CN107604230A - 一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法,具体为：将W粉在模具中压制成型为钨压坯；然后放入氢气气氛烧结炉中烧结，随炉冷却至室温，获得钨骨架；最后将CuTi合金放于钨骨架上方，在氢气气氛烧结炉中，进行熔渗，随炉冷却至室温，即获得CuW合金。本发明通过使用CuTi合金进行熔渗而引入Ti元素使得Cu/W相界面实现了良好的冶金结合。经固溶时效处理的Cu(Ti)W合金，具有良好的硬度和导电性。Ti元素的引入可以很好强化弱击穿相‑Cu相，提高了电触头使用寿命的目的。

Description

一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法

技术领域

本发明属于异质材料连接技术领域，涉及一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法。

背景技术

随着电力系统容量的不断增长以及电压等级的不断提高，对断路器的可靠性提出了更高的要求。在传统的高压输变体系中，触头材料的开断寿命较短，开断次数仅有几十次，而在超高压大容量的新型环境下，要求触头材料的开断次数能达到3000次。与常规高压开关相比，特高压系统用电容器组开关由于操作频次高，触头材料在开合的过程中经历了因高频次累积的“烧蚀—高温磨损—挤压”作用，导致弧触头变形并大量损失而失效，进而导致开关不能正常工作。

常规的CuW触头材料在开断过程中，由于铜的逸出功低且熔点较低，在高温电弧作用下，铜相将发生熔化和喷溅，造成触头材料表面凹凸不平；再者，由于Cu、W两相润湿性差而不互溶，也不形成任何化合物，使其相界面难以实现冶金结合，进而出现大量孔洞和缺陷，使界面成为弱击穿点，造成CuW触头材料的失效。这将严重影响输电线路运行的稳定性和可靠性。

Ti元素具有高熔点、低于Cu、W两相的逸出功等优异性能。根据Cu-Ti、Ti-W二元相图可知，常温下Ti在Cu中溶解度很小，而在高温下Ti与W可以形成β(Ti-W)固溶体。由于Ti在高温下容易与H、N和C等元素反应，且使用W粉中添加Ti粉烧结W骨架制备CuW合金的方法时，Ti颗粒不能完全熔化，这些都将严重影响CuW触头材料的电导率和强度。故采用CuTi合金进行熔渗，熔渗时，Ti向W中扩散，可达到强化Cu/W相界面的目的，使其转变为冶金结合，减少界面缺陷，提高界面强度，以及改善界面为弱击穿点的现象。经固溶时效处理后，Ti从Cu中析出，起到强化Cu相的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，用以强化Cu相，并且提高Cu/W相界面结合强度。。

本发明所采用的技术方案是，一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，压制钨压坯：

将W粉在模具中压制成型，得到钨压坯；

步骤2，烧结：

将步骤1得到的钨压坯放入氢气气氛烧结炉中烧结，随炉冷却至室温，获得钨骨架；

步骤3，熔渗：

将CuTi合金放于步骤2得到的钨骨架上方，在氢气气氛烧结炉中，进行熔渗，随炉冷却至室温，获得CuW合金。

本发明的特点还在于，

步骤1中W粉用量按照所需制备的CuW合金中W的含量确定。

步骤1中压制压力为200～400MPa，保压时间为20～40s。

步骤2中烧结参数为：升温至800～1000℃保温0.5～2h。

步骤3中熔渗烧结参数为：先升温至800～1000℃保温0.5～2h，再升温至1200～1400℃，保温1～3h。

步骤3中CuTi合金中，Cu和Ti的质量比为1：0.5～2.0％。

步骤3中CuTi合金通过将纯Cu块和Ti块放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中进行熔炼得到。

熔炼过程中，首先以0.5～1.0A/min的速率加电流至26～30A，保温20～30min，再以1～2A/min的速率降电流至13A。

本发明的有益效果是，本发明通过使用CuTi合金进行熔渗而引入Ti元素使得Cu/W相界面实现了良好的冶金结合。经固溶时效处理的Cu(Ti)W合金，具有良好的硬度和导电性。Ti元素的引入可以很好强化弱击穿相-Cu相，提高了电触头使用寿命的目的。

附图说明

图1是本发明制备方法的工艺流程图；

图2是本发明方法熔炼CuTi合金时的坩埚装配示意图；

图3是本发明方法制备的Cu(Ti)W合金的SEM照片；

图4是本发明方法制备的Cu(Ti)W合金的线扫描图。

图中，1.石墨坩埚，2.石墨纸，3.刚玉坩埚，4.Ti块，5.Cu块。

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。

本发明提供了一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其流程如图1所示，具体按以下步骤实施：

步骤1，熔炼CuTi合金

按照Ti块的用量为纯Cu块质量的0.5～2.0％，将Φ28mm的纯Cu块5与Ti块4(表面打磨干净)后放入Φ40mm刚玉坩埚3中，再将刚玉坩埚3放入铺有石墨纸2的石墨坩埚1中，防止两种坩埚粘连。装配示意图如图2所示，Ti块4位于两块Cu块5之间。将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以0.5～1.0A/min的速率加电流至26～30A，保温20～30min，再以1～2A/min的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质。

步骤2，压制钨压坯

按照所制备的铜钨合金中W的含量为65～85wt.％，称取W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为200～400MPa，保压20～40s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。

步骤3，烧结

将步骤2得到的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至800～1000℃保温0.5～2h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。

