專利名稱：La和Ni強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架制備的鎢銅復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種La和Ni強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架制備的 鎢銅復(fù)合材料，本發(fā)明還涉及該種鎢銅復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
鎢銅復(fù)合材料是由高熔點(diǎn)高強(qiáng)度的鎢骨架，通過熔滲金屬銅所得到的互不相溶型 特殊的復(fù)合材料，它綜合了鎢與銅二者的優(yōu)點(diǎn)，具備良好的抗高溫、耐燒蝕及高強(qiáng)度等性 能，主要應(yīng)用于高壓斷路器的觸頭材料。鎢銅復(fù)合材料最經(jīng)典的合成方法是通過將鎢粉末燒結(jié)成類似海綿體的多孔骨架， 然后將銅液滲入其中而形成的。在電弧作用下兩種金屬各自發(fā)揮著不同的作用，即銅相分 散電弧的運(yùn)動(dòng)；鎢骨架則承受電弧產(chǎn)生的沖擊和高溫下反復(fù)開斷產(chǎn)生的摩擦力，同時(shí)產(chǎn)生 毛細(xì)作用防止銅噴濺出去，這就要求鎢骨架在高溫下要具有足夠的強(qiáng)度。Ni元素對W的活化燒結(jié)已經(jīng)眾所周知，但是單一 Ni元素的活化效果有限，而稀土 元素La在合金中具有凈化、細(xì)化晶粒、合金化以及變質(zhì)的作用，但La由于氧化性強(qiáng)難于加 入鎢銅復(fù)合材料之中，因此，如何發(fā)揮稀土元素的作用，成為制作該類復(fù)合材料的一個(gè)技術(shù) 研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種La和M強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架制備的鎢銅復(fù)合材料，解決了 La由于氧化性強(qiáng)難于加入鎢銅復(fù)合材料之中的難題，提高了鎢骨架的強(qiáng)度，明顯提高了復(fù) 合材料的整體合金強(qiáng)度。本發(fā)明的另一目的是提供該種鎢銅復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種La和M強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架制備的鎢銅復(fù)合材料， 由La、W、Ni及銅組成，總質(zhì)量為100%，其中銅的質(zhì)量百分比為25%-35%，La、W、Ni三者之和 為 65%-75%，且 La :Ni :W 的質(zhì)量百分比為 0. 15-0. 6% 0. 8% :1。本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種制備上述復(fù)合材料的方法，該方法包括以 下步驟
a.按照質(zhì)量比為6100的比例稱取La和銅，對La和銅進(jìn)行真空熔煉，熔煉工藝參數(shù) 為900-920°C保溫15-20分鐘，1100-1150°C保溫30-35分鐘，得到銅鑭中間合金；
b.采用甩帶的方法將銅鑭中間合金制成厚度為33-45μ m的薄帶，機(jī)械剪碎后過 149 μ m篩，而后放入球磨罐中，加入工業(yè)酒精，球磨48-72小時(shí)，過44 μ m篩，制成銅鑭中間 合金粉末；
c.按照La鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0. 15%-0. 6% 0. 8% 1的比例，分別稱取步驟b得到的 銅鑭中間合金粉末、鎳粉及鎢粉，將本步驟稱取的三種粉末置于混料罐中，加入工業(yè)酒精混 料，另稱取銅鑭中間合金粉末、鎳粉及鎢粉三種粉末總質(zhì)量2-3倍的非等徑磨球進(jìn)行混料，
3混料4-6小時(shí)，得到混合粉末；
d.將步驟c所制備的混合粉末置于軸向壓制的鋼制模具內(nèi)，模壓成鎢坯，然后在氫氣 保護(hù)下在950-1200°C燒結(jié)，得到鎢骨架；
