CN114367665B - 一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法 - Google Patents

一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体为：将一定量的钨粉冷压成坯，进行烧结后随炉冷却得到烧结好的钨块，在钨块上方，放置CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在熔渗，得到熔渗后的CuW合金；将CuW与CuCrZr合金的待连接面加工并清洗干净，使CuW合金放置于CuCrZr合金上方，并置于石墨坩埚中于气氛真空两用烧结炉中，用两步烧结法实现CuW合金与CuCrZr合金的连接，得到CuW/CuCrZr整体合金块，再进行固溶及时效处理，得到连接好的CuW/CuCrZr合金。解决了现有技术中存在的CuW/CuCrZr界面在连接过程中存在ZrO2夹杂，导致界面连接强度低的问题。

Description

一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法
技术领域
本发明属于整体触头合金连接方法技术领域，涉及一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法。
背景技术
电触头是电器开关的接触元件，主要担负着开断负载电流的任务。触头和灭弧系统是开关的核心，在电路保护中起着至关重要的作用。开关的安全性，可靠性及开断特性很大程度上取决于触头材料的物理性能。现有的电触头大多是CuW/CuCr整体触头，但随着电网容量的增加，触头开断时产生的热量急剧增加，对CuW/CuCr整体触头上CuCr合金的高温性能也提出越来越严苛的要求。CuCrZr合金因其显著优于CuCr合金的高温性能成为下一代整体触头导电段的材料选择。但是Zr对氧的亲和力极强，CuW/CuCrZr界面极易在连接过程中生成ZrO2夹杂，导致界面连接强度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，解决了现有技术中存在的CuW/CuCrZr界面在连接过程中存在ZrO2夹杂，导致界面连接强度低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体按照如下步骤实施：
步骤一，将一定量的钨粉冷压成坯，在1200℃～1400℃进行烧结，保温2～6h，随炉冷却得到烧结好的钨块，在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1200℃～1450℃熔渗，保温2～6h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金；
步骤二，将CuW与CuCrZr合金的待连接面加工并清洗干净，使CuW合金放置于CuCrZr合金上方，并置于石墨坩埚中于气氛真空两用烧结炉中，用两步烧结法实现CuW合金与CuCrZr合金的连接，得到CuW/CuCrZr整体合金块；
步骤三，将步骤二得到的CuW/CuCrZr整体合金块进行固溶及时效处理，得到连接好的CuW/CuCrZr合金。
本发明的特征还在于，
步骤一得到的CuW合金中W的重量百分比为20％～40％wt。
步骤二中CuCrZr合金中Cr重量百分比为0.05％～1.0％wt，Zr的重量百分比为0.05％～1.0％wt。
步骤二中CuCrZr合金配重试样块的选择原则为：根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，保证CuCrZr配重对CuW试样块的压力在0.5～1MPa范围内。
步骤二中两步烧结法具体为：将石墨坩埚在气氛真空两用烧结炉中，在氢气气氛中从室温加热至900～1100℃，加热速率3～10℃/min；当温度达到900～1100℃时，停止通入氢气，开始抽真空，并保持在该温度，直至真空度升至10-3Pa，继续以5～7℃/min升温至1300～1450℃，然后保温2～6h。
步骤三中固溶温度为800～1200℃，时间1～3h。
步骤三中时效温度为200～600℃，时间2～6h。
本发明的有益效果是：
本发明采用两步烧结法，第一段中采用氢气还原气氛还原净化CuW及CuCrZr合金；第二段采用高真空可以保证CuCrZr合金及连接界面不被氧化，同时Cr和Zr元素会向CuW基体中扩散，实现CuW合金与CuCrZr合金的冶金结合，从而获得界面结合力高的CuW/CuCrZr整体触头。
经本发明步骤三热处理后CuW/CuCrZr界面的连接强度不小于320MPa。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体按照如下步骤实施：
步骤一，将一定量的钨粉冷压成坯，在1200℃～1400℃进行烧结，保温2～6h，随炉冷却得到烧结好的钨块，在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1200℃～1450℃熔渗，保温2～6h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金，其中，CuW合金中W的重量百分比为20％～40％wt；
步骤二，将CuW与CuCrZr合金的待连接面加工并清洗干净，使CuW合金放置于CuCrZr合金上方，并置于石墨坩埚中于气氛真空两用烧结炉中，用两步烧结法实现CuW合金与CuCrZr合金的连接，具体为：将石墨坩埚在气氛真空两用烧结炉中，在氢气气氛中从室温加热至900～1100℃，加热速率3～10℃/min；当温度达到900～1100℃时，停止通入氢气，开始抽真空，并保持在该温度，直至真空度升至10-3Pa，继续以5～7℃/min升温至1300～1450℃，然后保温2～6h，得到CuW/CuCrZr整体合金块；其中，CuCrZr合金中Cr重量百分比为0.05％～1.0％wt，Zr的重量百分比为0.05％～1.0％wt；CuCrZr合金配重试样块的选择原则为：根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，保证CuCrZr配重对CuW试样块的压力在0.5～1MPa范围内；
步骤三，将步骤二得到的CuW/CuCrZr整体合金块进行固溶及时效处理，固溶温度为800～1200℃，时间1～3h，时效温度为200～600℃，时间2～6h，得到连接好的CuW/CuCrZr合金。
实施例一：
一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体为：将一定量的钨粉冷压成坯，在1300℃进行烧结，保温3h，随炉冷却后开始熔渗。在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1200℃熔渗，保温2h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金。随后将CuW合金与CuCrZr合金加工成一定尺寸的试样块，机加工切削掉CuW合金的表面氧化层，然后用100#砂轮片打磨处理CuCrZr合金试样块表面，随后用柔和的布或纸粘上酒精将表面油污擦干净。将CuW合金试样块放置在CuCrZr试样块的下方，并在CuCrZr合金试样块上方放置CuCrZr配重试样块进行配重；根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，使CuCrZr配重对CuW试样块的压力在0.5MPa。将试样块按顺序共同放入石墨模具中，置于真空炉中分两段加热，在室温～900℃升温速率为7℃/min，加热时通入氢气。当温度达到900℃时，停止通入氢气，迅速运行真空系统开始抽真空，保温一定时间，直至真空度升至10-3pa以上，保持此真空度，升温至1350℃，升温速率为5℃/min，然后保温3h，随炉冷却。最后将所得式样热处理，热处理后CuW/CuCrZr界面的连接强度为340.7MPa，具体参数为：固溶温度900℃，时间2h。时效温度为300℃，时间4h。经后续机械加工即可得到CuW/CuCrZr合金触头。