步骤4，熔渗

根据W粉的用量和紧实率，所需渗入的CuTi合金的质量为15～35wt.％，实际熔渗中CuTi合金用量应比计算值多40～60％，以确保熔渗过程进行得较为充分和完全。将CuTi合金块叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至800～1000℃保温0.5～2h，再升温至1200～1400℃，保温1～3h，随炉冷却至室温，获得Cu(Ti)W合金。

本发明通过在CuW合金中引入Ti元素，改善了Cu、W的润湿性，提高了Cu/W相界面结合强度。同时Ti元素的添加可以很好强化弱击穿相-Cu相，制得的Cu(Ti)W合金，具有良好的强度和导电性，提高了电触头使用寿命的目的。

实施例1

将表面杂质打磨干净的纯Cu块与Ti块(质量为Cu块质量的0.5％)放入Φ40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以0.5A/min的速率加电流至26A，保温20min，再以1A/min的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜钨合金中W的含量为70wt.％，将W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为200MPa，保压40s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至800℃保温1h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将30wt.％的CuTi合金(理论值，实际应比理论多40-60％，以确保充分熔渗)块叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至950℃保温1.5h，再升温至1350℃，保温1h，随炉冷却至室温，获得Cu(Ti)W合金。

实施例2

将表面杂质打磨干净的纯Cu块与Ti块(质量为Cu块质量的1.0％)后放入Φ40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以1A/min的速率加电流至26A，保温30min，再以2A/min的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜钨合金中W的含量为82wt.％，将W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为400MP，保压20s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至900℃保温1h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将18wt.％的CuTi合金块(理论值，实际应比理论多40-60％，以确保充分熔渗)叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至850℃保温1h，再升温至1200℃，保温3h，随炉冷却至室温，获得Cu(Ti)W合金。

实施例3

将表面杂质打磨干净的纯Cu块与Ti块(质量为Cu块质量的1.5％)后放入Φ40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以1A/min的速率加电流至28A，保温23min，再以2A/min的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜钨合金中W的含量为76wt.％，将W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为300MPa，保压30s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至850℃保温2h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将24wt.％的CuTi合金块(理论值，实际应比理论多40-60％，以确保充分熔渗)叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至900℃保温1.5h，再升温至1300℃，保温1h，随炉冷却至室温，获得Cu(Ti)W合金。

实施例4

将表面杂质打磨干净的纯Cu块与Ti块(质量为Cu块质量的2.0％)后放入Φ40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。最后将装好的坩埚放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中，以0.5A/min的速率加电流至30A，保温27min，再以1A/min的速率降电流至13A，关闭电流仪。取出试样后，机加工去除表面的氧化层和杂质，获得CuTi合金。按照所制备的铜钨合金中W的含量为68wt.％，将W粉倒入经脱模剂涂抹后的模具，在WE-10型万能材料试验机上进行压制成型，得到钨压坯。压力为350MPa，保压35s，以便气体能够顺利排出，同时保证粉末在型腔中得到充分填实。将压制好的钨压坯放入气氛烧结炉中，通入氢气40min后检验氢气的纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至1000℃保温0.5h，随炉冷却至室温，获得钨骨架。将22wt.％的CuTi合金块(理论值，实际应比理论多40-60％，以确保充分熔渗)叠放于钨骨架上方，再放入烧结炉中。通入氢气40min后，检验氢气纯度，确认安全后点燃氢气，打开冷却水后，开始升温至1000℃保温2h，再升温至1400℃，保温2h，随炉冷却至室温，获得Cu(Ti)W合金。

图2为熔炼CuTi合金时坩埚装配示意图。高温下，Ti易与石墨发生反应，故用刚玉坩埚进行熔炼。将纯Cu块与Ti块后放入Φ40mm刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入铺有石墨纸的石墨坩埚中，防止两种坩埚粘连。

图3为本发明制备的Cu(Ti)W合金的SEM照片，从图片中可以看出，使用CuTi合金对W骨架进行熔渗制备的CuW合金，组织分布均匀，界面处无孔洞等结合不良的现象。

图4为本发明制备的Cu(Ti)W合金的线扫描图。从图中可以看出熔渗时熔融Cu液中的Ti向W中扩散，最终使得Ti在Cu、W两相中均匀分布。起到强化Cu/W相界面，提高界面强度的目的。

Claims (8)

1.一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，压制钨压坯：

将W粉在模具中压制成型，得到钨压坯；

步骤2，烧结：

将步骤1得到的钨压坯放入氢气气氛烧结炉中烧结，随炉冷却至室温，获得钨骨架；

步骤3，熔渗：

将CuTi合金放于步骤2得到的钨骨架上方，在氢气气氛烧结炉中，进行熔渗，随炉冷却至室温，获得CuW合金。

2.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤1中W粉用量按照所需制备的CuW合金中W的含量确定。

3.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤1中压制压力为200～400MPa，保压时间为20～40s。

4.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤2中烧结参数为：升温至800～1000℃保温0.5～2h。

5.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤3中熔渗烧结参数为：先升温至800～1000℃保温0.5～2h，再升温至1200～1400℃，保温1～3h。

6.根据权利要求1所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤3中CuTi合金中，Cu和Ti的质量比为1：0.5～2.0％。

7.根据权利要求1或6所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述步骤3中CuTi合金通过将纯Cu块和Ti块放入Ar气气氛保护的感应熔炼炉中进行熔炼得到。

8.根据权利要求7所述的一种使用CuTi合金熔渗制备CuW合金的方法，其特征在于，所述熔炼过程中，首先以0.5～1.0A/min的速率加电流至26～30A，保温20～30min，再以1～2A/min的速率降电流至13A。