CN114628179B - 一种铜钨合金与铜合金的连接方法 - Google Patents

一种铜钨合金与铜合金的连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜钨合金与铜合金的连接方法，包括：将一定量的钨粉冷压成坯后烧结，在烧结好的钨块上方，放置一定量的铜合金块熔渗；再在熔渗好的铜钨合金待连接面抛光后电镀一定厚度的Ag层，然后将铜合金试样块放置于经表面切削的铜钨合金试样块上方，置于气氛加热炉中加热进行连接；最后通过固溶及时效处理得到铜钨合金‑铜合金复合材料触头。本发明通过将电镀Ag层作为中间连接层，既实现了CuW与Cu合金的高强度连接，又减小了过渡层对CuW/Cu合金整体触头导电率的影响。

Description

一种铜钨合金与铜合金的连接方法
技术领域
本发明涉及一种铜钨合金与铜合金的连接方法，适用于制造高压电器开关和断路器的触头。
背景技术
在电接触领域，铜钨合金因其良好的导电导热性、耐压值高、分断电流能力强、耐电弧烧蚀、抗材料转移能力强、抗熔焊性能优良，以及接触电阻低等优良性能，从出现之后即用于高压开关电器的电触头材料。铜钨合金需要与铜合金连接制备成整体触头，以同时兼顾电触头零部件的界面结合强度与导电能力。
目前国内外高压触头连接主要有以下四种方法：
1.钎焊
焊接时变形小，所以尺寸精度容易控制，很容易实现异种材料的连接。但是受钎焊焊接工艺的制约，结合面形状在一定程度上受到限制。
2.热等静压扩散焊
扩散焊需使待焊表面相接触，通过使界面产生液相或微量塑性变形增大物理接触。其连接的触头接头质量好，连接强度高，变形小。然而由于接合面要求高，其应用受到限制，且成本较高。
3.电子束焊
电子束焊焊接时无需焊料，也无焊缝结构，连接速度快，热影响区小，焊接强度高，接头质量好。但是由于电子束焊仍然是热熔焊，在焊缝附近的铜同样会发生退火而软化，从而影响其性能。此外，电子束焊的结合面必须为平面，这一缺点也限制了其应用。
随着电网容量的增加，对触头导电能力和界面结合强度提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜钨合金与铜合金的连接方法，解决了现有连接技术难以实现铜钨合金与铜合金高强度连接的问题。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种铜钨合金与铜合金的连接方法，包括以下步骤：
步骤一：熔渗
将一定量的钨粉冷压成坯，利用熔渗制备得到CuW合金；
步骤二：电镀
将步骤一得到的CuW合金待连接面抛光处理，然后在抛光面电镀一层Ag；
步骤三：连接
将步骤二中镀Ag后的CuW合金置于高纯石墨坩埚中，在Ag层顶部放置Cu合金，最后置于气氛烧结炉中加热并保温一定的时间，然后随炉冷却；
步骤四：热处理
将步骤三中连接好的合金块进行固溶及时效处理。
本发明进一步的改进在于，所述步骤一中，CuW合金中Cu含量为15wt％～35wt％。
本发明进一步的改进在于，所述步骤一中，熔渗温度为1150～1400℃，保温时间为1～4h。
本发明进一步的改进在于，所述步骤二中，在CuW表面Ag电镀层的厚度为0.5～500μm。
本发明进一步的改进在于，所述步骤三中，Cu合金成分中Cr为0.05wt％～1.0wt％，Zr为0～1.0wt％，其余为Cu。
本发明进一步的改进在于，所述步骤三中，气氛烧结炉中加热的具体参数为：以8～15℃/min的速度升温到960℃，保温0.5～1h后以2～5℃/min升温到1200～1450℃，保温2～6h，然后随炉冷却。
本发明进一步的改进在于，所述步骤四中，固溶温度为800～1100℃，时间1～3h。