实施例二：
一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体为：将一定量的钨粉冷压成坯，在1200℃进行烧结，保温2h，随炉冷却后开始熔渗。在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1250℃熔渗，保温2h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金。随后将CuW合金与CuCrZr合金加工成一定尺寸的试样块，机加工切削掉CuW合金的表面氧化层，然后用100#砂轮片打磨处理CuCrZr合金试样块表面，随后用柔和的布或纸粘上酒精将表面油污擦干净。将CuW合金试样块放置在CuCrZr试样块的下方，并在CuCrZr合金试样块上方放置CuCrZr配重试样块进行配重；根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，使CuCrZr配重对CuW试样块的压力在0.5MPa。将试样块按顺序共同放入石墨模具中，置于真空炉中分两段加热，在室温～900℃升温速率为4℃/min，加热时通入氢气。当温度达到900℃时，停止通入氢气，迅速运行真空系统开始抽真空，保温一定时间，直至真空度升至10-3pa以上，保持此真空度，升温至1350℃，升温速率为6℃/min，然后保温3h，随炉冷却。最后将所得式样热处理，热处理后CuW/CuCrZr界面的连接强度为339.6MPa，具体参数为：固溶温度900℃，时间1h。时效温度为300℃，时间2h。经后续机械加工即可得到CuW/CuCrZr合金触头。
实施例三：
一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体为：将一定量的钨粉冷压成坯，在1300℃进行烧结，保温4h，随炉冷却后开始熔渗。在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1350℃熔渗，保温4h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金。随后将CuW合金与CuCrZr合金加工成一定尺寸的试样块，机加工切削掉CuW合金的表面氧化层，然后用100#砂轮片打磨处理CuCrZr合金试样块表面，随后用柔和的布或纸粘上酒精将表面油污擦干净。将CuW合金试样块放置在CuCrZr试样块的下方，并在CuCrZr合金试样块上方放置CuCrZr配重试样块进行配重；根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，使CuCrZr配重对CuW试样块的压力在0.8MPa。将试样块按顺序共同放入石墨模具中，置于真空炉中分两段加热，在室温～900℃升温速率为7℃/min，加热时通入氢气。当温度达到900℃时，停止通入氢气，迅速运行真空系统开始抽真空，保温一定时间，直至真空度升至10-3pa以上，保持此真空度，升温至1300℃，升温速率为5℃/min，然后保温3h，随炉冷却。最后将所得式样热处理，热处理后CuW/CuCrZr界面的连接强度为358.9MPa，具体参数为：固溶温度1000℃，时间1h。时效温度为600℃，时间5h。经后续机械加工即可得到CuW/CuCrZr合金触头。
实施例四：
一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体为：将一定量的钨粉冷压成坯，在1400℃进行烧结，保温6h，随炉冷却后开始熔渗。在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1450℃熔渗，保温6h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金。随后将CuW合金与CuCrZr合金加工成一定尺寸的试样块，机加工切削掉CuW合金的表面氧化层，然后用100#砂轮片打磨处理CuCrZr合金试样块表面，随后用柔和的布或纸粘上酒精将表面油污擦干净。将CuW合金试样块放置在CuCrZr试样块的下方，并在CuCrZr合金试样块上方放置CuCrZr配重试样块进行配重；根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，使CuCrZr配重对CuW试样块的压力在1.0MPa。将试样块按顺序共同放入石墨模具中，置于真空炉中分两段加热，在室温～900℃升温速率为8℃/min，加热时通入氢气。当温度达到900℃时，停止通入氢气，迅速运行真空系统开始抽真空，保温一定时间，直至真空度升至10-3pa以上，保持此真空度，升温至1350℃，升温速率为7℃/min，然后保温3h，随炉冷却。最后将所得式样热处理，热处理后CuW/CuCrZr界面的连接强度为355.4MPa，具体参数为：固溶温度1200℃，时间3h。时效温度为300℃，时间4h。经后续机械加工即可得到CuW/CuCrZr合金触头。
实施例五：
一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，具体为：将一定量的钨粉冷压成坯，在1400℃进行烧结，保温3h，随炉冷却后开始熔渗。在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1450℃熔渗，保温2h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金。随后将CuW合金与CuCrZr合金加工成一定尺寸的试样块，机加工切削掉CuW合金的表面氧化层，然后用100#砂轮片打磨处理CuCrZr合金试样块表面，随后用柔和的布或纸粘上酒精将表面油污擦干净。将CuW合金试样块放置在CuCrZr试样块的下方，并在CuCrZr合金试样块上方放置CuCrZr配重试样块进行配重；根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，使CuCrZr配重对CuW试样块的压力在0.8MPa。将试样块按顺序共同放入石墨模具中，置于真空炉中分两段加热，在室温～900℃升温速率为7℃/min，加热时通入氢气。当温度达到900℃时，停止通入氢气，迅速运行真空系统开始抽真空，保温一定时间，直至真空度升至10-3pa以上，保持此真空度，升温至1400℃，升温速率为5℃/min，然后保温3h，随炉冷却。最后将所得式样热处理，热处理后CuW/CuCrZr界面的连接强度为348.6MPa，具体参数为：固溶温度1200℃，时间2h。时效温度为600℃，时间6h。经后续机械加工即可得到CuW/CuCrZr合金触头。
本发明生成的CuW/CuCrZr整体合金块的结合界面无明显裂纹、气孔和夹杂，且无Cr和Zr元素的偏聚、氧化及金属间化合物的生成。

