CN109182870A - 一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法 - Google Patents

一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，具体为：步骤1，将铜粉和氮化硼粉末按照一定的比例机械混粉后，得到混合粉末A，再将混合粉末A冷压成坯，然后对冷压形成的坯进行热压烧结，随后随炉冷却，得到BN/Cu复合材料毛坯；步骤2，将钨粉和铜粉按照一定比例经过机械混合后晾干、筛粉，得到混合粉末B，将混合粉末B冷压成坯得到钨骨架；步骤3，将得到的BN/Cu复合材料毛坯和钨骨架一起放到石墨坩埚中，然后将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中，最后在氢气气氛下烧结、熔渗，从而得到CuW合金。本发明一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法所制备的CuW合金摩擦系数降低，合金的磨损率相对较小。

Description

一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备方法技术领域，涉及一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法。
背景技术
CuW合金具有良好的耐电弧烧蚀性、抗熔焊性能和高强度等优点，是高压断路器中大量使用的触头材料之一，它承担着接通与分断电流的任务。随着我国电力系统、电压等级和电网覆盖地域的快速发展，从而对CuW电触头材料的研究和开发提出了更高的要求，不断提高CuW触头材料的电导率、机械性能和化学性能才能为高压开关的工作提供可靠性的保障。CuW合金的组织结构直接影响着材料的力学性能和使用性能，且CuW触头材料在反复的插拔过程中容易受到机械磨损，造成触头材料的局部损坏影响使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，所制备的CuW合金摩擦系数降低，合金的磨损率相对较小。
本发明所采用的技术方案是，一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将铜粉和氮化硼粉末按照一定的比例机械混粉后，得到混合粉末A，再将混合粉末A冷压成坯，然后对冷压形成的坯进行热压烧结，随后随炉冷却，得到BN/Cu复合材料毛坯；
步骤2，将钨粉和铜粉按照一定比例经过机械混合后晾干、筛粉，得到混合粉末B，将混合粉末B冷压成坯得到钨骨架；
步骤3，将步骤1中得到的BN/Cu复合材料毛坯和步骤2中得到的钨骨架一起放到石墨坩埚中，然后将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中，最后在氢气气氛下烧结、熔渗，从而得到CuW合金。
本发明的特征还在于，
步骤1中将铜粉和氮化硼粉末按照一定的比例机械混粉后，得到混合粉末A的具体过程为：
将氮化硼粉末和铜粉按照一定比例装入混料机中，其中，氮化硼粉末占BN/Cu复合材料总质量的0.5-2％，然后按铜粉和氮化硼粉总质量的1:1加入不锈钢磨球，并向混料机中添加粉末总质量1％的无水乙醇作为粘合剂，以120r/min的转速混粉4h，得到混合粉末A。
步骤1中将混合粉末冷压成坯的具体过程为：
将混合粉末A采用冷压模具冷压成坯，在冷压过程中压强为300MPa，保压时间为30s。
步骤1中对冷压形成的坯进行热压烧结的具体过程为：
将对冷压形成的坯放入气氛保护热压炉中，以20℃/min由室温升温至900℃，保温30min，随后以10℃/min加热至1000-1060℃，保温30-60min，并加压7-28MPa，最后随炉冷却至室温，得到BN/Cu复合材料毛坯，其中，烧结过程中在氢气保护气氛下进行烧结，降温在氮气气氛保护下降温。
步骤2具体为：
将钨粉和铜粉装入混料机中，按钨粉和铜粉总质量的1:2加入不锈钢磨球，再给混料机中添加粉末总质量1％的无水乙醇作为粘合剂，以100r/min的转速混粉4h，得到混合粉末B，再将混合粉末B晾干后放入冷压模具中冷压成坯得到钨骨架，冷压过程中压强为300MPa，保压时间为30s；其中，钨粉为CuW合金总质量的70％，铜粉为钨粉的5％～15％。
步骤3中在氢气气氛下烧结的过程为：将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中后，给气氛保护高温烧结炉中充入氢气，然后在室温下40min由室温升至950℃，保温30min，随后15min升至970℃，保温40min；再进行熔渗，具体为：在40min由970℃升至1350℃，保温2h，最后随炉冷却；烧结和熔渗过程均以氢气为保护气体。
本发明的有益效果是：本发明改善了CuW合金的摩擦磨损性能，利用BN/Cu复合材料代替纯铜通过熔渗法所制备出的CuW合金组织分布均匀，相比于在添加润滑相氮化硼的钨骨架中熔渗纯铜，本发明所制备的CuW合金摩擦系数降低，合金的磨损率相对较小，制备出符合国标性能的CuW70合金。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的CuW合金组织形貌图；
图2是本发明实施例1-4所制备的CuW合金的摩擦系数图。
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。
一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将铜粉和氮化硼粉末按照一定的比例机械混粉后，得到混合粉末A，再将混合粉末A冷压成坯，然后对冷压形成的坯进行热压烧结，随后随炉冷却，得到BN/Cu复合材料毛坯；
具体为：将氮化硼粉末和铜粉按照一定比例装入混料机中，其中，氮化硼粉末占BN/Cu复合材料总质量的0.5-2％，然后按铜粉和氮化硼粉总质量的1:1加入不锈钢磨球，并向混料机中添加粉末总质量1％的无水乙醇作为粘合剂，以120r/min的转速混粉4h，得到混合粉末A；将混合粉末A采用冷压模具冷压成坯，在冷压过程中压强为300MPa，保压时间为30s；将对冷压形成的坯放入气氛保护热压炉中，以20℃/min由室温升温至900℃，保温30min，随后以10℃/min加热至1000-1060℃，保温30-60min，并加压7-28MPa，最后随炉冷却至室温，得到BN/Cu复合材料毛坯，其中，烧结过程中在氢气保护气氛下进行烧结，降温在氮气气氛保护下降温；
