CN114393211A - 利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，具体为：步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为30％～80％、余量为Ni；步骤2，将原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；步骤3，将加工好的低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；步骤4，低碳钢、铜镍冷压坯块和Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结、冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料。本发明解决了现有铜和钢二者在通过冶金结合时，连接界面存在微小孔洞，影响二者结合强度的问题。
Description
技术领域
本发明属于异质双金属连接技术领域，涉及利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法。
背景技术
随着科技的发展，对电力系统的要求越来越高，断路器在保证特高压电网运行稳定性与安全性方面有着至关重要的作用。切断电路过程主要是依靠断路器中的电触头来完成，制作电触头主要材料为钨铜复合材料。实际应用中，通常采用螺钉、铆钉等连接方式将铜钨合金与钢支撑夹具连接在一起，不利于铜钨合金的散热；其次使得单件生产成本过高；同时零部件占用空间较大，无法适应断路器小型化的发展需求。此外，国内有对铜和钢进行钎焊的研究，研究表明，在不添加任何元素的情况下，由于铜和钢在熔融状态下不润湿现象，使得二者在通过冶金结合时，连接界面产生微小孔洞，在进行拉伸强度测试时成为裂纹的扩展源，极大的影响了二者结合强度。
发明内容
本发明的目的是提供利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，解决了现有铜和钢二者在通过冶金结合时，连接界面存在微小孔洞，影响二者结合强度的问题。
本发明所采用的技术方案是，利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为30％～80％、余量为Ni，以上原料的元素摩尔百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；
步骤3，将低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；
步骤4，步骤3处理的低碳钢、步骤2得到的铜镍冷压坯块和步骤3处理的Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结、冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料。
本发明的特征还在于，
步骤1中，Cu和Ni采用气雾化法制备得到，Cu和Ni的纯度均为99.9％，Cu和Ni的粒径均为10～500μm。
步骤2中，混合过程时采用的球料比为1～40:1，混合时间为16～24h。
步骤2中，压制采用的压力为100Mpa～500Mpa，压制时间为10～50s。
步骤3的具体过程为：将低碳钢块和Cu/W合金块放入烧杯中，并向烧杯中加入酒精至低碳钢和Cu/W合金块完全被浸没，将烧杯放入超声波清洗器中进行清洗20～30min，取出干燥备用；
其中，低碳钢采用经车削加工后的，加工后的低碳钢的高为10mm，直径为20mm；Cu/W合金块高为8mm直径为20mm。
步骤4中，抽真空达到的真空度为1×10-2Pa～1×10-3Pa。
步骤4中，烧结具体为：先以10℃/min～25℃/min的升温速度升温至800℃～1000℃，保温20min～40min后，再以10℃/min～25℃/min的升温速度升温至1200℃～1500℃，保温2～3小时。
步骤4中，冷却速率为3℃/min～10℃/min。
本发明的有益效果是，本发明方法中用于作为中间的原料成本低廉，整体制备工艺简单易于实现，铜作为材料中唯一能够融化的组元能够降低烧结温度，缩短烧结时间，实现活化烧结，降低生产成本，镍具备良好的与铜和钢以及钨进行互扩散的性能，并且能够抑制铁原子与钨互扩散形成FeW、Fe2W等金属间化合物，使得烧结得到的CuW/低碳钢整体材料具有良好的界面结合强度，同时具备良好的导热性能。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明实施例1的显微硬度测试图；
图3是本发明实施例2的显微硬度测试图；
图4是本发明实施例1的XRD物相分析结果；
图5是本发明实施例2的XRD物相分析结果；
图6是本发明制备的CuW/低碳钢整体材料的界面SEM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。
本发明提供一种利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为30％～80％、余量为Ni，以上原料的元素摩尔百分比之和为100％；
Cu和Ni采用气雾化法制备得到，Cu和Ni的纯度均为99.9％，Cu和Ni的粒径均为10～500μm；
步骤2，将步骤1称取的原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；
混合过程时采用的球料比为1～40:1，混合时间为16～24h；
压制采用的压力为100Mpa～500Mpa，压制时间为10～50s；
步骤3，将低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；
将低碳钢和Cu/W合金块低碳钢放入烧杯中，并向烧杯中加入酒精至低碳钢和Cu/W合金块完全被浸没，将烧杯放入KQ-50DE型数控超声波清洗器中进行清洗20～30min，取出干燥备用；