Claims (6)

1.一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤一，将一定量的钨粉冷压成坯，在1200℃～1400℃进行烧结，保温2～6h，随炉冷却得到烧结好的钨块，在烧结好的钨块上方，放置一定量的CuCrZr合金块，然后置于真空炉中在1200℃～1450℃熔渗，保温2～6h后随炉冷却，得到熔渗后的CuW合金；
步骤二，将CuW与CuCrZr合金的待连接面加工并清洗干净，使CuW合金放置于CuCrZr合金上方，并置于石墨坩埚中于气氛真空两用烧结炉中，用两步烧结法实现CuW合金与CuCrZr合金的连接，得到CuW/CuCrZr整体合金块；两步烧结法具体为：将石墨坩埚在气氛真空两用烧结炉中，在氢气气氛中从室温加热至900～1100℃，加热速率3～10℃/min；当温度达到900～1100℃时，停止通入氢气，开始抽真空，并保持在该温度，直至真空度升至10-3Pa，继续以5～7℃/min升温至1300～1450℃，然后保温2～6h；
步骤三，将步骤二得到的CuW/CuCrZr整体合金块进行固溶及时效处理，得到连接好的CuW/CuCrZr合金。
2.根据权利要求1所述的一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，其特征在于，所述步骤一得到的CuW合金中W的重量百分比为20％～40％wt。
3.根据权利要求2所述的一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，其特征在于，所述步骤二中CuCrZr合金中Cr重量百分比为0.05％～1.0％wt，Zr的重量百分比为0.05％～1.0％wt。
4.根据权利要求3所述的一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，其特征在于，所述步骤二中CuCrZr合金配重试样块的选择原则为：根据CuCrZr配重试样块与CuW接触面积，保证CuCrZr配重对CuW试样块的压力在0.5～1MPa范围内。
5.根据权利要求4所述的一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，其特征在于，所述步骤三中固溶温度为800～1200℃，时间1～3h。
6.根据权利要求4所述的一种CuW合金与CuCrZr合金的连接方法，其特征在于，所述步骤三中时效温度为200～600℃，时间2～6h。
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