本发明进一步的改进在于，所述步骤四中，时效温度为200～600℃，时间10～100h。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明突出的特点体现在选择Ag作为中间过渡层，在高温下Ag可以与Cu发生互扩散，不仅实现CuW合金和Cu合金的高强度连接，Ag镀层还可通过扩散完成自消耗，进而完全消除过渡层界面，界面结合强度显著高于原有焊接界面；此外，室温下Ag与W不互溶，且在Cu中的溶解度极小，因此扩散到Cu中的Ag可以通过热处理工艺的调整，实现Ag的接近完全析出，减小对导电的影响，进而获得更高导电率的CuW/Cu合金整体触头。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然以下公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
实施例一：
步骤一：熔渗
将一定量的钨粉冷压成坯，利用熔渗制备得到CuW70合金，熔渗温度为1290℃，保温时间为2h；
步骤二：电镀
将步骤一得到的CuW合金待连接面抛光处理后，在抛光面电镀50μm厚度的Ag层；
步骤三：连接
将步骤二中镀Ag后的CuW70合金置于高纯石墨坩埚中，在Ag层顶部放置Cu合金，Cu合金成分Cr为0.05wt％，Zr为0.2wt％。最后置于气氛烧结炉中加热并保温一定的时间，具体工艺为以8℃/min的速度升温到960℃，保温0.5h后以2℃/min升温到1200℃，保温2h，然后随炉冷却；
步骤四：热处理
将步骤三中连接好的合金块进行固溶及时效处理，具体参数为固溶温度800℃，时间1h。时效温度为200℃，时间20h。经后续机械加工即可得到铜钨/铜合金触头，检测表明Ag元素均匀分布在CuW和Cu合金基体中，界面处不存在金属间化合物，界面结合强度为334MPa，远高于GB/T 8320-2017要求的226MPa。
实施例二：
步骤一：熔渗
将一定量的钨粉冷压成坯，利用熔渗制备得到CuW75合金，熔渗温度为1310℃，保温时间为1.5h；
步骤二：电镀
将步骤一得到的CuW合金待连接面抛光处理后，在抛光面电镀100μm厚度的Ag层；
步骤三：连接
将步骤二中镀Ag后的CuW75合金置于高纯石墨坩埚中，在Ag层顶部放置Cu合金，Cu合金成分Cr为0.1wt％，Zr为0.4wt％。最后置于气氛烧结炉中加热并保温一定的时间，具体工艺为以10℃/min的速度升温到960℃，保温1h后以3℃/min升温到1250℃，保温3h，然后随炉冷却；
步骤四：热处理
将步骤三中连接好的合金块进行固溶及时效处理，具体参数为固溶温度900℃，时间2h。时效温度为300℃，时间40h。经后续机械加工即可得到铜钨/铜合金触头，检测表明Ag元素均匀分布在CuW和Cu合金基体中，界面处不存在金属间化合物，界面结合强度为318MPa，远高于GB/T 8320-2017要求的226MPa。
实施例三：
步骤一：熔渗
将一定量的钨粉冷压成坯，利用熔渗制备得到CuW80合金，熔渗温度为1330℃，保温时间为2h；
步骤二：电镀
将步骤一得到的CuW合金待连接面抛光处理后，在抛光面电镀100μm厚度的Ag层；
步骤三：连接
将步骤二中镀Ag后的CuW合金置于高纯石墨坩埚中，在Ag层顶部放置Cu合金，Cu合金成分Cr为0.1wt％，Zr为0.4wt％。最后置于气氛烧结炉中加热并保温一定的时间，具体工艺为以10℃/min的速度升温到960℃，保温1h后以3℃/min升温到1300℃，保温4h，然后随炉冷却；
步骤四：热处理
将步骤三中连接好的合金块进行固溶及时效处理，具体参数为固溶温度1000℃，时间1h。时效温度为400℃，时间60h。经后续机械加工即可得到铜钨/铜合金触头，检测表明Ag元素均匀分布在CuW80和Cu合金基体中，界面处不存在金属间化合物，界面结合强度为342MPa，远高于GB/T 8320-2017要求的226MPa。
