銅基電接觸材料制造工藝

摘要：利用粉末冶金法制備了銅基電接觸材料銅鎢碳化鎢/銅雙層產(chǎn)品，銅層平整，且厚度要求達(dá)到0.6mm左右，同時(shí)產(chǎn)品Cu層里面不能有氣孔存在。CuWWC復(fù)合材料兼有Cu的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率、塑形及易加工性和W的高熔點(diǎn)、高比重、抗電蝕性、抗熔焊性、高的高溫強(qiáng)度以及WC的高熔點(diǎn)、高硬度性能，在真空接觸器上得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：銅合金電接觸材料；粉末冶金法；雙層產(chǎn)品

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）26-0063-02

CuWWC復(fù)合材料是由Cu、W、WC所組成的三相均勻分布的既不互溶又不形成化合物的一類復(fù)合材料，兼有Cu的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率、塑形及易加工性和W的高熔點(diǎn)、高比重、抗電蝕性、抗熔焊性、高的高溫強(qiáng)度以及WC的高熔點(diǎn)、高硬度性能，在真空接觸器上得到了廣泛的應(yīng)用。

1 CuWWC/Cu制造工藝

1.1 合金粉末制備過(guò)程

將W粉與WC粉以1∶1的比例進(jìn)行V型混粉機(jī)混粉，然后在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，后進(jìn)行破碎過(guò)篩，將其與配料中剩余的W粉、Cu粉以一定比例進(jìn)行混合，在鉬棒爐中進(jìn)行粉料燒結(jié)、破碎、過(guò)篩。以上述方法制備CuWWC的

粉末。

1.2 試驗(yàn)工藝流程

CuWWC合金粉制備→初壓壓制→溶滲燒結(jié)→外觀加

工→清洗。

1.3 溶滲燒結(jié)工藝

疊層溶滲，就是用熔點(diǎn)比骨架熔點(diǎn)低的金屬或合金置于金屬粉末壓制后預(yù)燒結(jié)或未燒結(jié)的多孔體骨架上面或者下面進(jìn)行的溶滲。

采用一般疊層溶滲燒結(jié)方式的產(chǎn)品，其溶滲燒結(jié)方式為溶滲Cu片放置在基體CuWWC上面，在燒結(jié)爐內(nèi)一定氣氛與溫度、時(shí)間下，溶滲Cu熔化進(jìn)入基體CuWWC骨架結(jié)構(gòu)里面，其中一部分Cu片熔化填滿基體骨架，另外一部分溶滲Cu片留在基體上面形成Cu層，即燒結(jié)結(jié)束之后，在垂直方向上Cu層與基體CuWWC為上下結(jié)構(gòu)。通常采用這種方式燒結(jié)的產(chǎn)品，其Cu層以“鼓包”的形式堆積在基體上面，難以做到Cu層平整以及Cu層在0.6mm左右。而且Cu層以“鼓包”形式存在的電接觸材料CuWWC/Cu在加工Cu層時(shí)難度也比較大。對(duì)燒結(jié)環(huán)境的要求也比較高，如果燒結(jié)爐真空度不足的話，極易使Cu層里面存有氣孔。為了改善上述制作方法，采用垂直溶滲燒結(jié)，即溶滲Cu片放置在基體CuWWC上面，但是基體的放置位置發(fā)生變化，與一般疊層熔滲燒結(jié)相比較，基體CuWWC的放置旋轉(zhuǎn)90°，在燒結(jié)爐一定氣氛、溫度與時(shí)間下，溶滲Cu一部分熔化進(jìn)入基體骨架里面，一部分在基體的側(cè)面由液體成為固體凝固下來(lái)形成Cu層，即燒結(jié)結(jié)束后，在垂直方向上，Cu層與基體CuWWC為左右結(jié)構(gòu)。采用這種方法制作CuWWC/Cu雙層產(chǎn)品Φ22×3.2，Cu層要求厚度在0.6mm左右，平整，Cu層里面沒(méi)有氣孔。

1.4 溶滲燒結(jié)試驗(yàn)

1.4.1 燒結(jié)時(shí)燒舟的設(shè)計(jì)。由于Cu層在基體CuWWC壓坯的側(cè)面形成，所以需要對(duì)燒舟進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。在垂直方向上，燒舟一側(cè)根據(jù)Cu層厚度的要求設(shè)計(jì)Cu層最后形成所需要的空間，另外一側(cè)根據(jù)基體CuWWC骨架的尺寸設(shè)計(jì)壓坯所需要的空間，同時(shí)在Cu層與基體CuWWC骨架所在燒舟空間的上方設(shè)計(jì)溶滲Cu的放置位置以及便于溶滲Cu熔化流入基體CuWWC骨架與Cu層空間的導(dǎo)槽。這里對(duì)溶滲Cu熔化經(jīng)過(guò)的導(dǎo)槽設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)格，如果導(dǎo)槽設(shè)計(jì)不合理，會(huì)影響溶滲Cu在熔化時(shí)溶滲進(jìn)入骨架與形成Cu層，導(dǎo)致Cu層短缺或者是Cu層不平整以及出現(xiàn)孔洞。

