CN106381411B - 一种铜钨合金及CuW-CrCu整体材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜钨合金的制备方法，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉混合后经过粘结处理、晾干、筛分处理，得到混合粉末；将混合粉末预压制形成毛坯，然后将毛坯经过烧结熔渗即得。将上述制备的CuW合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，然后进行固溶时效处理，得到CuW‑CrCu整体材料。本发明通过添加不同含量的亚微米级和超微米级钨粉到常规的微米级钨粉中制备多粒径的CuW合金，制备的合金的导电率明显提高，高出国家标准30％～50％。此种方案下制备的CuW合金的耐电弧侵蚀性增强，其耐电压强度有所提高；制备的CuW‑CrCu整体材料的结合强度明显提高。

Description

一种铜钨合金及CuW-CrCu整体材料的制备方法
技术领域
本发明属于合金材料制备技术领域，具体涉及一种铜钨合金的制备方法，本发明还公开了采用该方法制备的铜钨合金制备CuW-CrCu整体材料的方法。
背景技术
铜钨(CuW)电触头是电器开关的接触元件，主要担负着接触、断开负载电流的任务。开关的安全性、可靠性、开断和关合特性很大程度上取决于触头材料的物理性质及其电学特性。CuW系触头材料因其具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性及高的强度而广泛应用于各种断路器。负荷开关和变压器转换开关的元件，CuW-CrCu整体触头材料的应用尤其广泛。
如今，科技的发展对CuW-CrCu整体触头材料的性能提出了更高的要求。用不同粒径的钨粉制备的CuW合金有其各自的优缺点：用亚微米钨粉制备的CuW合金具有高硬度、高导电率，但其制备过程极其繁琐，由于亚微米粉过细、比表面能过高、松装密度过小，所以用常规的冷压方法难以压制密实，且压制过程中容易带入过多空气中的杂质而严重影响合金的使用性能。微米级钨粉较易处理，制备CuW合金的过程相对简单容易，是目前电触头材料中应用最广最常规的CuW合金，但其合金性能并不是最好。超微米级钨粉制备的CuW合金强度高，但其基体连续性差容易产生富铜相，且由于其松装密度过大，所以，制备的CuW合金密度较大，难以应用于实际生产中。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜钨合金的制备方法，该方法制备得到的CuW合金具有较高的硬度、导电性。
本发明的另一个目的是提供一种采用上述方法得到的铜钨合金制备CuW-CrCu整体材料的方法。
本发明所采用的技术方案是，一种铜钨合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉混合后经过粘结处理、晾干、筛分处理，得到混合粉末；
步骤2，将步骤1得到的混合粉末预压制形成毛坯，然后将毛坯经过烧结熔渗，得到铜钨合金。
本发明的特点还在于，
步骤1中亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:0.5～5，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的10％～15％。
步骤1中混合是将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉转入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：1～5，以100～200r/min的转速混粉4～8h。
步骤2中预压制形成毛坯是将筛分后的粉末通过冷压模具压制，压制压力300～350KN，保压30～60秒形成毛坯。
步骤2中烧结熔渗是将预压制形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗；其中烧结熔渗的具体参数为：从室温经过40～60分钟升温至900～950℃，然后保温30～60分钟，再经过5～10分钟升温至960～1000℃，再保温30～60分钟，再经过40～80分钟升温至1300～1400℃，保温60～240分钟，随炉冷却至常温。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种CuW-CrCu整体材料的制备方法，将上述制备的铜钨合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，然后进行固溶、时效处理，得到CuW-CrCu整体材料。
本发明的特点还在于，
烧结的具体参数为：从室温经过40～60分钟升温至900～950℃，然后保温30～60分钟，再经过5～10分钟升温至960～1000℃，再保温30～60分钟，再经过40～80分钟升温至1300～1400℃，保温60～240分钟，随炉冷却至常温。
固溶处理的温度为1000～1050℃，时间为60～120min。
时效处理温度为420～480℃，时间为350～500min。
