CN1483535A

CN1483535A - 铜基电极粉末形变复合材料制备方法

Info

Publication number: CN1483535A
Application number: CNA031324754A
Authority: CN
Inventors: 王尔德; 胡连喜; 于洋; 孙宏飞; 刘祖岩
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2004-03-24
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: CN1233492C

Abstract

铜基电极粉末形变复合材料制备方法，它涉及一种复合材料的制备方法。它采用Cu和Cr或W和Cu单质粉末为原料，第一步进行机械球磨制粉；第二步进行冷压制坯；第三步进行真空固相烧结，第四步为热静液挤压，采用石墨和玻璃混合物为润滑剂，石墨粉和玻璃粉体积比为8∶(1.5～2.5)，剂压时将润滑剂制成润滑介质套，润滑介质套的内腔与烧结坯的大小形状相同，将烧结坯放入润滑介质套中，用压头对润滑介质套和烧结坯加压，所施加的压力由0增至1000～1200MPa，然后稳定至500MPa，总挤压时间为3～5秒。它解决了传统烧结熔渗技术存在的材料的致密度低、两相结合差等问题；它还解决了目前形变复合材料制备中大变形需求，难以在工程应用的难题。

Description

铜基电极粉末形变复合材料制备方法

技术领域：本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及W-Cn、Cu-Cr粉末形变复合材料的制备方法。

背景技术：随着我国各工业产业的高速发展，各种新型电器不断被研制、推广与应用，各种电加工技术也日益普遍地被采用，这些都对电工材料提出了更高的要求。高强度铜基电极材料(主要是钨铜和铜铬材料)既具有优良导电性，又具有高强度和优越高温性能，表现出良好的抗烧蚀、抗溶焊、低截流等特性，被用来制造各种触头、电极等，广泛应用于机械、电子，航空航天等领域。目前，铜基电极材料被认为是极有发展潜力和应用前景的新型功能材料，已逐渐受到各国的高度重视。但是，由于钨与铜，铜与铬是互不相溶的，传统的采用粉末冶金法获取完全致密的粉末材料在工艺上有很大的难度，材料的完全致密化一直是未能很好解决的问题。材料不完全致密将大大降低其各种性能。相对密度低于99.5％的材料一般不能作为电火花加工用电极。目前较为成熟的溶渗法和烧结法仍存在许多难以避免的问题。如溶渗法易产生微孔、孔洞及氧化物残渣等，会大大地降低材料的稳定性，而且对材料成分有很大的限制，含铜量高时则不能用溶渗法来生产。烧结法虽然可以制备任意成分的合金材料，且工艺简单，成本低，但仍难以保证致密化的要求。从目前的研究来看，铜基形变复合材料是最有吸引力的复合方法。形变法制造的金属/金属复合材料是在韧性的两相材料的机械加工过程(锻、挤、拉或轧)中形成的。两相共同变形，使次要相伸长并在母相基体中成为纤维状增强相。形成的复合材料很大程度上取决于初始材料的特性。而初始材料通常是用铸造法或粉末冶金法制造的合金锭。复合强化不会明显降低铜基体的导电性，将保持铜的良好的导电性和导热性，而且第二相一般是高熔点元素，可以改善材料的室温和高温性能。从而使这种复合材料在要求高强度和高导电性的领域具有极大的应用潜力。但是，为了获得细小的第二相纤维组织，必须经过大变形。这种大变形的真应变往往在5～10之间，甚至高达19，这样最终获得的材料只能是细丝或者薄片状的材料，使得这种材料的应用受到极大限制。最近文献记载有采用气体雾化的Cu-Nb和Cu-Fe合金粉末制得坯料，这要比铸造方法获得的颗粒细小。经相同形变量获得的复合材料强度要比采用凝固法制得坯料获得的复合材料强度高。但是，采用此方法存在一定的问题，为了减小获得粉末颗粒中细小的枝晶尺寸，必须采用较大的冷却速度，而较大的冷却速度使第二相枝晶发生退化，通过偏晶反应退化为球形，而此时球形尺寸往往大于枝晶尺寸，同时凝固技术限制了增强相的选择范围。粉末技术克服对增强相的选择几乎没有限制，组分的成分和体积分数基本不受限制，能将不互溶的两种金属或金属与金属化合物或金属与非金属制成复合粉，这是熔铸冶金办不到的。更为重要的是，通过一定的制备工艺，能够在初始复合粉中控制形成一定的组织结构。减小后续形变量，如果能够克服粉末的致密化问题，采用粉末冶金法获得高性能形变复合材料将具有很大的优越性。