e.采用常規(guī)熔滲銅工藝，將熔滲金屬銅塊與鎢骨架疊置在一起，放入鋪好石墨紙的石 墨坩堝中，置于高溫氫氣氛燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)和熔滲，即得到鎢銅復(fù)合材料。本發(fā)明的方法，采用La和M同時(shí)強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架，以提高鎢銅復(fù)合材料的強(qiáng)度， 從而制備出綜合性能優(yōu)良的鎢銅系觸頭材料，鎢骨架連通，且與銅相結(jié)合良好，合金硬度， 壓縮最大應(yīng)力值增加。


圖1為鎢骨架斷口形貌圖，其中圖Ia為950°C未添加稀土元素的斷口形貌圖，圖 Ib為本發(fā)明實(shí)施例3添加0. 45% La，并在950°C燒結(jié)的斷口形貌圖，圖Ic為本發(fā)明實(shí)施例 2添加0. 3% La，并在1200°C燒結(jié)的斷口形貌圖2為本發(fā)明方法與對比方法制備的鎢銅材料的組織形貌，其中圖2a為未添加稀土元 素的鎢銅材料組織形貌圖，圖2b為本發(fā)明實(shí)施例3添加0. 45%La的鎢銅復(fù)合材料組織形貌 圖3為本發(fā)明方法各實(shí)施例制備的鎢銅復(fù)合材料的電導(dǎo)率與硬度曲線圖； 圖4為本發(fā)明方法各實(shí)施例制備的鎢銅復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的鎢銅復(fù)合材料的制備方法，按照以下步驟具體實(shí)施
a.按照質(zhì)量比為6100的比例稱取La和銅，對La和銅進(jìn)行真空熔煉，熔煉工藝參數(shù) 為900-920°C保溫15-20分鐘，1100-1150°C保溫30-35分鐘，得到銅鑭中間合金；
b.采用甩帶的方法將銅鑭中間合金制成厚度為33-45μ m的薄帶，機(jī)械剪碎后過 149 μ m篩，而后放入球磨罐中，加入少量工業(yè)酒精，既防止氧化，又可作為過程分散劑，球磨 48-72小時(shí)，過44 μ m篩，制成銅鑭中間合金粉末。采用甩帶的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)大了固溶度，細(xì)化 組織，形成亞穩(wěn)相、非晶態(tài)，有利于在后續(xù)的燒結(jié)過程中銅鑭中間合金充分發(fā)揮強(qiáng)化燒結(jié)鎢 骨架的作用。C.按照La 鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0. 15%_0· 6% 0. 8% 1的比例，分別稱取步驟b得 到的銅鑭中間合金粉末、鎳粉及鎢粉，將本步驟稱取的三種粉末置于混料罐中，加入少量工 業(yè)酒精混料，另稱取三種粉末(銅鑭中間合金粉末、鎳粉和鎢粉)總質(zhì)量的2-3倍的非等徑磨 球進(jìn)行混料，混料時(shí)間為4-6小時(shí)，得到混合粉末。d.將步驟c所制備的混合粉末置于軸向壓制的鋼制模具內(nèi)，模壓成鎢坯，然后在 氫氣保護(hù)下在950-1200°C燒結(jié)，得到鎢骨架。e.采用常規(guī)熔滲銅工藝，將熔滲金屬銅塊與鎢骨架疊置在一起，放入鋪好石 墨紙的石墨坩堝中，置于高溫氫氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，在1000-1040°C下保溫1-1.5小時(shí)，在 1200-1250°C下熔滲3-4小時(shí)，即可得到鎢銅復(fù)合材料。上述La和Ni強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架制備的鎢銅復(fù)合材料，其最終的組分及含量為由La、W、Ni及銅組成，總質(zhì)量為100%，其中銅的質(zhì)量百分比為25%-35%，La、W、Ni三者之和為 65%-75%，且 La :Ni :ff 的質(zhì)量百分比為 0. 15-0. 6% 0. 8% :1。本發(fā)明的鎢銅復(fù)合材料，考慮到稀土元素La在合金中具有凈化、細(xì)化晶粒、合金 化以及變質(zhì)的作用，生成微量的稀土氧化物起到彌散強(qiáng)化的作用，提出采用銅鑭中間合金 粉末作為誘導(dǎo)銅粉，同時(shí)添加活化元素Ni，采用La和M同時(shí)強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架，以期提高鎢 骨架的強(qiáng)度，從而制備出綜合性能優(yōu)良的鎢銅復(fù)合材料，作為優(yōu)良的鎢銅系觸頭材料。實(shí)施例1 (LaO. 15%)