本发明的有益效果是，本发明通过添加不同含量的亚微米级和超微米级钨粉到常规的微米级钨粉中制备多粒径的CuW合金，制备的合金的导电率明显提高，高出国家标准30％～50％。此种方案下制备的CuW合金的耐电弧侵蚀性增强，其耐电压强度有所提高；制备的CuW-CrCu整体材料的结合强度明显提高，最大高出单一粒径微米级钨粉制备的CuW-CrCu整体材料结合强度的22％。
附图说明
图1是本发明设计的级配方案下钨骨架的平面烧结示意图；
图2是本发明设计的级配方案下CuW合金的金相组织图；
图3是本发明设计的级配方案下CuW合金金相组织的放大图；
图4是本发明设计的级配方案下，不同微米级W粉含量下制备的CuW合金的硬度及导电率曲线图。
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。
本发明铜钨合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉转装入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：1～5，以100～200r/min的转速混粉4～8h；亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:0.5～5，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的10％～15％；
步骤2，将步骤1混合后的粉末经过有机物粘结处理，晾干，用200目筛网筛分处理，得到混合粉末；
步骤3，将步骤2得到的混合粉末通过冷压模具压制，压制压力300～350KN，保压30～60秒形成毛坯，压制过程中通过垫片控制毛坯高度以预留定量的空隙进行渗铜；
步骤4，将步骤3得到的毛坯经过装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗(从室温经过40～60分钟升温至900～950℃，然后保温30～60分钟，再经过5～10分钟升温至960～1000℃，再保温30～60分钟，再经过40～80分钟升温至1300～1400℃，保温60～240分钟，随炉冷却至常温)得到铜钨合金。
一种CuW-CrCu整体材料的制备方法，将上述制备的铜钨合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，然后在1000～1050℃下固溶处理60～120min，再在420～480℃时效处理350～500min，得到CuW-CrCu整体材料。
烧结的工艺参数为：从室温经过40～60分钟升温至900～950℃，然后保温30～60分钟，再经过5～10分钟升温至960～1000℃，再保温30～60分钟，再经过40～80分钟升温至1300～1400℃，保温60～240分钟，随炉冷却至常温。
本发明在级配方案制备CuW合金，将亚微米级和超微米级W粉添加到微米级粒径的钨粉中，改变了钨骨架的结构，从而改变了CuW合金和CuW-CrCu整体材料性能。用这种方案制备的CuW70合金的导电率最高可达到35.1MS/m，而标准的CuW70合金的导电率是24.36MS/m，所以用这种方法制备的CuW合金的导电率高出国标44％。用这种方案制备的CuW-CrCu整体材料的结合强度可达到425Mpa。
图1是本发明设计的级配方案下钨骨架的平面烧结示意图，其中以超微米级钨粉作为骨架的增强体，微米级钨粉作为骨架的主体，亚微米级粉末作为骨架的填充体以分散铜相的富集。
图2是本发明制备的CuW合金的金相组织图，由图可知，三种粒径W颗粒的分布比较均匀；图3是图2的高倍放大组织，图3中能看到微米粉环绕在超微米粉周围，亚微米粉环绕在微米粉周围，这种组织有利于提高铜钨合金的均匀性，分散铜基体，减少富集相，从而提高导电率。
图4中，粗细粉末含量在15％～30％时，随着粗细粉末含量的增加，铜钨合金的硬度及电导率均呈上升的趋势，含量为30％时，合金的硬度及电导率均达到了峰值，粗细粉末含量大于30％时，随着粗细粉末含量的增加，铜钨合金的硬度及电导率均呈下降的趋势。
实施例1
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉装入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：1，以100r/min的转速混粉4h；亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:0.5，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的10％；
步骤2，将步骤1混合后的粉末经过有机物粘结处理，晾干，用200目筛网筛分处理，得到混合粉末；
步骤3，将步骤2得到的混合粉末通过冷压模具压制，压制压力300KN，保压40秒形成毛坯；
步骤4，将步骤3得到的毛坯经过装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗(从室温经过40分钟升温至950℃，然后保温40分钟，再经过5分钟升温至980℃，再保温45分钟，再经过80分钟升温至1350℃，保温100分钟，随炉冷却至常温)得到铜钨合金。