实施例四：
步骤一：熔渗
将一定量的钨粉冷压成坯，利用熔渗制备得到CuW70合金，熔渗温度为1300℃，保温时间为1.5h；
步骤二：电镀
将步骤一得到的CuW合金待连接面抛光处理后，在抛光面电镀100μm厚度的Ag层；
步骤三：连接
将步骤二中镀Ag后的CuW合金置于高纯石墨坩埚中，在Ag层顶部放置Cu合金，Cu合金成分Cr为0.1wt％，Zr为0.4wt％。最后置于气氛烧结炉中加热并保温一定的时间，具体工艺为以10℃/min的速度升温到960℃，保温1h后以3℃/min升温到1400℃，保温4h，然后随炉冷却；
步骤四：热处理
将步骤三中连接好的合金块进行固溶及时效处理，具体参数为固溶温度1100℃，时间1h。时效温度为500℃，时间80h。经后续机械加工即可得到铜钨/铜合金触头，检测表明Ag元素均匀分布在CuW70和Cu合金基体中，界面处不存在金属间化合物，界面结合强度为346MPa，远高于GB/T 8320-2017要求的226MPa。
实施例五：
步骤一：熔渗
将一定量的钨粉冷压成坯，利用熔渗制备得到CuW80合金，熔渗温度为1350℃，保温时间为2h；
步骤二：电镀
将步骤一得到的CuW合金待连接面抛光处理后，在抛光面电镀100μm厚度的Ag层；
步骤三：连接
将步骤二中镀Ag后的CuW合金置于高纯石墨坩埚中，在Ag层顶部放置Cu合金，Cu合金成分Cr为0.1wt％，Zr为0.4wt％。最后置于气氛烧结炉中加热并保温一定的时间，具体工艺为以10℃/min的速度升温到960℃，保温1h后以3℃/min升温到1450℃，保温4h，然后随炉冷却；
步骤四：热处理
将步骤三中连接好的合金块进行固溶及时效处理，具体参数为固溶温度1000℃，时间2h。时效温度为600℃，时间100h。经后续机械加工即可得到铜钨/铜合金触头，检测表明Ag元素均匀分布在CuW和Cu合金基体中，界面处不存在金属间化合物，界面结合强度为322MPa，远高于GB/T 8320-2017要求的226MPa。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种铜钨合金与铜合金的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：熔渗
将一定量的钨粉冷压成坯，利用熔渗制备得到CuW合金；CuW合金中Cu含量为15wt％～35wt％；熔渗温度为1150～1400℃，保温时间为1～4h；
步骤二：电镀
将步骤一得到的CuW合金待连接面抛光处理，然后在抛光面电镀一层Ag；在CuW表面Ag电镀层的厚度为0.5～100μm；
步骤三：连接
将步骤二中镀Ag后的CuW合金置于高纯石墨坩埚中，在Ag层顶部放置Cu合金，最后置于气氛烧结炉中加热并保温一定的时间，然后随炉冷却；气氛烧结炉中加热的具体参数为：以8～15℃/min的速度升温到960℃，保温0.5～1h后以2～5℃/min升温到1200～1450℃，保温2～6h，然后随炉冷却；
步骤四：热处理
将步骤三中连接好的合金块进行固溶及时效处理。
2.根据权利要求1以所述的一种铜钨合金与铜合金的连接方法，其特征在于，所述步骤三中，Cu合金成分中Cr为0.05wt％～1.0wt％，Zr为0～1.0wt％，其余为Cu。
3.根据权利要求1以所述的一种铜钨合金与铜合金的连接方法，其特征在于，所述步骤四中，固溶温度为800～1100℃，时间1～3h。
4.根据权利要求1以所述的一种铜钨合金与铜合金的连接方法，其特征在于，所述步骤四中，时效温度为200～600℃，时间10～100h。
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