根據(jù)上述制備方法，按照以下具體步驟實(shí)施
a.按照質(zhì)量比為6100的比例稱取La和銅，對La和銅進(jìn)行真空熔煉，熔煉工藝參數(shù) 為900°C保溫20分鐘，1100°C保溫35分鐘，得到銅鑭中間合金；
b.采用甩帶的方法將銅鑭中間合金制成厚度為33μ m的薄帶，機(jī)械剪碎過149 μ m蹄， 而后放入球磨罐中，加入少量工業(yè)酒精，球磨48小時(shí)，過44 μ m篩，制成銅鑭中間合金粉末。C.按照La 鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0. 15% 0. 8% 1的比例，分別稱取步驟b得到的銅 鑭中間合金粉末3. 719g、鎳粉1. 190g及鎢粉148. 777g ；將本步驟稱取的三種粉末置于混料 罐中，加入少量工業(yè)酒精混料，另稱取三種粉末總質(zhì)量的3倍的非等徑磨球進(jìn)行混料，混料 時(shí)間為4小時(shí)，得到混合粉末。d.將步驟c所制備的混合粉末置于軸向壓制的鋼制模具內(nèi)，模壓成鎢坯，然后在 氫氣保護(hù)下在950°C燒結(jié)，得到鎢骨架。e.采用常規(guī)熔滲銅工藝，將熔滲金屬銅塊與鎢骨架疊置在一起，放入鋪好石墨紙 的石墨坩堝中，置于高溫氫氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，在1000°c下保溫1.5小時(shí)，在1200°C下熔滲4小 時(shí)，即得到鎢銅復(fù)合材料。實(shí)施例2(La0.30%)
按照實(shí)施例1的方法，按照下述的參數(shù)實(shí)施
a.按照質(zhì)量比為6100的比例稱取La和銅，對La和銅進(jìn)行真空熔煉，熔煉工藝參數(shù) 為920°C保溫15分鐘，1150°C保溫30分鐘，得到銅鑭中間合金；
b.采用甩帶的方法將銅鑭中間合金制成厚度為45μ m的薄帶，機(jī)械剪碎過149 μ m篩， 而后放入球磨罐中，加入少量工業(yè)酒精，球磨60小時(shí)，過44 μ m篩，制成銅鑭中間合金粉末。c.按照La 鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0. 3% 0. 8%1的比例，分別稱取步驟b得到的銅 鑭中間合金粉末7. 408g、鎳粉1. 185g及鎢粉W粉148. 151g，將本步驟稱取的三種粉末置于 混料罐中，加入少量工業(yè)酒精混料，另稱取三種粉末總質(zhì)量的2倍的非等徑磨球進(jìn)行混料， 混料6小時(shí)，得到混合粉末。d.將步驟c所制備的混合粉末置于軸向壓制的鋼制模具內(nèi)，模壓成鎢坯，然后在 氫氣保護(hù)下在1200°C燒結(jié)，得到鎢骨架。e.采用常規(guī)熔滲銅工藝，將熔滲金屬銅塊與鎢骨架疊置在一起，放入鋪好石墨紙 的石墨坩堝中，置于高溫氫氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，在1040°C下保溫1小時(shí)，在1250°C下熔滲3小 時(shí)，即可得到鎢銅復(fù)合材料。實(shí)施例3(La0.45%)
按照實(shí)施例1的方法，按照下述的參數(shù)實(shí)施
a.按照質(zhì)量比為6 100的比例稱取La和銅，對La和銅進(jìn)行真空熔煉，熔煉工藝參數(shù)為:910°C保溫18分鐘，1130°C保溫32分鐘，得到銅鑭中間合金；