其中，低碳钢采用经车削加工后的，加工后的低碳钢的高为10mm，直径为20mm；Cu/W合金块高为8mm直径为20mm；
步骤4，步骤3处理的低碳钢、步骤2得到的铜镍冷压坯块和步骤3处理的Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空至真空度为1×10-2Pa～1×10-3Pa，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结，以3℃/min～10℃/min的速率冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料；
烧结具体为：先以10℃/min～25℃/min的升温速度升温至800℃～1000℃，保温20min～40min后，再以10℃/min～25℃/min的升温速度升温至1200℃～1500℃，保温2～3小时。
铜作为本发明中必须的元素之一，其在烧结过程中能够降低烧结温度，进行活化烧结，镍与铜、钨、铁都有良好原子亲和力能够与其三者都相互扩散，并且能够抑制铁原子与钨互扩散形成FeW、Fe2W等脆性金属间化合物生成，提高结合面强度。
原料经过混合后能够实现一定的机械结合(冷焊)，为后面的高温烧结做一定的准备；采用冷压机对混合好的粉末压制成坯块，能够使粉末实现一定的机械结合，以及便于控制用量，控制合金片层厚度。
预处理采用KQ-50DE型数控超声波清洗器除去CuW合金块、低碳钢表面在车削加工过程中沾染的油污和各种脏物，防止其对后续烧结产生影响。
采用氢气气氛保护，能够防止材料在烧结过程中连接界面发生氧化产生的金属氧化物影响铜在界面处的润湿性，同时抑制高熵合金在界面处的扩散。
实施例1
步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为80％、余量为Ni，以上原料的元素摩尔百分比之和为100％；
Cu和Ni采用气雾化法制备得到，Cu和Ni的纯度均为99.9％，Cu和Ni的粒径均为10～500μm；
步骤2，将步骤1称取的原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；
混合过程时采用的球料比为20:1，混合时间为24h；
压制采用的压力为260Mpa，压制时间为30s；
步骤3，将加工好的低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；
将加工好的低碳钢和Cu/W合金块放入烧杯中，并向烧杯中加入酒精至低碳钢和Cu/W合金块完全被浸没，将烧杯放入KQ-50DE型数控超声波清洗器中进行清洗20min，取出干燥备用；
步骤4，步骤3处理的低碳钢、步骤2得到的铜镍冷压坯块和步骤3处理的Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空至真空度为1×10-2Pa，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结，以4℃/min的速率冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料；
烧结具体为：先以20℃/min的升温速度升温至1000℃，保温30min后，再以15℃/min的升温速度升温至1380℃，保温3小时。
由图6可以看出，合金夹层均能够充分溶解，并扩散到界面两侧的异质材料中，与界面两侧的异质材料熔合性较好，在界面上没有未熔物残留，同时在CuW/低碳钢界面上发生了冶金扩散与溶解，使原先彼此不相溶的Cu、W两相在Cu-W相界面处产生了冶金结合。
实施例2
步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为60％、余量为Ni，以上原料的元素摩尔百分比之和为100％；
Cu和Ni采用气雾化法制备得到，Cu和Ni的纯度均为99.9％，Cu和Ni的粒径均为10～500μm；
步骤2，将步骤1称取的原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；
混合过程时采用的球料比为40：1，混合时间为24h；
压制采用的压力为260Mpa，压制时间为30s；
步骤3，将加工好的低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；
将加工好的低碳钢和Cu/W合金块放入烧杯中，并向烧杯中加入酒精至低碳钢和Cu/W合金块完全被浸没，将烧杯放入KQ-50DE型数控超声波清洗器中进行清洗20min，取出干燥备用；
步骤4，步骤3处理的低碳钢、步骤2得到的铜镍冷压坯块和步骤3处理的Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空至真空度为1×10-2Pa，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结，以4℃/min的速率冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料；
烧结具体为：先以20℃/min的升温速度升温至1000℃，保温30min后，再以15℃/min的升温速度升温至1330℃，保温3小时。
实施例3
步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为30％、余量为Ni，以上原料的元素摩尔百分比之和为100％；
Cu和Ni采用气雾化法制备得到，Cu和Ni的纯度均为99.9％，Cu和Ni的粒径均为10～500μm；
步骤2，将步骤1称取的原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；
混合过程时采用的球料比为1：1，混合时间为16h；
压制采用的压力为500Mpa，压制时间为10s；