将上述制备的CuW合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，即从室温经过55分钟升温至940℃，然后保温45分钟，再经过9分钟升温至970℃，再保温55分钟，再经过40分钟升温至1300℃，保温150分钟，随炉冷却至常温，然后在1000℃下固溶处理120min，再在450℃时效处理400min，得到CuW-CrCu整体材料。
所得CuW合金的硬度为200.33HB，电导率31.37MS/m，CuW-CrCu整体材料的结合强度354MPa。
实施例2
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉装入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：2，以120r/min的转速混粉8h；亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:5，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的12％；
步骤2，将步骤1混合后的粉末经过有机物粘结处理，晾干，用200目筛网筛分处理，得到混合粉末；
步骤3，将步骤2得到的混合粉末通过冷压模具压制，压制压力320KN，保压50秒形成毛坯；
步骤4，将步骤3得到的毛坯经过装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗(从室温经过60分钟升温至900℃，然后保温50分钟，再经过7分钟升温至960℃，再保温50分钟，再经过70分钟升温至1380℃，保温200分钟，随炉冷却至常温)得到CuW合金。
将上述制备的CuW合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，即从室温经过45分钟升温至930℃，然后保温30分钟，再经过8分钟升温至990℃，再保温60分钟，再经过50分钟升温至1400℃，保温60分钟，随炉冷却至常温，然后在1020℃下固溶处理60min，再在480℃时效处理350min，得到CuW-CrCu整体材料。
所得CuW合金的硬度为199HB，电导率32.32MS/m，CuW-CrCu整体材料的结合强度392MPa。
实施例3
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉装入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：3，以180r/min的转速混粉5h；亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:3，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的15％；
步骤2，将步骤1混合后的粉末经过有机物粘结处理，晾干，用200目筛网筛分处理，得到混合粉末；
步骤3，将步骤2得到的混合粉末通过冷压模具压制，压制压力330KN，保压60秒形成毛坯；
步骤4，将步骤3得到的毛坯经过装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗(从室温经过50分钟升温至920℃，然后保温60分钟，再经过10分钟升温至1000℃，再保温30分钟，再经过60分钟升温至1320℃，保温240分钟，随炉冷却至常温)得到CuW合金。
将上述制备的CuW合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，即从室温经过40分钟升温至950℃，然后保温40分钟，再经过5分钟升温至980℃，再保温45分钟，再经过80分钟升温至1350℃，保温100分钟，随炉冷却至常温，然后在1050℃下固溶处理100min，再在420℃时效处理500min，得到CuW-CrCu整体材料。
所得CuW合金的硬度为203HB，电导率32.4MS/m，CuW-CrCu整体材料的结合强度385MPa。
实施例4
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉转装入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：4，以120r/min的转速混粉6h；亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:2，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的11％；
步骤2，将步骤1混合后的粉末经过有机物粘结处理，晾干，用200目筛网筛分处理，得到混合粉末；
步骤3，将步骤2得到的混合粉末通过冷压模具压制，压制压力340KN，保压30秒形成毛坯；
步骤4，将步骤3得到的毛坯经过装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗(从室温经过45分钟升温至930℃，然后保温30分钟，再经过8分钟升温至990℃，再保温60分钟，再经过50分钟升温至1400℃，保温60分钟，随炉冷却至常温)得到CuW合金。