步骤2，将钨粉和铜粉按照一定比例经过机械混合后晾干、筛粉，得到混合粉末B，将混合粉末B冷压成坯得到钨骨架；
具体为：
将钨粉和铜粉装入混料机中，按钨粉和铜粉总质量的1:2加入不锈钢磨球，再给混料机中添加粉末总质量1％的无水乙醇作为粘合剂，以100r/min的转速混粉4h，得到混合粉末B，再将混合粉末B晾干后放入冷压模具中冷压成坯得到钨骨架，冷压过程中压强为300MPa，保压时间为30s；其中，钨粉为CuW合金总质量的70％，铜粉为钨粉的5％～15％；
步骤3，将步骤1中得到的BN/Cu复合材料毛坯和步骤2中得到的钨骨架一起放到石墨坩埚中，然后将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中，最后在氢气气氛下烧结、熔渗，从而得到CuW合金；其中烧结的过程为：将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中后，给气氛保护高温烧结炉中充入氢气，然后在室温下40min由室温升至950℃，保温30min，随后15min升至970℃，保温40min；再进行熔渗，具体为：在40min由970℃升至1350℃，保温2h，最后随炉冷却；烧结和熔渗过程均以氢气为保护气体。
本发明所使用的BN粉末的尺寸为100nm。
实施例1
称取纳米级氮化硼粉末0.5wt.％、余量为铜粉(40-60μm)，将放入混料机中，然后按铜粉和氮化硼粉总质量的1:1加入不锈钢磨球，并向混料机中添加粉末总质量1％的无水乙醇作为粘合剂，以120r/min的转速混粉4h，得到混合粉末A；将混合粉末A采用冷压模具冷压成坯，在冷压过程中压强为300MPa，保压时间为30s；将对冷压形成的坯放入气氛保护热压炉中，以20℃/min由室温升温至900℃，保温30min，随后以10℃/min加热至1000℃，保温30min，并加压7MPa，最后随炉冷却至室温，得到BN/Cu复合材料毛坯，其中，烧结过程中在氢气保护气氛下进行烧结，降温在氮气气氛保护下降温；
按照10:1的比例称取钨粉和诱导铜粉，一起装入混料机中，按粉末总质量的1:2加入不锈钢磨球，再加入1％的无水乙醇作为粘合剂，开始进行机械混粉，混粉时间为4h，得到混合粉末B，然后将机械混粉后的混合粉末B放入冷压模具中进行冷压，压制压强为300MPa，保压时间30s，冷压成坯得到钨骨架；
最后，将得到的BN/Cu复合材料毛坯和得到的钨骨架一起放入Φ35的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入气氛保护高温烧结炉，最后在氢气气氛下烧结、熔渗，从而得到CuW合金；其中烧结的过程为：将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中后，给气氛保护高温烧结炉中充入氢气，然后在室温下40min由室温升至950℃，保温30min，随后15min升至970℃，保温40min；再进行熔渗，具体为：在40min由970℃升至1350℃，保温2h，最后随炉冷却；烧结和熔渗过程均以氢气为保护气体，最后随炉冷却，所得CuW合金的硬度为189.7HB，电导率为42.49％IACS，摩擦系数为0.39，所制得的CuW合金的组织形貌如图1所示。
实施例2
称取纳米级氮化硼粉末1.0wt.％、余量为铜粉(40-60μm)，对其进行机械混粉、冷压、热压烧结，烧结工艺是：以20℃/min由室温升温至900℃，保温30min，随后以10℃/min加热至1020℃，保温40min，并加压14MPa，最后随炉冷却至室温；得到BN/Cu复合材料毛坯；
按照10:1的比例称取钨粉和诱导铜粉，一起装入混料机中，按粉末总质量的1:2加入不锈钢磨球，再加入1％的无水乙醇作为过程粘合剂，开始进行机械混粉，混粉时间为4h，得到混合粉末B，然后将机械混粉后的混合粉末B放入冷压模具中进行冷压，压制压强为300MPa，保压时间30s冷压成坯得到钨骨架；
最后，将得到的BN/Cu复合材料毛坯和得到的钨骨架一起放入Φ35的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入气氛保护高温烧结炉，按照步骤3的工艺参数在氢气气氛下进行烧结、熔渗，最后随炉冷却，所得CuW合金的硬度为189.5HB，电导率为50.14％IACS，摩擦系数为0.345。
实施例3
称取纳米级氮化硼粉末1.5wt.％、余量为铜粉(40-60μm)，对其进行机械混粉、冷压、热压烧结，烧结工艺是：以20℃/min由室温升温至900℃，保温30min，随后以10℃/min加热至1040℃，保温50min，并加压21MPa，最后随炉冷却至室温；得到BN/Cu复合材料毛坯；
按照10:1的比例称取钨粉和诱导铜粉，一起装入混料机中，按粉末总质量的1:2加入不锈钢磨球，再加入1％的无水乙醇作为过程粘合剂，开始进行机械混粉，混粉时间为4h，得到混合粉末B，然后将机械混粉后的混合粉末B放入冷压模具中进行冷压，压制压强为300MPa，保压时间30s冷压成坯得到钨骨架；
最后，将得到的BN/Cu复合材料毛坯和得到的钨骨架一起放入Φ35的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入气氛保护高温烧结炉，按照步骤3的工艺参数在氢气气氛下进行烧结、熔渗，最后随炉冷却，所得CuW合金的硬度为193.7HB，电导率为44.92％IACS，摩擦系数为0.307。
实施例4
称取纳米级氮化硼粉末2.0wt.％、余量为铜粉(40-60μm)，对其进行机械混粉、冷压、热压烧结，烧结工艺是：以20℃/min由室温升温至900℃，保温30min，随后以10℃/min加热至1060℃，保温60min，并加压28MPa，最后随炉冷却至室温；得到BN/Cu复合材料毛坯；
按照10:1的比例称取钨粉和诱导铜粉，一起装入混料机中，按粉末总质量的1:2加入不锈钢磨球，再加入1％的无水乙醇作为过程控制剂，开始进行机械混粉，混粉时间为4h，得到混合粉末B，然后将机械混粉后的混合粉末B放入冷压模具中进行冷压，压制压强为300MPa，保压时间30s冷压成坯得到钨骨架；
最后，最后，将得到的BN/Cu复合材料毛坯和得到的钨骨架一起放入Φ35的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入气氛保护高温烧结炉，按照步骤3的工艺参数在氢气气氛下进行烧结、熔渗，最后随炉冷却，所得CuW合金的硬度为187HB，电导率为51.58％IACS，摩擦系数为0.303。
本发明实施例1-4所制备的CuW合金的摩擦系数如图2所示。