步骤3，将加工好的低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；
将加工好的低碳钢和Cu/W合金块放入烧杯中，并向烧杯中加入酒精至低碳钢和Cu/W合金块完全被浸没，将烧杯放入KQ-50DE型数控超声波清洗器中进行清洗30min，取出干燥备用；
步骤4，步骤3处理的低碳钢、步骤2得到的铜镍冷压坯块和步骤3处理的Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空至真空度为1×10-3Pa，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结，以10℃/min的速率冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料；
烧结具体为：先以25℃/min的升温速度升温至800℃，保温40min后，再以25℃/min的升温速度升温至1500℃，保温2小时。
实施例4
步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为60％、余量为Ni，以上原料的元素摩尔百分比之和为100％；
Cu和Ni采用气雾化法制备得到，Cu和Ni的纯度均为99.9％，Cu和Ni的粒径均为10～500μm；
步骤2，将步骤1称取的原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；
混合过程时采用的球料比为40：1，混合时间为20h；
压制采用的压力为100Mpa，压制时间为50s；
步骤3，将加工好的低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；
将加工好的低碳钢和Cu/W合金块放入烧杯中，并向烧杯中加入酒精至低碳钢和Cu/W合金块完全被浸没，将烧杯放入KQ-50DE型数控超声波清洗器中进行清洗25min，取出干燥备用；
步骤4，步骤3处理的低碳钢、步骤2得到的铜镍冷压坯块和步骤3处理的Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空至真空度为1×10-3Pa，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结，以3℃/min的速率冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料；
烧结具体为：先以10℃/min的升温速度升温至900℃，保温20min后，再以10℃/min的升温速度升温至1200℃，保温2小时。
本发明对实施例1和实施例2进行了显微硬度测试，如图2和图3所示，共测试五处位置，结果如表1所示；
表1为实施例1与实施例2显微硬度测试结果
由表1可知，当镍含量增加时材料中间夹层的维氏硬度有所降低，并结合图4和图5分析可得，当镍含量升高时，中间层硬度降低，其原因是，镍与铁原子的化学亲和力强于铁与钨，当铜发生融化时，中间层的镍首先铁元素结合，减少了铁与钨生成金属化合物这种硬脆相的机会，从整体上看其结果是镍原子阻碍了铁与钨结合生成Fe2W导致了中间层硬度的降低。
Claims (8)
1.利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按元素摩尔百分比称取以下原料：Cu为30％～80％、余量为Ni，以上原料的元素摩尔百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的原料进行混合，然后利用冷压机压制成铜镍冷压坯块；
步骤3，将低碳钢和Cu/W合金块进行预处理；
步骤4，步骤3处理的低碳钢、步骤2得到的铜镍冷压坯块和步骤3处理的Cu/W合金块从下至上依次叠放入坩埚中，将坩埚置于真空炉中进行抽真空，再向真空炉中充入高纯氢气至常压，烧结、冷却至室温，得到CuW/低碳钢异质双金属材料。
2.根据权利要求1所述的利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，步骤1中，Cu和Ni采用气雾化法制备得到，Cu和Ni的纯度均为99.9％，Cu和Ni的粒径均为10～500μm。
3.根据权利要求1所述的利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，步骤2中，混合过程时采用的球料比为1～40:1，混合时间为16～24h。
4.根据权利要求1所述的利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，步骤2中，压制采用的压力为100Mpa～500Mpa，压制时间为10～50s。
5.根据权利要求1所述的利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：将低碳钢和Cu/W合金块放入烧杯中，并向烧杯中加入酒精至低碳钢和Cu/W合金块完全被浸没，将烧杯放入超声波清洗器中进行清洗20～30min，取出干燥备用。
6.根据权利要求1所述的利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，步骤4中，抽真空达到的真空度为1×10-2Pa～1×10-3Pa。
7.根据权利要求1所述的利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，步骤4中，烧结具体为：先以10℃/min～25℃/min的升温速度升温至800℃～1000℃，保温20min～40min后，再以10℃/min～25℃/min的升温速度升温至1200℃～1500℃，保温2～3小时。
8.根据权利要求1所述的利用铜镍粉末夹层制备CuW/低碳钢整体材料的方法，其特征在于，步骤4中，冷却速率为3℃/min～10℃/min。
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