一种WC强化改性钨铜复合材料及其制备方法

本发明涉及钨铜复合材料领域；更具体地说，是涉及一种wc强化改性钨铜复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、电网的稳定性与我们日常生活和工业生产息息相关，断路器是电网中控制开断和接通的关键设备，而作为断路器中的核心部件的电触头，其稳定工作的能力十分关键。钨铜复合材料作为一种由互不润湿的铜钨两相单体均匀混合的“伪合金”，能够满足高压电触头材料所要求的低电阻、高热导、熔沸点高、室温及高温强度高、硬度高、塑韧性好、耐电弧烧蚀以及良好的加工制造性能等。近年来，随着电网输送距离和功率的加大，尤其是超高压大容量输变电和新型电子材料产品的小型化，对触头材料的电性能和抗电弧烧蚀性能等提出了更高的要求。现有商用高压电触头用钨铜复合材料面对新要求会存在如：耐电弧烧蚀能力不足、高温强度偏低、耐磨性和稳定性差等问题。

2、为了适应新的要求，研究通过在材料中添加各类难熔、耐高温、高强度的掺杂材料，如稀土及其氧化物、硬质陶瓷相颗粒，用以改善钨铜复合材料的高温性能和耐磨性等。wc(碳化钨)作为一种常见的商用陶瓷材料，不仅具有较高的硬度和熔点，而且比钨具有更好的高温稳定性。然而，通过从外部添加wc的方式制备的钨铜复合材料中，会存在wc偏聚、界面结合强度差等问题，产品可靠性低。针对此问题，有相关研究提出了通过引入外部碳源的方式原位合成wc。

3、例如，中国专利申请cn201910086641.6公开了一种w-cu复合材料表面梯度强化方法，其中采用加压表面渗碳扩散处理，先将w-cu复合材料与铸铁进行表面加工处理，再将处理后的试样置于热压炉中加热加压进行扩散碳化处理，冷却后即得到表层梯度强化的w-cu复合材料。该方法在表面渗碳扩散处理前需要对w-cu复合材料与铸铁进行表面打磨、抛光处理以及渗碳扩散所需的高温高压条件增加了工艺步骤，且无法准确控制wc的生成量，不适用于实际生产制造。

4、中国专利申请cn201710294314.02公开了一种碳纳米管增强钨铜复合材料的制备方法，其中采用高能球磨将w粉、cu粉以及cnts混合均匀得到cnts弥散分布的wcu混合粉末，随后经过压制、烧结得到cnts及其原位自生wc掺杂强化钨铜复合材料。但在cnts与w颗粒原位反应过程中，cnts相对于w颗粒的不均匀分布使得w颗粒表面碳化不均匀而易导致脆性相w2c的产生。同时，从生产成本的角度考虑，cnts的高昂价格所产生的成本要高于钨铜复合材料性能的改善带来的收益，对于实际生产得不偿失。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的第一方面公开了一种wc强化改性钨铜复合材料的制备方法，包括以下步骤：

2、⑴对钨粉进行球磨分散，并在球磨分散后进行表面酸洗氧化预处理，酸洗后钨粉表面形成氧化钨；

3、⑵将粘结剂溶解到无水乙醇中制备粘结剂溶液，所述粘结剂为碳链聚合物类树脂；

4、⑶将步骤⑴得到的钨粉与步骤⑵得到的粘结剂溶液充分混合、干燥，得到混合粉体；

5、⑷将所述混合粉体压制成型，得到生坯；

6、⑸在还原性气氛下对所述生坯进行脱脂、预烧，以得到钨骨架并使氧化钨还原碳化形成wc；

7、⑹对钨骨架进行渗铜，渗铜完成后进行加压烧结制得wc强化改性钨铜复合材料，渗铜和加压烧结均在惰性气氛下进行。

8、wc具有与w相似的熔点以及优异的耐磨性，且wc的高温稳定性明显优于w，是用于改善钨铜复合材料耐磨性、高温强度和尺寸稳定性的理想材料。同时，wc与铜的润湿性高于钨，钨颗粒表面原位生成的wc纳米层可以改善钨铜两相的界面结合，降低界面热阻，提高材料的传导性能。