发明内容：本发明提供一种铜基电极粉末形变复合材料制备方法，它解决了传统烧结熔渗技术存在的材料的致密度低、两相结合差等问题；它还解决了目前形变复合材料制备中大变形需求难以在工程应用的难题。本发明的铜基电极粉末形变复合材料制备方法是：采用Cu和Cr或W和Cu单质粉末为原料，第一步进行机械球磨制粉；第二步进行冷压制坯；第三步进行真空固相烧结，该过程的烧结温度为900～950℃，烧结时间为0.5～1.5小时；第四步为热静液挤压，在此过程中首先将烧结坯预热，采用石墨和玻璃混合物为润滑剂，石墨粉和玻璃粉体积比为8∶(1.5～2.5)，剂压时将润滑剂制成润滑介质套1，润滑介质套1的内腔2与烧结坯的大小形状相同，将烧结坯4放入润滑介质套1中，用压头3对润滑介质套1和烧结坯4加压，所施加的压力由0增至1000～1200MPa，然后稳定至500MPa，总挤压时间为3～5秒。上述第一步机械球磨制粉过程中，颗粒尺寸要在4μm以下。在第二步冷压制坯过程中，压力为800～900MPa，坯料的相对密度为75％～85％。以Cu和Cr单质粉末为原料，其比例为，Cu：40～90Wt％；Cr：10～60Wt％。以W和Cu单质粉末为原料，其比例为，W：50～80Wt％；Cu：20～50Wt％。本发明是一种新的制备高性能WCu、CuCr复合材料的方法，它克服现有传统烧结熔渗技术的缺点，即材料的致密度低，两相结合差；它克服目前形变复合材料制备中大变形需求难以工程应用的难题，提出高性能WCu、CuCr复合材料的制备新方法，获得良好的材料微观组织结构，具有良好的力学和电学综合性能。本发明的方法为采用Cu-(10～60wt％)Cr或W-(20～50wt％)Cu单质粉末，进行适当程度的高能球磨，对WCu或CuCr元素粉末进行大塑性变形，获得组元细化的层片状CuCr或WCu复合粉。将球磨后的复合粉冷压制后在真空炉中烧结初步致密，然后经热静液挤压塑性变形进一步形变和致密，获得高性能致密体的WCu、CuCr形变复合材料。粉末的高能球磨过程是一个粉末颗粒经历反复的锻延、冷焊合、断裂以及重焊的过程。在机械球磨过程，当球与球或球与桶壁碰撞时，捕获一定数量的粉末。碰撞力使粉末受到镦粗和剪切变形。不仅可以有效的细化晶粒组织，而且可以获得层片状的复合粉。各相的尺寸大小，可以减少后续的挤压变形量，获得相纤维状形变的复合材料。粉末经过球磨，可以细化相的晶粒组织，同时变形的结果是原始表面的钝化层被破碎，形成新的表面。表面原子具有较大的活性，有利于粒子间的焊合，对W/Cu、Cu/Cr相间的结合起到促进作用，强化相间的结合。获得适当的层片厚度是该球磨过程的关键。关系到各相的形态以及后续烧结致密形貌的稳定。球磨后的复合粉经冷压制后(相对密度约在80％左右)经真空固相烧结，获得相对密度约为95％。为兼顾到相的形态分布和微观晶粒组织(保持层片形貌和良好的亚微米晶粒尺寸)以及烧结致密度，适当的烧结温度和烧结时间是必要的。然后在适当的温度下进行热静液挤压，热静液挤压的挤压比为5～25之间，获得致密体，同时两相在材料内部呈形变的纤维条带状分布，在较小的变形量条件下，获得形变复合材料所要求的变形复合组织，提高材料的力学电学性能。棒材经适当热处理在一定程度上可以改变材料电学力学性能匹配。本发明克服了传统烧结溶渗致密度不高和不互溶两相的界面结合难题，以及常规形变复合材料制备方法采用大挤压比在工业上难以实际应用的难题。所获得的材料具有良好的组织性能，该方法可以应用在电火花电极、电阻焊电极以及真空开关触头材料的制备等领域。

附图说明：图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式一：本实施方式以单质Cu和Cr粉末为原料，其比例为Cu85Wt％；Cr15Wt％。其具体步骤如下：

