專利名稱：銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法，具體涉及W-Cn、Cu-Cr粉末形變復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)各工業(yè)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，各種新型電器不斷被研制、推廣與應(yīng)用，各種電加工技術(shù)也日益普遍地被采用，這些都對(duì)電工材料提出了更高的要求。高強(qiáng)度銅基電極材料(主要是鎢銅和銅鉻材料)既具有優(yōu)良導(dǎo)電性，又具有高強(qiáng)度和優(yōu)越高溫性能，表現(xiàn)出良好的抗燒蝕、抗溶焊、低截流等特性，被用來(lái)制造各種觸頭、電極等，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子，航空航天等領(lǐng)域。目前，銅基電極材料被認(rèn)為是極有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的新型功能材料，已逐漸受到各國(guó)的高度重視。但是，由于鎢與銅，銅與鉻是互不相溶的，傳統(tǒng)的采用粉末冶金法獲取完全致密的粉末材料在工藝上有很大的難度，材料的完全致密化一直是未能很好解決的問(wèn)題。材料不完全致密將大大降低其各種性能。相對(duì)密度低于99.5％的材料一般不能作為電火花加工用電極。目前較為成熟的溶滲法和燒結(jié)法仍存在許多難以避免的問(wèn)題。如溶滲法易產(chǎn)生微孔、孔洞及氧化物殘?jiān)?，?huì)大大地降低材料的穩(wěn)定性，而且對(duì)材料成分有很大的限制，含銅量高時(shí)則不能用溶滲法來(lái)生產(chǎn)。燒結(jié)法雖然可以制備任意成分的合金材料，且工藝簡(jiǎn)單，成本低，但仍難以保證致密化的要求。從目前的研究來(lái)看，銅基形變復(fù)合材料是最有吸引力的復(fù)合方法。形變法制造的金屬/金屬?gòu)?fù)合材料是在韌性的兩相材料的機(jī)械加工過(guò)程(鍛、擠、拉或軋)中形成的。兩相共同變形，使次要相伸長(zhǎng)并在母相基體中成為纖維狀增強(qiáng)相。形成的復(fù)合材料很大程度上取決于初始材料的特性。而初始材料通常是用鑄造法或粉末冶金法制造的合金錠。復(fù)合強(qiáng)化不會(huì)明顯降低銅基體的導(dǎo)電性，將保持銅的良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而且第二相一般是高熔點(diǎn)元素，可以改善材料的室溫和高溫性能。從而使這種復(fù)合材料在要求高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。但是，為了獲得細(xì)小的第二相纖維組織，必須經(jīng)過(guò)大變形。這種大變形的真應(yīng)變往往在5～10之間，甚至高達(dá)19，這樣最終獲得的材料只能是細(xì)絲或者薄片狀的材料，使得這種材料的應(yīng)用受到極大限制。最近文獻(xiàn)記載有采用氣體霧化的Cu-Nb和Cu-Fe合金粉末制得坯料，這要比鑄造方法獲得的顆粒細(xì)小。經(jīng)相同形變量獲得的復(fù)合材料強(qiáng)度要比采用凝固法制得坯料獲得的復(fù)合材料強(qiáng)度高。但是，采用此方法存在一定的問(wèn)題，為了減小獲得粉末顆粒中細(xì)小的枝晶尺寸，必須采用較大的冷卻速度，而較大的冷卻速度使第二相枝晶發(fā)生退化，通過(guò)偏晶反應(yīng)退化為球形，而此時(shí)球形尺寸往往大于枝晶尺寸，同時(shí)凝固技術(shù)限制了增強(qiáng)相的選擇范圍。粉末技術(shù)克服對(duì)增強(qiáng)相的選擇幾乎沒(méi)有限制，組分的成分和體積分?jǐn)?shù)基本不受限制，能將不互溶的兩種金屬或金屬與金屬化合物或金屬與非金屬制成復(fù)合粉，這是熔鑄冶金辦不到的。更為重要的是，通過(guò)一定的制備工藝，能夠在初始復(fù)合粉中控制形成一定的組織結(jié)構(gòu)。