CN111411280A - 一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料及其制备方法，包括有以下组分：碳化钨粉的平均粒度为0.5～5μm，质量比为55～70wt％；金刚石粉末的平均粒度为0.1～10μm，质量比为0.01～2wt％；钴粉的平均粒度为1～5μm质量比为：1～4wt％。本发明能够实现用液相烧结工艺制备高致密度的铜碳化钨金刚石材料，解决触头内部孔隙度高的问题，全面提高触头材料的抗熔焊性和耐电磨损性。

Description

一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电触头材料制造工艺领域，具体指一种液相烧结铜碳化钨金刚石复合电触头材料及其制备方法。
背景技术
铜碳化钨材料是一种由高熔点、高硬度的碳化钨和高导电、高导热率的铜所构成的假合金，目前被广泛地用作电触头材料，电阻焊、电火花加工和等离子电极材料。在大中电流下，铜碳化钨材料随着通断次数增加接触电阻会逐渐增大，温升也逐渐增高，导致触头的熔焊风险和电弧腐蚀速度也随之不断提高。通过在铜碳化钨材料中添加高熔点、高硬度的金刚石组元颗粒可进一步提高触头的抗熔焊性和耐电磨损性，从而提高电器的使用寿命和安全性。
电触头使用的铜碳化钨材料中碳化钨含量一般为50～70wt％，由于碳化钨的高硬度及高强度特性，使得该材料无法采用烧结复压和挤压轧制的方式进行生产，只有通过液相烧结(熔渗)的方式才能获得高致密度的材料。
液相烧结工艺对于骨架与熔渗金属相互间的润湿性以及骨架内的熔渗通道的通畅性有较高的要求。金刚石的原子结构导致了它与一般金属液体之间的界面能相对地高于自身的表面能，因此金刚石不为一般金属与合金熔液所浸润。金刚石与铜在1150℃时的润湿角为145°，两者的润湿性很差，在碳化钨骨架中添加金刚石，由于润湿性差，铜溶液无法将金刚石完全浸润，使得金刚石颗粒边缘形成孔洞，骨架无法完全渗透。并且金刚石比重较轻，在铜熔液中会漂浮起来，随着铜熔液的流动悬浮的金刚石会不断堵塞骨架坯中的铜熔液的熔渗通道，导致熔渗过程无法顺利进行。烧坯内部会因此残留有大量的未被铜熔液填满的孔隙。要实现此类材料的熔渗，就必须解决材料间的润湿性差以及添加物在金属熔液中游离漂浮的问题。
通过检索，现有技术中：
中国专利公开号CN1124353C公开了一种铜碳化钨触头材料及其在低压漏电开关中的应用，该材料含有组分及重量百分比为：碳化钨8-10％，石墨0.8-2％，锌0.01-0.1％，镍0.01-0.1％，第III族副族镧系元素0.05-0.1％，余量为铜。
中国专利公开号CN02129979.X一种触头用铜基材料，其特征在于它的成分配比(重量百分比)为碳化钨0～10％、钇或锆或两者的混合物0.1％～1％、镧0.01％～2％、余量为铜。
中国专利公开号CN201710728339.7公开一种含硼的碳化钨铜合金及其制备方法，材料成分为碳化钨49.97～80％，铜19.97～50％，硼0.01～0.03％，具体加工方式为混料—包覆—压制—烧结—熔渗。
上述专利均为涉及本申请上述所要解决的材料间的润湿性差以及添加物在金属熔液中游离漂浮的问题。因此有必要对此进行改进。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是铜碳化钨金刚石复合电触头材料，包括有以下组分：
碳化钨粉的平均粒度为0.5---5μm，质量比为55～70wt％；
金刚石粉末的平均粒度为0.1---10μm，质量比为0.01-2wt％；
钴粉的平均粒度为1---5μm质量比为：1～4wt％，
铜为余量。
本发明的第二个目的是提供一种如权利要求1所述的铜碳化钨金刚石复合电触头材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)混粉和研磨，将碳化钨粉、金刚石粉和钴粉进行混粉均匀，然后将混合粉机械研磨，混合粉中弥散分布的钴在碳化钨和金刚石表面进行扩散；
(2)还原扩散：在还原性气氛下，将步骤(1)处理的混合粉在800-950℃
保温烧结2-5小时，对粉末表面的氧化物薄膜进行还原，使钴在碳化钨和金刚石表面进行扩散，然后将还原后的混合粉进行破碎、过筛；
(3)粉末制粒：将步骤(2)处理的粉体加入制粒机中，加入成型剂进行制粒；
(4)成型预烧：将步骤(3)处理的粉体进行模压成型，制备具有骨架孔隙率为35％～50％的骨架压坯，将骨架压坯在还原性气氛下，通过分段加热脱除成型剂，并进行骨架压坯预烧，该预烧中钴的粘结作用将表面包裹了钴的金刚石颗粒跟碳化钨颗粒烧结成为整体骨架；