将上述制备的CuW合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，即从室温经过60分钟升温至900℃，然后保温50分钟，再经过7分钟升温至960℃，再保温50分钟，再经过70分钟升温至1380℃，保温200分钟，随炉冷却至常温，然后在1030℃下固溶处理80min，再在430℃时效处理450min，得到CuW-CrCu整体材料。
所得CuW合金的硬度为212.77HB，电导率33.7MS/m，CuW-CrCu整体材料的结合强度425MPa。
实施例5
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉装入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：5，以150r/min的转速混粉7h；亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:1，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的13％；
步骤2，将步骤1混合后的粉末经过有机物粘结处理，晾干，用200目筛网筛分处理，得到混合粉末；
步骤3，将步骤2得到的混合粉末通过冷压模具压制，压制压力350KN，保压50秒形成毛坯；
步骤4，将步骤3得到的毛坯经过装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗(从室温经过55分钟升温至940℃，然后保温45分钟，再经过9分钟升温至970℃，再保温55分钟，再经过40分钟升温至1300℃，保温150分钟，随炉冷却至常温)得到CuW合金。
将上述制备的CuW合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，即从室温经过50分钟升温至920℃，然后保温60分钟，再经过10分钟升温至1000℃，再保温30分钟，再经过60分钟升温至1320℃，保温240分钟，随炉冷却至常温，然后在1040℃下固溶处理90min，再在460℃时效处理480min，得到CuW-CrCu整体材料。
所得CuW合金的硬度为202.67HB，电导率31.94MS/m，CuW-CrCu整体材料的结合强度415.47MPa。

Claims (7)

1.一种铜钨合金的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉混合后经过粘结处理、晾干、筛分处理，得到混合粉末；
亚微米级钨粉、超微米级钨粉、微米级钨粉的质量比为1:1:0.5～5，超微米钨粉含量在15％～30％，诱导Cu粉的添加量为钨粉总质量的10％～15％；
步骤2，将步骤1得到的混合粉末预压制形成毛坯，然后将毛坯经过烧结熔渗，得到铜钨合金；
烧结熔渗具体为：将预压制形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，并在毛坯上放置铜块，一并在氢气保护气氛下进行烧结熔渗；其中烧结熔渗的具体参数为：从室温经过40～60分钟升温至900～950℃，然后保温30～60分钟，再经过5～10分钟升温至960～1000℃，再保温30～60分钟，再经过40～80分钟升温至1300～1400℃，保温60～240分钟，随炉冷却至常温。
2.根据权利要求1所述的铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤1中混合是将亚微米级钨粉、微米级钨粉、超微米级钨粉和诱导Cu粉转入混料机中，加入不锈钢磨球，其中粉末总质量与不锈钢磨球的质量比为1：1～5，以100～200r/min的转速混粉4～8h。
3.根据权利要求1所述的铜钨合金的制备方法，其特征在于，步骤2中预压制形成毛坯是将筛分后的粉末通过冷压模具压制，压制压力300～350KN，保压30～60秒形成毛坯。
4.一种CuW-CrCu整体材料的制备方法，其特征在于，将权利要求1～3任一所述的铜钨合金的制备方法制备的铜钨合金与CrCu材料装在高纯石墨坩埚中在氢气保护气氛下进行烧结，然后进行固溶、时效处理，得到CuW-CrCu整体材料。
5.根据权利要求4所述的CuW-CrCu整体材料的制备方法，其特征在于，烧结的具体参数为：从室温经过40～60分钟升温至900～950℃，然后保温30～60分钟，再经过5～10分钟升温至960～1000℃，再保温30～60分钟，再经过40～80分钟升温至1300～1400℃，保温60～240分钟，随炉冷却至常温。
6.根据权利要求5所述的CuW-CrCu整体材料的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为1000～1050℃，时间为60～120min。
7.根据权利要求4～6任一所述的CuW-CrCu整体材料的制备方法，其特征在于，所述时效处理温度为420～480℃，时间为350～500min。
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