程中，由于骨架内外碳势的影响，WC在骨架的内外存在成分梯度。由于触头使用过程中仅有表层为工作面，这种原位自生梯度复合材料的性能特点不仅可以提高触头材料表层的高温强度及耐磨性，还可保证与导电铜合金的连接强度。从而在不影响CuW复合材料其他性能的前提下，提高了复合材料的高温强度及耐磨性。
附图说明
图1是本发明制备得到梯度WC强化CuW复合材料的示意图；
图2是本发明实施例2制备得到的梯度WC强化W骨架SEM形貌图，(a)W骨架表层，(b)W骨架次表层，(c)W骨架心部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，制备钨骨架
按照常规方法将有添加剂的W粉经压制后在气氛保护炉中烧结得到钨骨架；
步骤2，真空渗碳：
将步骤1得到的钨骨架在惰性气氛氩气保护下于真空渗碳炉中加热到900～1100℃，然后将炉体抽真空至0.8～1.2Pa，通入800～1200Pa的乙炔，保持2～10min，再将炉体抽真空至1Pa，保温5～20min，循环以上操作2～10次后保温30～60min，之后通入氮气使样品随炉冷却，得到WC梯度强化W骨架；
步骤3，熔渗：
将步骤2得到的WC梯度强化W骨架在微机程控高温氢气气氛烧结炉中于1200～1400℃下进行渗铜0.5～2h，得到原位自生梯度WC强化CuW复合材料。
CuW复合材料作为一种假合金，其传统制备方法是烧结熔渗法，即先压制烧结一个多孔W骨架，随后通过熔渗工艺在W骨架中渗Cu。正是W骨架的这种多孔结构，有利于气态碳源进入骨架，在W颗粒表面原位生长WC颗粒，借助WC颗粒优异的高温性能以及钉扎作用，提高W骨架的高温强度。
步骤2中渗碳选用气相碳源，相比于固态碳源，其更易与W反应，在低于铜熔点温度下生成WC增强颗粒，降低了反应温度，提高了制备过程的可控性。
步骤2中渗碳工艺采用脉冲式，这样可以增强骨架对活性碳原子的物理和化学吸附作用，提高碳原子的扩散系数和扩散速度，提高骨架的渗碳效率。
步骤2中通过渗碳工艺的合理调控，在保证骨架W颗粒烧结性的前提下，在表层W骨架上原位自生梯度WC来强化W骨架，心部依然是原始的W骨架；在步骤3熔渗铜液后，一方面提高了表层CuW复合材料的高温强度及耐磨性，同时因心部依然是铜钨合金，保证了整体材料的传导性能以及其与尾部铜合金的高可靠性连接。
实施例1
步骤1，制备W骨架：
将W粉和3％的诱导Cu粉通过V型混料机混粉后在液压机上压制为致密度70％的生坯，随后在氢气气氛保护炉中于1300℃烧结40min，即得到W骨架；
步骤2，真空渗碳：
将步骤1得到的W骨架在惰性气氛保护下于真空渗碳炉中加热到900℃，到温后开真空泵将炉体抽到0.8Pa，通入800Pa的乙炔，保持5min，再将炉体抽至1Pa，保温20min，循环以上操作3次后保温60min，之后通入氮气使样品随炉冷却，即得到WC梯度强化W骨架；
步骤3，熔渗：
将步骤2得到的WC梯度强化W骨架在微机程控高温氢气气氛烧结炉中于1200℃渗铜1h，即得到原位自生梯度WC强化CuW复合材料。
实施例2
步骤1，制备W骨架：
将W粉、3％的诱导Cu粉和1％的活化元素Ni粉通过V型混料机混粉后在液压机上压制为致密度70％的生坯，随后在氢气气氛保护炉中于1300℃烧结40min，即得到W骨架；
步骤2，真空渗碳：
将步骤1得到的W骨架在惰性气氛保护下于真空渗碳炉中加热到950℃，到温后开真空泵将炉体抽到1Pa，通入1000Pa的乙炔，保持2min，再将炉体抽至1Pa，保温5min，循环以上操作10次后保温40min，之后通入氮气使样品随炉冷却，即得到WC梯度强化W骨架；
步骤3，熔渗：
将步骤2得到的WC梯度强化W骨架在微机程控高温氢气气氛烧结炉中于1350℃渗铜2h，即得到原位自生梯度WC强化CuW复合材料。
实施例3
步骤1，制备W骨架：
将W粉、3％的诱导Cu粉和1％的活化元素Ni粉通过V型混料机混粉后在液压机上压制为致密度70％的生坯，随后在氢气气氛保护炉中于1300℃烧结40min，即得到W骨架；
步骤2，真空渗碳：
将步骤1得到的W骨架在惰性气氛保护下于真空渗碳炉中加热到1100℃，到温后开真空泵将炉体抽到1.2Pa，通入1200Pa的乙炔，保持10min，再将炉体抽至1Pa，保温10min，循环以上操作2次后保温30min，之后通入氮气使样品随炉冷却，即得到WC梯度强化W骨架；
步骤3，熔渗：
将步骤2得到的WC梯度强化W骨架在微机程控高温氢气气氛烧结炉中于1400℃渗铜0.5h，即得到原位自生梯度WC强化CuW复合材料。
图1为本发明制备得到梯度WC强化CuW复合材料的示意图。由图1可以看出，在复合材料表层及近表层区域的钨骨架表面有WC颗粒生成，从复合材料表面至中心区域，WC颗粒的数量逐步减少，到中心区域没有WC的生成。图2是本发明实施例2制备得到的梯度WC强化W骨架SEM形貌图。其中图(a)为W骨架表层的形貌，可以看出W骨架表面生长出紧密排列的WC颗粒；图(b)为W骨架次表层的形貌，可以看出，随着距离骨架表面距离的增加，W骨架表面生长的WC颗粒的数量明显减少；图(c)为W骨架心部区域的形貌，可以看出，骨架心部区域W颗粒表面没有长出WC颗粒。正是这种梯度结构不仅可以提高触头材料表层的高温强度及耐磨性，还可保证与导电铜合金的连接强度。从而在不影响CuW复合材料其他性能的前提下，提高了复合材料的高温强度及耐磨性。
Claims (2)
1.一种原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，真空渗碳：
将钨骨架在惰性气氛氩气保护下于真空渗碳炉中加热到900～1100℃，然后将炉体抽真空至0.8～1.2Pa，通入800～1200Pa的乙炔，保持2～10min，再将炉体抽真空至1Pa，保温5～20min，循环以上操作2～10次后保温30～60min，之后通入氮气使样品随炉冷却，得到WC梯度强化W骨架，所述W骨架按照常规方法将有添加剂的W粉经压制后在气氛保护炉中烧结得到，为多孔结构；
步骤2，熔渗：
将步骤1得到的WC梯度强化W骨架在微机程控高温氢气气氛烧结炉中进行渗铜，得到原位自生梯度WC强化CuW复合材料。
2.根据权利要求1所述的原位自生梯度WC强化CuW复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中渗铜在1200～1400℃下烧结0.5～2h。
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