1、Cu和Cr单质粉末经400rpm 3小时高能机械球磨塑性变形获得Cu/Cr层片复合粉末，层片尺寸在3μm以下。在自制MJ-1型搅拌式高能球磨机球磨，采用GCr15钢球6mm，球料比8∶1，转速400rpm，装球量(球体积/桶体的体积)0.2，采用真空充氢气保护，循环水冷却。球磨时间3小时。

2、Cu/Cr复合粉末经900MPa冷压制获得相对密度约为85％的坯料，在900～950℃真空烧结1小时，获得相对密度约为97％的烧结坯。

3、烧结坯在450℃预热20分钟(视坯料尺寸大小)后进行热静液挤压，挤压比为25，石墨玻璃混合物为润滑剂。挤压模具预热温度在200～250℃。挤压后的棒材相对密度可以达到99.5％左右。

4、材料微观组织：Cr相在复合材料中呈条带纤维状分布，Cu、Cr两相的晶粒均在亚微米级，晶粒成长条形，宽度在100～300nm，两相的界面结合良好，拉伸断口未出现两相的分裂现象。5、电学力学性能：室温拉伸强度670Mpa，延伸率为15％，宏观硬度165 Hv，软化温度大于600℃。电导率为67％IACS。高温压缩性能：压缩速率为3.33×10^-3 S^-1时，在600℃时，屈服强度130MPa，极限强度140MPa；800℃时，屈服强度125MPa，极限强度135MPa，压缩率50％以上。

具体实施方式二：本实施方式以单质W和Cu粉末为原料，其比例为W60Wt％；Cu40Wt％。其具体步骤如下：

1、W和Cu单质粉末经400rpm60小时高能机械球磨塑性变形获得W/Cu复合粉末，颗粒尺寸在4μm以下。在自制MJ-1型搅拌式高能球磨机球磨，采用GCr15钢球6mm，球料比2∶1，转速400rpm，装球量(球体积/桶体的体积)0.2，采用真空充氩气保护，循环水冷却。球磨时间60小时。

2、W/Cu复合粉末经900MPa冷压制获得相对密度约为85％的坯料，在900～1000℃真空烧结4小时，获得相对密度约为97％的烧结坯。

3、烧结坯在700℃～950℃预热15分钟(视坯料尺寸大小)后进行热静液挤压，挤压比为16，石墨玻璃混合物为润滑剂，石墨粉和玻璃粉(采用低温玻璃粉：软化点400～550℃)配比为8∶2(体积比)。挤压模具预热温度在200～250℃。然后在900℃左右进行热处理。

4、电学及力学性能：室温拉伸强度373.9Mpa，延伸率为4.4％，电导率为41.4m/Ω.mm²/％IACS。

Claims

1、铜基电极粉末形变复合材料制备方法，其特征在于它采用Cu和Cr或W和Cu单质粉末为原料，第一步进行机械球磨制粉；第二步进行冷压制坯；第三步进行真空固相烧结，该过程的烧结温度为900～950℃，烧结时间为0.5～1.5小时；第四步为热静液挤压，在此过程中首先将烧结坯预热，采用石墨和玻璃混合物为润滑剂，石墨粉和玻璃粉体积比为8∶(1.5～2.5)，剂压时将润滑剂制成润滑介质套(1)，润滑介质套(1)的内腔(2)与烧结坯的大小形状相同，将烧结坯(4)放入润滑介质套(1)中，用压头(3)对润滑介质套(1)和烧结坯(4)加压，所施加的压力由0增至1000～1200MPa，然后稳定至500MPa，总挤压时间为3～5秒。

2、根据权利要求1所述的铜基电极粉末形变复合材料制备方法，其特征在于上述第一步机械球磨制粉过程中，颗粒尺寸要在4μm以下。

3、根据权利要求1所述的铜基电极粉末形变复合材料制备方法，其特征在于在第二步冷压制坯过程中，压力为800～900MPa，坯料的相对密度为75％～85％。

4、根据权利要求1所述的铜基电极粉末形变复合材料制备方法，其特征在于以Cu和Cr单质粉末为原料，其比例为，Cu：40～90Wt％；Cr：10～60Wt％。

5、根据权利要求1所述的铜基电极粉末形变复合材料制备方法，其特征在于以W和Cu单质粉末为原料，其比例为，W：50～80Wt％；Cu：20～50Wt％。

6、根据权利要求1所述的铜基电极粉末形变复合材料制备方法，其特征在于热静液挤压的挤压比为5～25之间。