Claims (6)

1.一种具有低摩擦系数CuW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，将铜粉和氮化硼粉末按照一定的比例机械混粉后，得到混合粉末A，再将混合粉末A冷压成坯，然后对冷压形成的坯进行热压烧结，随后随炉冷却，得到BN/Cu复合材料毛坯；
步骤2，将钨粉和铜粉按照一定比例经过机械混合后晾干、筛粉，得到混合粉末B，将混合粉末B冷压成坯得到钨骨架；
步骤3，将步骤1中得到的BN/Cu复合材料毛坯和步骤2中得到的钨骨架一起放到石墨坩埚中，然后将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中，最后在氢气气氛下烧结、熔渗，从而得到CuW合金。
2.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1中将铜粉和氮化硼粉末按照一定的比例机械混粉后，得到混合粉末A的具体过程为：
将氮化硼粉末和铜粉按照一定比例装入混料机中，其中，氮化硼粉末占BN/Cu复合材料总质量的0.5-2％，然后按铜粉和氮化硼粉总质量的1:1加入不锈钢磨球，并向混料机中添加粉末总质量1％的无水乙醇作为粘合剂，以120r/min的转速混粉4h，得到混合粉末A。
3.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1中将混合粉末冷压成坯的具体过程为：
将混合粉末A采用冷压模具冷压成坯，在冷压过程中压强为300MPa，保压时间为30s。
4.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1中对冷压形成的坯进行热压烧结的具体过程为：
将对冷压形成的坯放入气氛保护热压炉中，以20℃/min由室温升温至900℃，保温30min，随后以10℃/min加热至1000-1060℃，保温30-60min，并加压7-28MPa，最后随炉冷却至室温，得到BN/Cu复合材料毛坯，其中，烧结过程中在氢气保护气氛下进行烧结，降温在氮气气氛保护下降温。
5.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
将钨粉和铜粉装入混料机中，按钨粉和铜粉总质量的1:2加入不锈钢磨球，再给混料机中添加粉末总质量1％的无水乙醇作为粘合剂，以100r/min的转速混粉4h，得到混合粉末B，再将混合粉末B晾干后放入冷压模具中冷压成坯得到钨骨架，冷压过程中压强为300MPa，保压时间为30s；其中，钨粉为CuW合金总质量的70％，铜粉为钨粉的5％～15％。
6.根据权利要求1所述的一种具有低摩擦系数CuW合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中在氢气气氛下烧结的过程为：将坩埚置于气氛保护高温烧结炉中后，给气氛保护高温烧结炉中充入氢气，然后在室温下40min由室温升至950℃，保温30min，随后15min升至970℃，保温40min；再进行熔渗，具体为：在40min由970℃升至1350℃，保温2h，最后随炉冷却；烧结和熔渗过程均以氢气为保护气体。
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