b.采用甩帶的方法將銅鑭中間合金制成厚度為40 μ m的薄帶，機(jī)械剪碎過149 μ m篩， 而后放入球磨罐中，加入少量工業(yè)酒精，球磨64小時(shí)，過44 μ m篩，制成銅鑭中間合金粉末。c.按照La 鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0. 45% 0. 8% 1的比例，分別稱取步驟b得到的銅 鑭中間合金粉末11. 065g、鎳粉1. 180g及鎢粉147. 530g，將本步驟稱取的三種粉末置于混 料罐中，加入少量工業(yè)酒精混料，另稱取三種粉末總質(zhì)量的2. 5倍的非等徑磨球進(jìn)行混料， 混料5小時(shí)，得到混合粉末。d.將步驟c所制備的混合粉末置于軸向壓制的鋼制模具內(nèi)，模壓成鎢坯，然后在 氫氣保護(hù)下在950°C燒結(jié)，得到鎢骨架。e.采用常規(guī)熔滲銅工藝，將熔滲金屬銅塊與鎢骨架疊置在一起，放入鋪好石墨紙 的石墨坩堝中，置于高溫氫氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，在1020°C下保溫1.2小時(shí)，在12401下熔滲3.5 小時(shí)，即得到鎢銅復(fù)合材料。實(shí)施例4 (La0.60%)
按照實(shí)施例1的方法，按照下述的參數(shù)實(shí)施
a.按照質(zhì)量比為6100的比例稱取La和銅，對La和銅進(jìn)行真空熔煉，工藝參數(shù)為 920°C保溫15分鐘，1120°C保溫35分鐘，得到銅鑭中間合金；
b.采用甩帶的方法將銅鑭中間合金制成厚度為35μ m的薄帶，機(jī)械剪碎過149 μ m蹄， 而后放入球磨罐中，加入少量工業(yè)酒精，球磨54小時(shí)，過44 μ m篩，制成銅鑭中間合金粉末。
c.按照La 鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0. 6% 0. 8% 1的比例，分別稱取步驟b得到的銅 鑭中間合金粉末14. 691g、鎳粉1. 175g及鎢粉146. 913g，將本步驟稱取的三種粉末置于混 料罐中，加入少量工業(yè)酒精混料，另稱取三種粉末總質(zhì)量的2. 5倍的非等徑磨球進(jìn)行混料， 混料4. 5小時(shí)，得到混合粉末。d.將步驟c所制備的混合粉末置于軸向壓制的鋼制模具內(nèi)，模壓成鎢坯，然后在 氫氣保護(hù)下在iioo°c燒結(jié)，得到鎢骨架。e.采用常規(guī)熔滲銅工藝，將熔滲金屬銅塊與鎢骨架疊置在一起，放入鋪好石墨紙 的石墨坩堝中，置于高溫氫氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，在1000°c下保溫1.5小時(shí)，在12301下熔滲3.5 小時(shí)，即可得到鎢銅復(fù)合材料。本發(fā)明方法所制備的觸頭材料，在燒結(jié)鎢骨架時(shí)骨架性能得到提高，表1中列出 950°C燒結(jié)1小時(shí)骨架的各項(xiàng)性能較與傳統(tǒng)鎢骨架性能的比較。表1本發(fā)明制備的鎢骨架和傳統(tǒng)鎢骨架性能對比
不同骨架0%LaO. 15%LaO. 3%LaO. 45%LaO. 6%孔隙率(%)35. 2434. 9929. 5930. 7632. 59線收縮率(％)0. 30. 610. 760. 610. 3相對密度(％)65. 6265. 8067. 166. 3566. 03壓縮最大應(yīng)力值(N/mn2)210. 40249. 02264232.89226
圖1為鎢骨架斷口形貌圖，其中圖Ia為950°C未添加稀土元素的斷口形貌圖，圖Ib為 本發(fā)明實(shí)施例3添加0. 45% La，并在950°C燒結(jié)的斷口形貌圖，圖Ic為本發(fā)明實(shí)施例2添 加0.3% La，并在1200°C燒結(jié)的斷口形貌圖。從圖Ib和圖Ic中可以看出，添加La后鎢顆 粒圓化明顯，燒結(jié)溫度升高骨架變得致密。 圖2為本發(fā)明方法與對比方法制備的鎢銅材料的組織形貌，其中圖2a為未添加稀土元素的鎢銅材料組織形貌圖，圖2b為本發(fā)明實(shí)施例3添加0. 45%La的鎢銅復(fù)合材料組織 形貌圖。從圖2b中可以看出，添加La后的鎢相變得更加連通，兩相分布均勻。圖3為本發(fā)明方法各實(shí)施例制備的鎢銅復(fù)合材料的硬度和電導(dǎo)率隨La添加量的 變化曲線圖，隨著La元素添加量的增加，硬度先增加后減少，而電導(dǎo)率變化幅度不大。圖4為本發(fā)明方法各實(shí)施例制備的添加La的鎢銅復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變曲 線圖，不同符號(hào)標(biāo)出的點(diǎn)為最大應(yīng)力值點(diǎn)添加La后，最大壓應(yīng)力值明顯高于未添加稀土元 素的鎢銅材料，且隨著La含量的增加最大壓應(yīng)力值先增加后減少，在0. 3%La含量時(shí)，最大 壓應(yīng)力達(dá)到最大值，為823N/mm2。綜上所述，本發(fā)明方法制備的材料與傳統(tǒng)觸頭材料相比，綜合性能得到提高，在合 金中鎢相變得致密，硬度提高，壓縮性能提高。
