一种铜钨触头材料的制备方法与流程

本发明涉及一种铜钨触头材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。

背景技术：
由于钨的熔点高，耐电弧侵蚀性强，而铜具有优良的导电导热性能，铜钨材料兼具有良好的耐电弧侵蚀性及导电导热性，因而铜钨触头材料被作为弧触头广泛地应用于SF6高压断路器上，起接通和分断电流的作用。由于在接通和分断电流过程中，一方面所产生的电弧全部由弧触头来承受，触头要受到电弧的侵蚀、高温和热应力的作用，另一方面因动、静触头相互冲击摩擦，触头还要受到机械应力的作用，触头的失效主要为电弧侵蚀和高温机械摩擦损蚀交互作用所致，因此铜钨触头不仅要具有良好的耐电弧侵蚀性还要具有足够高的高温机械强度。对此，铜钨触头应相应地具备如下性能：①具有钨颗粒均匀地分布于铜基体上的组织结构，具备这样的组织才能使触头获得良好的耐电弧侵蚀性，②触头的钨骨架具有足够高的高温机械强度，而要获得这样的性能，就必需使钨骨架中相互接触的钨颗粒烧结成为一体，使得各钨颗粒连续成一个整体钨骨架，这样才能形成一个在高温下耐冲击磨损的触头基体。目前，铜钨触头材料制造工艺有：①1800℃以上高温预烧钨骨架，然后渗铜，制造工艺为：钨粉→成型→预烧钨骨架→熔渗，使用这种工艺可以得到各钨颗粒连续成一个整体的钨骨架，触头具有优良的耐电弧侵蚀性和高的高温机械强度，但制备设备昂贵，能源消耗高；②1450℃以下低温活化烧结钨骨架，然后渗铜，制造工艺为：钨粉+微量的金属元素→混合→成型→预烧钨骨架→熔渗，添加微量的金属元素多为镍、钴、铁中的一种，但因微量的金属元素难于分布均匀，钨骨架的烧结效果较差，触头的高温机械强度低，高温下抗冲击磨损的性能低，从而降低了开关运行的可靠性。公开号为CN101279365A的发明专利，公开了一种高抗电弧烧蚀的钨铜电触头材料的制备方法,该方法按以下步骤进行：首先按比例称量铜粉、钨粉以及稀土单质镧或铈；然后将20～40％的铜粉、钨粉及全部稀土单质镧或铈放在高能球磨机中进行机械合金化；再次将余下的铜粉、钨粉及添加的镍粉和乙醇进行共同机械混合；在模具中压制成型；最后将压坯装入高温保护气氛烧结炉中采用熔渗技术烧结成型即得到高抗电弧烧蚀的钨铜电触头。但是该方法存在如下问题：①添加的0.05～0.15％微量活化烧结元素镍，在机械混合过程中难于均匀分散；②加入的2.4～17.6％比例的铜粉要比添加的镍多得多，在机械混合过程中由于铜粉的阻碍作用钨颗粒捕捉到镍的几率大为降低；③机械混合后，难于避免地存在有铜的富集。因此在后续熔渗烧结时，钨骨架的活化烧结效果会大打折扣，钨骨架中相互接触的钨颗粒不能烧结成为一体，因此所制得的铜钨的高温机械强度也会大为降低，钨颗粒的弥散程度也不够高。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种铜钨触头材料的制备方法。该方法可实现在球磨的同时实现镍的自动添加，而且使镍均匀的分布于钨粉中，制得的铜钨触头金相组织均匀，具有优良的耐电弧侵蚀性和高的高温机械强度。本发明所述的铜钨触头材料的制备方法，其特征在于：取钨粉、高纯镍球和水置于球磨机中进行球磨，所得球磨后的钨粉经干燥、退火、成型、预烧结、熔渗处理，得到铜钨触头材料；其中：所述高纯镍球与钨粉的重量比为4～10：1；所述水的用量按每1kg钨粉末加入120～150ml水计算；所述球磨的时间为12～48h。本发明将钨粉与高纯镍球和水按特定配比置于球磨机中进行球磨特定时间，一方面，球磨过程中，由高纯镍球上因球磨损耗的镍可以作为添加物直接添加到钨粉中，实现球磨和加入添加物同时进行，而且申请人经过大量实验验证发现，当球磨时间限定在上述范围内时，所得触头材料中的镍恰好占钨粉总重量的0.1～1.0％；另一方面，因钨颗粒的硬度比高纯镍球高得多，钨粉与镍球得到充分的接触和研磨，由高纯镍球上因球磨损耗的镍可以均匀地覆着到钨颗粒的表面，从而达到有效提高钨骨架烧结效果的目的；因此，采用本发明所述方法可以制造得到具有优良的耐电弧侵蚀性和高的高温机械强度的铜钨触头材料。上述技术方案中，所述的高纯镍球为高纯度的镍球，为了尽量少地引入杂质，优选是采用镍含量≥99.9％的镍球。通常情况下，采用直径为φ6～φ30mm的高纯镍球。上述技术方案中，铜片在熔渗步骤中放入，所述钨粉和铜片的用量及配比可根据要制备的铜钨触头材料来计算。上述技术方案中，所述钨粉的粒度与现有技术相同，在本发明中，优选采用平均粒度为2～9μm的钨粉。