9、本发明的制备方法中，先对钨粉表面酸洗氧化以在钨颗粒表面构造出纳米氧化钨颗粒/层，再将酸洗氧化后的分散态钨粉与碳链聚合物类树脂粘结剂溶液充分混合并干燥得到被粘结剂包覆的钨粉料，在后续脱脂、预烧过程中碳链聚合物类树脂裂解所形成的热裂解碳作为氧化钨颗粒/层的还原剂和wc原位合成过程中的有机碳源，实现在钨坯中原位合成wc，其中wc以颗粒状或层状存在于钨颗粒的表面。

10、本发明的制备方法中，可根据不同的wc需求量控制钨粉表面的酸洗氧化程度，以控制生成的氧化钨含量，在后续脱脂、预烧过程中氧化钨和热裂解碳原位反应合成wc，从而实现对纳米wc颗粒/层含量的调控。

11、本发明的制备方法中，先在常压、惰性气氛下将熔融铜液渗入到钨骨架中，然后在保证渗铜完全的条件下进行加压烧结。在惰性气氛下进行加压烧结的过程中，熔融铜液中的分子运动变得更加剧烈，从而带动钨颗粒表面的纳米wc运动，实现纳米wc颗粒在铜相中的弥散分布。同时，加压烧结也可以增大熔渗驱动力，促进铜液向微细孔的渗透，实现低温致密化。

12、根据本发明的一种具体实施方式，所述碳链聚合物类树脂为选自聚乙烯醇缩丁醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂、聚酯树脂、酚醛树脂和氨基树脂中的一种或多种。优选的，所述粘结剂溶液的浓度控制为80～300g/l。

13、根据本发明的一种具体实施方式，步骤⑴中球磨时间控制为2～4h，球料比控制为3～5:1，球磨介质为无水乙醇，球磨结束后进行振动干燥即得到分散态钨粉。

14、根据本发明的一种具体实施方式，步骤⑴中酸洗氧化所用酸洗液按30～80ml/lhno3(65-68％)、30～80ml/l hf(40％)和3～8g/l的nh4f的比例进行配制，分散态钨粉按100～500g/l的比例置于酸洗液中，常温酸洗处理2-5h，酸洗过程伴随着磁力搅拌。

15、根据本发明的一种具体实施方式，步骤⑶中钨粉和粘结剂溶液按每公斤钨粉配50～70ml粘结剂溶液的比例进行混合，混合均匀后进行真空干燥处理。

16、根据本发明的一种具体实施方式，步骤⑷采用双向模压的方式得到所述压坯，压制压力为10～300mpa，压制时间为20～50s，保压时间为20～60s。

17、根据本发明的一种具体实施方式，步骤⑸中控制脱脂温度为600℃，升温速率为1～3℃/min，保温时间60～120min；脱脂结束后继续升温到1000～1200℃进行预烧，预烧的升温速率为5～10℃/min，保温时间为1～2h。

18、根据本发明的一种具体实施方式，步骤⑹包括：在常压条件下将熔融无氧铜排得到的铜液渗入到钨骨架中进行渗铜，在渗铜完成后再进行加压烧结，烧结温度控制为1200～1450℃，升温速率为3～5℃/min，保温时间为60～150min，烧结压力控制为2～7mpa。

19、本发明的第二方面公开了根据前述任意一种制备方法得到的wc强化改性钨铜复合材料。

20、根据本发明的一种具体实施方式，wc强化改性钨铜复合材料的组成为：w含量49～90wt.％，cu含量9～50wt.％，wc含量1～11wt.％，其他不可避免的杂质元素不超过0.2wt.％；其中，wc以界面层的形式分布于钨与铜界面处，厚度介于10nm～50nm，或以wc颗粒的形式弥散分布在铜相中，颗粒尺寸介于100～500nm，或两种形式同时存在。

21、本发明的钨铜复合材料中，原位合成且弥散分布的wc相使得钨铜复合材料具有更优异的抗电烧蚀、耐磨性和高温强度，最小程度减小了wc的引入对电导率的影响。w、cu两相间的wc界面层实现了w、cu两相界面由物理结合向冶金结合的转变，增强了材料的强度，提高了材料的导电性和导热性能。

22、为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和有点，下面结合附图和具体实施方式对本发明做出进一步的说明。