減小后續(xù)形變量，如果能夠克服粉末的致密化問(wèn)題，采用粉末冶金法獲得高性能形變復(fù)合材料將具有很大的優(yōu)越性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，它解決了傳統(tǒng)燒結(jié)熔滲技術(shù)存在的材料的致密度低、兩相結(jié)合差等問(wèn)題；它還解決了目前形變復(fù)合材料制備中大變形需求難以在工程應(yīng)用的難題。本發(fā)明的銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法是采用Cu和Cr或W和Cu單質(zhì)粉末為原料，第一步進(jìn)行機(jī)械球磨制粉；第二步進(jìn)行冷壓制坯；第三步進(jìn)行真空固相燒結(jié)，該過(guò)程的燒結(jié)溫度為900～950℃，燒結(jié)時(shí)間為0.5～1.5小時(shí)；第四步為熱靜液擠壓，在此過(guò)程中首先將燒結(jié)坯預(yù)熱，采用石墨和玻璃混合物為潤(rùn)滑劑，石墨粉和玻璃粉體積比為8∶(1.5～2.5)，劑壓時(shí)將潤(rùn)滑劑制成潤(rùn)滑介質(zhì)套1，潤(rùn)滑介質(zhì)套1的內(nèi)腔2與燒結(jié)坯的大小形狀相同，將燒結(jié)坯4放入潤(rùn)滑介質(zhì)套1中，用壓頭3對(duì)潤(rùn)滑介質(zhì)套1和燒結(jié)坯4加壓，所施加的壓力由0增至1000～1200MPa，然后穩(wěn)定至500MPa，總擠壓時(shí)間為3～5秒。上述第一步機(jī)械球磨制粉過(guò)程中，顆粒尺寸要在4μm以下。在第二步冷壓制坯過(guò)程中，壓力為800～900MPa，坯料的相對(duì)密度為75％～85％。以Cu和Cr單質(zhì)粉末為原料，其比例為，Cu40～90Wt％；Cr10～60Wt％。以W和Cu單質(zhì)粉末為原料，其比例為，W50～80Wt％；Cu20～50Wt％。本發(fā)明是一種新的制備高性能WCu、CuCr復(fù)合材料的方法，它克服現(xiàn)有傳統(tǒng)燒結(jié)熔滲技術(shù)的缺點(diǎn)，即材料的致密度低，兩相結(jié)合差；它克服目前形變復(fù)合材料制備中大變形需求難以工程應(yīng)用的難題，提出高性能WCu、CuCr復(fù)合材料的制備新方法，獲得良好的材料微觀組織結(jié)構(gòu)，具有良好的力學(xué)和電學(xué)綜合性能。本發(fā)明的方法為采用Cu-(10～60wt％)Cr或W-(20～50wt％)Cu單質(zhì)粉末，進(jìn)行適當(dāng)程度的高能球磨，對(duì)WCu或CuCr元素粉末進(jìn)行大塑性變形，獲得組元細(xì)化的層片狀CuCr或WCu復(fù)合粉。將球磨后的復(fù)合粉冷壓制后在真空爐中燒結(jié)初步致密，然后經(jīng)熱靜液擠壓塑性變形進(jìn)一步形變和致密，獲得高性能致密體的WCu、CuCr形變復(fù)合材料。粉末的高能球磨過(guò)程是一個(gè)粉末顆粒經(jīng)歷反復(fù)的鍛延、冷焊合、斷裂以及重焊的過(guò)程。在機(jī)械球磨過(guò)程，當(dāng)球與球或球與桶壁碰撞時(shí)，捕獲一定數(shù)量的粉末。碰撞力使粉末受到鐓粗和剪切變形。不僅可以有效的細(xì)化晶粒組織，而且可以獲得層片狀的復(fù)合粉。各相的尺寸大小，可以減少后續(xù)的擠壓變形量，獲得相纖維狀形變的復(fù)合材料。粉末經(jīng)過(guò)球磨，可以細(xì)化相的晶粒組織，同時(shí)變形的結(jié)果是原始表面的鈍化層被破碎，形成新的表面。表面原子具有較大的活性，有利于粒子間的焊合，對(duì)W/Cu、Cu/Cr相間的結(jié)合起到促進(jìn)作用，強(qiáng)化相間的結(jié)合。獲得適當(dāng)?shù)膶悠穸仁窃撉蚰ミ^(guò)程的關(guān)鍵。關(guān)系到各相的形態(tài)以及后續(xù)燒結(jié)致密形貌的穩(wěn)定。球磨后的復(fù)合粉經(jīng)冷壓制后(相對(duì)密度約在80％左右)經(jīng)真空固相燒結(jié)，獲得相對(duì)密度約為95％。