上述技术方案中，对球磨后的钨粉进行干燥、退火、成型、预烧结和熔渗处理的工艺与现有技术相同，在本发明中，所述干燥、退火、成型、预烧结和熔渗处理的工艺参数优选为：干燥是将球磨后的钨粉置于80～150℃条件下烘干2～4h；退火是将干燥后的钨粉置于氢气或氨分解气气氛下、温度为700～850℃的条件下，保温1～3h；成型是将退火后的钨粉置于钢模中压制成压坯，成型压力为2～4T/cm2；如果有必要，还可以加入现有技术中常规用量的成型剂(如石蜡等)；预烧结是将压坯置于氢气或氨分解气气氛下、温度1300～1450℃的条件下，保温1～2h；熔渗是将铜片和预烧结后的压坯置于氢气或氨分解气气氛下、温度1150～1250℃的条件下，保温1～2h。与现有技术相比，本发明的特点在于：1、采用特殊的球磨工艺不仅使镍的添加与球磨同时进行，而且加入的镍可以均匀地覆着到钨颗粒的表面，有效地提高了钨骨架的活化烧结效果从而获得性能良好的钨骨架，将所得钨骨架与铜片经熔渗处理后所得的铜钨触头材料具有钨颗粒均匀地分布于铜基体上的组织结构，因此触头具有优良的耐电弧侵蚀性和高的高温机械强度(由于球磨时不加入铜粉，所以压坯不存在铜富集，预烧结和熔渗后触头可以获得钨颗粒均匀地分布于铜基体上的组织结构，均匀弥散的高熔点钨相大大提高了触头耐电弧侵蚀的能力。镍均匀地覆着到钨颗粒的表面，有效地提高了钨骨架的活化烧结效果，使得钨颗粒烧结成为一体，钨骨架成为高强度骨架，可以耐受高温机械磨损)，所得触头材料应用于SF6高压断路器上，完全可以经受得住电弧侵蚀和高温机械摩擦损蚀的交互作用，可以提高触头的使用寿命和断路器运行的可靠性；2、与高温预烧结相比，本发明技术采用常规设备即可实现，造价低，电能消耗低。附图说明图1为本发明实施例3中经预烧结处理得到的钨骨架的SEM图；图2为本发明实施例3制备得到的触头材料的金相组织图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。实施例1：称取20kg平均粒度2μm的钨粉，将钨粉、200kg的φ6～φ30mm组合(其中的重量比为φ6mm：φ10mm：φ20mm：φ30mm＝3:5:1:1)的高纯镍球、3000ml去离子水一起放入100升的滚筒球磨机内进行球磨(转速为45转/分)，球磨时间24小时，取出粉料于150℃下烘干2小时，将烘干的粉末置于氢气气氛中700℃下退火2小时(经检测，所得粉末材料中的镍含量为0.55％)，用2T/cm2的压力在钢模中将退火后的粉末压成压坯，将压坯置于石墨舟中，在氢气气氛中1300℃下烧结1小时得到钨骨架，将钨骨架坯置于石墨舟中并加入相应质量铜片(为钨骨架重量的57％)，在氢气气氛中1200℃下熔渗2小时，由此可制得铜钨70触头。实施例2：称取20kg平均粒度9μm的钨粉，将钨粉、80kg的φ20mm的高纯镍球、2400ml去离子水一起放入50升的滚筒球磨机内进行球磨(转速为50转/分)，球磨时间12小时，取出粉料于80℃下烘干4小时，将烘干的粉末置于氢气气氛中850℃下退火1小时(经检测，所得粉末材料中的镍含量为0.15％)，用4T/cm2的压力在钢模中将退火后的粉末压成压坯，将压坯置于石墨舟中，在氨分解气气氛中1450℃下烧结1小时得到钨骨架，将钨骨架坯置于石墨舟中并加入相应质量铜片(为钨骨架重量的24％)，在氨分解气气氛中1250℃下熔渗1小时，由此可制得铜钨85触头。实施例3：称取20kg平均粒度为6μm的钨粉，将钨粉、160kg的φ10mm的高纯镍球、2600ml去离子水一起放入100升的滚筒球磨机内进行球磨(转速为45转/分)，球磨时间48小时，取出粉料于100℃下烘干3小时，将烘干的粉末置于氨分解气气氛中800℃下退火1.5小时(经检测，所得粉末材料中的镍含量为0.96％)，用3T/cm2的压力在钢模中将退火后的粉末压成压坯，将压坯置于石墨舟中，在氢气气氛中1400℃下烧结2小时得到钨骨架(如图1所示)，将钨骨架坯置于石墨舟中并加入相应质量铜片(为钨骨架重量的31％)，在氢气气氛中1250℃下熔渗1小时，由此可制得铜钨80触头，所得触头材料的金相组织结构图如图2所示。对实施例1～3制得的触头材料进行性能检测，并与现有常规熔渗法制得的铜钨80触头材料的性能进行对比，结果如下述表1所示：表1：实施例材料相对密度，％高温抗拉强度，MPa实施例1铜钨7099.6/实施例2铜钨8599.7/实施例3铜钨8099.6185现有熔渗法产品铜钨8099.1～99.4125～150