(5)骨架熔渗：在还原性气氛下，将预烧好的骨架压坯与铜片叠放进入熔渗炉在1150～1200℃下进行熔渗，冷却出炉后获得铜碳化钨金刚石复合触头材料。
进一步设置是所述的步骤(1)混粉为装入混料器进行混合，混合时间1～4小时。
进一步设置是步骤(1)中的机械研磨为混合粉料装入球磨罐，加入合金球，进行机械研磨处理，研磨时间10-24小时。
进一步设置是所述步骤(3)中成型剂为石蜡或硬脂酸，该成型剂的添加量为与碳化钨粉、金刚石粉和钴粉的混合粉料的质量比例为1～5％。
进一步设置是所述步骤(4)和(5)中所述的还原性气氛为氢气气氛或氨分解气氛。
本发明的创新机理和有益效果是：
本发明主要通过机械研磨的方式对混合粉末进行处理，通过将碳化钨粉、金刚石粉、钴粉进行长时间研磨，让粉末颗粒在机械研磨的过程中反复产生断裂和变形，促进粉末颗粒的进一步细化、成分的均匀化及添加物的弥散分布。还原性气氛下对混合粉末进行高温处理，粉末表面的氧化物薄膜得到还原，混合粉中弥散分布的钴在碳化钨和金刚石表面进行扩散，并消除粉末研磨过程中产生的加工应力。高温预烧时，钴的粘结作用将表面包裹了钴的金刚石颗粒跟碳化钨颗粒烧结成为整体骨架，解决了独立的金刚石颗粒在铜熔液中悬浮影响熔渗的问题。同时金刚石颗粒也因为表面包覆了钴而极大的改善了与铜的润湿性，从而使铜熔液能够顺利渗透整个骨架，最终得到高致密度的铜碳化钨金刚石复合触头材料。本发明能够实现用液相烧结工艺制备高致密度的铜碳化钨金刚石材料，解决触头内部孔隙度高的问题，全面提高触头材料的抗熔焊性和耐电磨损性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1本发明实施例一所制备的铜碳化钨金刚石复合电触头材料的断面扫描图；
图2本发明实施例一所制备的铜碳化钨金刚石复合电触头材料的金相放大(1000x)图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例一
(1)粉末混合：称取平均粒径为0.8～1.0微米的碳化钨粉4kg，平均粒径1～3微米的钴粉0.136kg，平均粒径1～3微米的金刚石粉0.068Kg，将三种粉末初步混合，过筛200目，然后装入混粉机进行粉末混合，混合时间4小时。
(2)机械研磨：将步骤(1)处理的粉料装入球磨罐，加入合金球，球料比4:1，开启冷却系统，进行机械研磨处理，球磨时间20小时。球磨后的混合料卸出，分离合金球后，粉料过150目筛，结块粉末破碎后再次过150目筛。
(3)还原扩散：在还原性气氛下，将步骤(2)处理的过筛粉，在850℃下保温烧结4小时，将粉末表面的氧化物薄膜进行还原，使钴在碳化钨和金刚石表面进行扩散，然后将冷却后的混合粉进行破碎、过150目筛。
(4)粉末制粒：按常规制粒工艺，将步骤(3)处理的粉加入制粒机中，加入石蜡或硬脂酸类成型剂进行制粒，加入的石蜡或硬脂酸与粉料的比例为3.3～3.6％。
(5)成型预烧：将步骤(4)处理的粉料按照常规压制工艺进行模压成型，将制粒粉压制成孔隙度为48％的碳化钨-金刚石骨架。将骨架坯在还原性气氛下，按照常规脱蜡工艺分段加热脱除成型剂等有机挥发物质，并进行骨架预烧。
(6)骨架熔渗：在还原性气氛下，将预烧好的骨架坯与相应单重的铜片叠放进入熔渗炉在1150～1200℃下进行熔渗，冷却出炉后获得铜碳化钨(60)金刚石(1)复合触头材料。
(7)材料性能：密度：12.0g/cm3，硬度：HB385，电阻率：6.33μΩ·cm。
实施例二
(1)粉末混合：称取平均粒径为1.2～1.5微米碳化钨粉4kg，平均粒径1～3微米的钴粉0.117kg，平均粒径1～3微米的金刚石粉0.058Kg，将三种粉末混合、过筛，然后装入混粉机进行粉末混合。
(2)机械研磨：将步骤(1)处理的粉料装入球磨罐，加入合金球，球料比4:1，进行机械研磨处理，球磨时间24小时。球磨后的混合料卸出，分离合金球后，粉料过150目筛。
(3)还原退火：在还原性气氛下，将步骤(2)处理的过筛粉，在850℃下保温烧结4小时，将粉末表面的氧化物薄膜进行还原，然后将冷却后的混合粉进行破碎、过筛。
(4)粉末制粒：按常规制粒工艺，将步骤(3)处理的粉加入制粒机中，加入石蜡或硬脂酸类成型剂进行制粒，加入的石蜡或硬脂酸与粉料的比例为2.2～2.5％。
(5)成型预烧：将步骤(4)处理的粉料按照常规压制工艺进行模压成型，将制粒粉压制为孔隙度37％的碳化钨-金刚石骨架。将骨架坯在还原性气氛下，按照常规脱蜡工艺分段加热脱除成型剂等有机挥发物质，并进行骨架预烧。