為兼顧到相的形態(tài)分布和微觀晶粒組織(保持層片形貌和良好的亞微米晶粒尺寸)以及燒結(jié)致密度，適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間是必要的。然后在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行熱靜液擠壓，熱靜液擠壓的擠壓比為5～25之間，獲得致密體，同時(shí)兩相在材料內(nèi)部呈形變的纖維條帶狀分布，在較小的變形量條件下，獲得形變復(fù)合材料所要求的變形復(fù)合組織，提高材料的力學(xué)電學(xué)性能。棒材經(jīng)適當(dāng)熱處理在一定程度上可以改變材料電學(xué)力學(xué)性能匹配。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)燒結(jié)溶滲致密度不高和不互溶兩相的界面結(jié)合難題，以及常規(guī)形變復(fù)合材料制備方法采用大擠壓比在工業(yè)上難以實(shí)際應(yīng)用的難題。所獲得的材料具有良好的組織性能，該方法可以應(yīng)用在電火花電極、電阻焊電極以及真空開(kāi)關(guān)觸頭材料的制備等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
一本實(shí)施方式以單質(zhì)Cu和Cr粉末為原料，其比例為Cu85Wt％；Cr15Wt％。其具體步驟如下1、Cu和Cr單質(zhì)粉末經(jīng)400rpm 3小時(shí)高能機(jī)械球磨塑性變形獲得Cu/Cr層片復(fù)合粉末，層片尺寸在3μm以下。在自制MJ-1型攪拌式高能球磨機(jī)球磨，采用GCr15鋼球6mm，球料比8∶1，轉(zhuǎn)速400rpm，裝球量(球體積/桶體的體積)0.2，采用真空充氫氣保護(hù)，循環(huán)水冷卻。球磨時(shí)間3小時(shí)。
2、Cu/Cr復(fù)合粉末經(jīng)900MPa冷壓制獲得相對(duì)密度約為85％的坯料，在900～950℃真空燒結(jié)1小時(shí)，獲得相對(duì)密度約為97％的燒結(jié)坯。
3、燒結(jié)坯在450℃預(yù)熱20分鐘(視坯料尺寸大小)后進(jìn)行熱靜液擠壓，擠壓比為25，石墨玻璃混合物為潤(rùn)滑劑。擠壓模具預(yù)熱溫度在200～250℃。擠壓后的棒材相對(duì)密度可以達(dá)到99.5％左右。
4、材料微觀組織Cr相在復(fù)合材料中呈條帶纖維狀分布，Cu、Cr兩相的晶粒均在亞微米級(jí)，晶粒成長(zhǎng)條形，寬度在100～300nm，兩相的界面結(jié)合良好，拉伸斷口未出現(xiàn)兩相的分裂現(xiàn)象。5、電學(xué)力學(xué)性能室溫拉伸強(qiáng)度670Mpa，延伸率為15％，宏觀硬度165 Hv，軟化溫度大于600℃。電導(dǎo)率為67％IACS。高溫壓縮性能壓縮速率為3.33×10-3S-1時(shí)，在600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度130MPa，極限強(qiáng)度140MPa；800℃時(shí)，屈服強(qiáng)度125MPa，極限強(qiáng)度135MPa，壓縮率50％以上。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式以單質(zhì)W和Cu粉末為原料，其比例為W60Wt％；Cu40Wt％。其具體步驟如下1、W和Cu單質(zhì)粉末經(jīng)400rpm60小時(shí)高能機(jī)械球磨塑性變形獲得W/Cu復(fù)合粉末，顆粒尺寸在4μm以下。在自制MJ-1型攪拌式高能球磨機(jī)球磨，采用GCr15鋼球6mm，球料比2∶1，轉(zhuǎn)速400rpm，裝球量(球體積/桶體的體積)0.2，采用真空充氬氣保護(hù)，循環(huán)水冷卻。球磨時(shí)間60小時(shí)。
2、W/Cu復(fù)合粉末經(jīng)900MPa冷壓制獲得相對(duì)密度約為85％的坯料，在900～1000℃真空燒結(jié)4小時(shí)，獲得相對(duì)密度約為97％的燒結(jié)坯。