權(quán)利要求
一種La和Ni強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架制備的鎢銅復(fù)合材料，其特征在于，由La、W、Ni及銅組成，總質(zhì)量為100%，其中銅的質(zhì)量百分比為25% 35%，La、W、Ni三者之和為65% 75%，且LaNiW的質(zhì)量百分比為0.15 0.6%0.8%1。
2.一種制備權(quán)利要求1所述復(fù)合材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a.按照質(zhì)量比為6100的比例稱取La和銅，對La和銅進(jìn)行真空熔煉，熔煉工藝參數(shù) 為900-920°C保溫15-20分鐘，1100-1150°C保溫30-35分鐘，得到銅鑭中間合金；b.采用甩帶的方法將銅鑭中間合金制成厚度為33-45μ m的薄帶，機(jī)械剪碎后過 149 μ m篩，而后放入球磨罐中，加入工業(yè)酒精，球磨48-72小時(shí)，過44 μ m篩，制成銅鑭中間 合金粉末；c.按照La鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0. 15%-0. 6% 0. 8% 1的比例，分別稱取步驟b得到的 銅鑭中間合金粉末、鎳粉及鎢粉，將本步驟稱取的三種粉末置于混料罐中，加入工業(yè)酒精混 料，另稱取銅鑭中間合金粉末、鎳粉及鎢粉三種粉末總質(zhì)量2-3倍的非等徑磨球進(jìn)行混料， 混料4-6小時(shí)，得到混合粉末；d.將步驟c所制備的混合粉末置于軸向壓制的鋼制模具內(nèi)，模壓成鎢坯，然后在氫氣 保護(hù)下在950-1200°C燒結(jié)，得到鎢骨架；e.采用常規(guī)熔滲銅工藝，將熔滲金屬銅塊與鎢骨架疊置在一起，放入鋪好石墨紙的石 墨坩堝中，置于高溫氫氣氛燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)和熔滲，即得到鎢銅復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟e中的燒結(jié)工藝為，在 1000-1040°C下保溫1-1. 5小時(shí)，在1200-1250°C下熔滲3-4小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種La和Ni強(qiáng)化燒結(jié)鎢骨架制備的鎢銅復(fù)合材料，由La、W、Ni及銅組成，總質(zhì)量為100%，其中銅的質(zhì)量百分比為25%-35%，La、W、Ni三者之和為65%-75%，且LaNiW的質(zhì)量百分比為0.15-0.6%0.8%1。本發(fā)明還公開了該種鎢銅復(fù)合材料的制備方法，步驟是熔煉得到銅鑭中間合金；將銅鑭中間合金制成薄帶，剪碎過篩，球磨后制成銅鑭中間合金粉末；按照La鎳粉鎢粉質(zhì)量比為0.15%-0.6%0.8%1的比例，分別稱取三種粉末并置于混料罐中，另稱取三種粉末總質(zhì)量的2-3倍的非等徑磨球進(jìn)行混料；將混合粉末模壓成鎢坯燒結(jié)，得到鎢骨架；采用常規(guī)熔滲銅工藝將銅熔滲進(jìn)鎢骨架中，即可得到鎢銅復(fù)合材料。本發(fā)明方法制備的鎢銅復(fù)合材料，硬度，壓縮強(qiáng)度明顯提高。
文檔編號(hào)C22C1/04GK101928866SQ201010130449
公開日2010年12月29日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者梁淑華, 王博, 王獻(xiàn)輝, 肖鵬, 錢錕 申請人:西安理工大學(xué)