(6)骨架熔渗：在还原性气氛下，将预烧好的骨架坯与相应单重的铜片叠放进入熔渗炉在1050～1100℃下进行熔渗，冷却出炉后获得铜碳化钨(70)金刚石(1)复合触头材料。
(7)材料性能：密度：12.75g/cm3，硬度：HB432，电阻率：7.07μΩ·cm。
实施例三
(1)粉末混合：称取平均粒径为0.8～1.0微米的碳化钨粉4kg，平均粒径1～3微米的钴粉0.10kg，平均粒径1～3微米的金刚石粉0.007Kg，将三种粉末初步混合，过筛200目，然后装入混粉机进行粉末混合，混合时间4小时。
(2)机械研磨：将步骤(1)处理的粉料装入球磨罐，加入合金球，球料比4:1，开启冷却系统，进行机械研磨处理，球磨时间16小时。球磨后的混合料卸出，分离合金球后，粉料过150目筛，结块粉末破碎后再次过150目筛。
(3)还原扩散：在还原性气氛下，将步骤(2)处理的过筛粉，在850℃下保温烧结4小时，将粉末表面的氧化物薄膜进行还原，然后将冷却后的混合粉进行破碎、过150目筛。
(4)粉末制粒：按常规制粒工艺，将步骤(3)处理的粉加入制粒机中，加入石蜡或硬脂酸类成型剂进行制粒，加入的石蜡或硬脂酸与粉料的比例为2.8～3.1％。
(5)成型预烧：将步骤(4)处理的粉料按照常规压制工艺进行模压成型，将制粒粉压制成孔隙度为47％的碳化钨金刚石骨架。将骨架坯在还原性气氛下，按照常规脱蜡工艺分段加热脱除成型剂等有机挥发物质，并进行骨架预烧。
(6)骨架熔渗：在还原性气氛下，将预烧好的骨架坯与相应单重的铜片叠放进入熔渗炉在1150～1200℃下进行熔渗，冷却出炉后获得铜碳化钨(60)金刚石(0.1)复合触头材料。
(7)材料性能：密度：12.98g/cm3，硬度：HB352，电阻率：5.73μΩ·cm。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料，其特征在于包括有以下组分：
碳化钨粉的平均粒度为0.5-5μm，质量比为55～70wt％；
金刚石粉末的平均粒度为0.1-10μm，质量比为0.01-2wt％；
钴粉的平均粒度为1-5μm质量比为：1～4wt％，
铜为余量。
2.一种如权利要求1所述的铜碳化钨金刚石复合电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)混粉和研磨，将碳化钨粉、金刚石粉和钴粉进行混粉均匀，然后将混合粉机械研磨，混合粉中弥散分布的钴在碳化钨和金刚石表面进行扩散；
(2)还原扩散：在还原性气氛下，将步骤(1)处理的混合粉在800-950℃保温烧结2-5小时，对粉末表面的氧化物薄膜进行还原，使钴在碳化钨和金刚石表面进行扩散，然后将还原后的混合粉进行破碎、过筛；
(3)粉末制粒：将步骤(2)处理的粉体加入制粒机中，加入成型剂进行制粒；
(4)成型预烧：将步骤(3)处理的粉体进行模压成型，制备具有骨架孔隙率为35％～50％的骨架压坯，将骨架压坯在还原性气氛下，通过分段加热脱除成型剂，并进行骨架压坯预烧，该预烧中钴的粘结作用将表面包裹了钴的金刚石颗粒跟碳化钨颗粒烧结成为整体骨架；
(5)骨架熔渗：在还原性气氛下，将预烧好的骨架压坯与铜片叠放进入熔渗炉在1150～1200℃下进行熔渗，冷却出炉后获得铜碳化钨金刚石复合触头材料。
3.根据权利要求1所述的一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)混粉为装入混料器进行混合，混合时间1～4小时。
4.根据权利要求1所述的一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的机械研磨为混合粉料装入球磨罐，加入合金球，进行机械研磨处理，研磨时间10-24小时。
5.根据权利要求1所述的一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中成型剂为石蜡或硬脂酸，该成型剂的添加量为与碳化钨粉、金刚石粉和钴粉的混合粉料的质量比例为1～5％。
6.根据权利要求1所述的一种铜碳化钨金刚石复合电触头材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)和(5)中所述的还原性气氛为氢气气氛或氨分解气氛。
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