3、燒結(jié)坯在700℃～950℃預(yù)熱15分鐘(視坯料尺寸大小)后進(jìn)行熱靜液擠壓，擠壓比為16，石墨玻璃混合物為潤(rùn)滑劑，石墨粉和玻璃粉(采用低溫玻璃粉軟化點(diǎn)400～550℃)配比為8∶2(體積比)。擠壓模具預(yù)熱溫度在200～250℃。然后在900℃左右進(jìn)行熱處理。
4、電學(xué)及力學(xué)性能室溫拉伸強(qiáng)度373.9Mpa，延伸率為4.4％，電導(dǎo)率為41.4m/Ω.mm2/％IACS。
權(quán)利要求
1.銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，其特征在于它采用Cu和Cr或W和Cu單質(zhì)粉末為原料，第一步進(jìn)行機(jī)械球磨制粉；第二步進(jìn)行冷壓制坯；第三步進(jìn)行真空固相燒結(jié)，該過(guò)程的燒結(jié)溫度為900～950℃，燒結(jié)時(shí)間為0.5～1.5小時(shí)；第四步為熱靜液擠壓，在此過(guò)程中首先將燒結(jié)坯預(yù)熱，采用石墨和玻璃混合物為潤(rùn)滑劑，石墨粉和玻璃粉體積比為8∶(1.5～2.5)，劑壓時(shí)將潤(rùn)滑劑制成潤(rùn)滑介質(zhì)套(1)，潤(rùn)滑介質(zhì)套(1)的內(nèi)腔(2)與燒結(jié)坯的大小形狀相同，將燒結(jié)坯(4)放入潤(rùn)滑介質(zhì)套(1)中，用壓頭(3)對(duì)潤(rùn)滑介質(zhì)套(1)和燒結(jié)坯(4)加壓，所施加的壓力由0增至1000～1200MPa，然后穩(wěn)定至500MPa，總擠壓時(shí)間為3～5秒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，其特征在于上述第一步機(jī)械球磨制粉過(guò)程中，顆粒尺寸要在4μm以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，其特征在于在第二步冷壓制坯過(guò)程中，壓力為800～900MPa，坯料的相對(duì)密度為75％～85％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，其特征在于以Cu和Cr單質(zhì)粉末為原料，其比例為，Cu40～90Wt％；Cr10～60Wt％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，其特征在于以W和Cu單質(zhì)粉末為原料，其比例為，W50～80Wt％；Cu20～50Wt％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，其特征在于熱靜液擠壓的擠壓比為5～25之間。
全文摘要
銅基電極粉末形變復(fù)合材料制備方法，它涉及一種復(fù)合材料的制備方法。它采用Cu和Cr或W和Cu單質(zhì)粉末為原料，第一步進(jìn)行機(jī)械球磨制粉；第二步進(jìn)行冷壓制坯；第三步進(jìn)行真空固相燒結(jié)，第四步為熱靜液擠壓，采用石墨和玻璃混合物為潤(rùn)滑劑，石墨粉和玻璃粉體積比為8∶(1.5～2.5)，劑壓時(shí)將潤(rùn)滑劑制成潤(rùn)滑介質(zhì)套，潤(rùn)滑介質(zhì)套的內(nèi)腔與燒結(jié)坯的大小形狀相同，將燒結(jié)坯放入潤(rùn)滑介質(zhì)套中，用壓頭對(duì)潤(rùn)滑介質(zhì)套和燒結(jié)坯加壓，所施加的壓力由0增至1000～1200MPa，然后穩(wěn)定至500MPa，總擠壓時(shí)間為3～5秒。它解決了傳統(tǒng)燒結(jié)熔滲技術(shù)存在的材料的致密度低、兩相結(jié)合差等問(wèn)題；它還解決了目前形變復(fù)合材料制備中大變形需求，難以在工程應(yīng)用的難題。
文檔編號(hào)C22C1/04GK1483535SQ0313247
公開(kāi)日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2003年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者王爾德, 胡連喜, 于洋, 孫宏飛, 劉祖巖 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)