1.4.2 燒結(jié)溫度與時(shí)間。由于Cu的熔點(diǎn)是1083℃，所以選擇比Cu的熔點(diǎn)稍高的溫度進(jìn)行溶滲燒結(jié)。

表1 CuWWC/Cu溶滲燒結(jié)溫度與時(shí)間的影響

溶滲燒結(jié)溫度（℃） 溶滲時(shí)間（min） 氣氛 結(jié)果

1100 12 氫氣 不良

1100 18 氫氣 良好

1150 12 氫氣 不良

1150 18 氫氣 不良

1200 12 氫氣 不良

1200 18 氫氣 不良

采用1100℃，12min燒結(jié)參數(shù)制作的產(chǎn)品，由于燒結(jié)時(shí)間比較短，部分產(chǎn)品溶滲Cu沒(méi)有很好地熔化進(jìn)行溶滲導(dǎo)槽，造成Cu層位置Cu短缺（圖1）。

采用1100℃，18min燒結(jié)參數(shù)制作的產(chǎn)品，結(jié)果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時(shí)Cu層里面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的孔洞（Cu層車削0.2～0.3mm）（圖2）。

圖1 Cu層Cu短缺 圖2 產(chǎn)品里面沒(méi)有氣孔

采用1150℃，12min燒結(jié)參數(shù)制作的產(chǎn)品由于燒結(jié)時(shí)間比較短，部分產(chǎn)品溶滲Cu沒(méi)有很好地熔化進(jìn)行溶滲導(dǎo)槽，造成Cu層位置Cu短缺。

采用1150℃，18min燒結(jié)參數(shù)制作的產(chǎn)品，結(jié)果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時(shí)Cu層里面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的孔洞，但是部分產(chǎn)品在燒結(jié)結(jié)束之后容易被氧化。

采用1200℃，12min燒結(jié)參數(shù)制作的產(chǎn)品，結(jié)果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時(shí)Cu層里面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的孔洞，但是全部產(chǎn)品在燒結(jié)結(jié)束之后被氧化。

采用1200℃，18min燒結(jié)參數(shù)制作的產(chǎn)品，結(jié)果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時(shí)Cu層里面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肉眼可見的孔洞，但是全部產(chǎn)品在燒結(jié)結(jié)束之后被氧化。

所以，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，燒結(jié)工藝參數(shù)1100℃，18min，氫氣氣氛為最佳產(chǎn)品制造參數(shù)。

1.4.3 溶滲Cu量的影響。由于采用垂直燒結(jié)方式進(jìn)行制作，在溶滲燒結(jié)過(guò)程中，溶滲Cu的量對(duì)產(chǎn)品制作結(jié)果也有著影響。計(jì)算了3個(gè)Φ22×3.2的溶滲Cu的重量，對(duì)比3組Cu量對(duì)產(chǎn)品燒結(jié)結(jié)果的影響。

方式1計(jì)算方法=溶滲到骨架結(jié)構(gòu)的溶滲Cu量+Cu層0.6mm需要的溶滲Cu量。

方式2計(jì)算方法=溶滲到骨架結(jié)構(gòu)的溶滲Cu量+Cu層0.6mm需要的溶滲Cu量+溶滲Cu導(dǎo)槽Cu量。

方式3計(jì)算方法=溶滲到骨架結(jié)構(gòu)的溶滲Cu量+Cu層0.6mm需要的溶滲Cu量+（溶滲Cu導(dǎo)槽Cu量）×2。

表2 不同溶滲Cu量對(duì)產(chǎn)品結(jié)果的影響

溶滲Cu量計(jì)算方式 溶滲Cu量（g） 結(jié)果

方式1 6.5 不良

方式2 8.5 良品

方式3 10.5 良品

采用6.5g溶滲Cu量制作的產(chǎn)品，部分產(chǎn)品出現(xiàn)溶滲Cu留在導(dǎo)槽處，導(dǎo)致Cu層短缺，一部分產(chǎn)品雖然Cu層平整，但是Cu層有氣孔，不良。

采用8.5g溶滲Cu量制作的產(chǎn)品，Cu層平整（圖3、圖4），而且沒(méi)有氣孔，效果良好，Cu層達(dá)到0.6mm左右（圖5），50X金相顯微結(jié)構(gòu)檢測(cè)，Cu層厚度為0.677mm。在溶滲過(guò)程中，氣體隨著溶滲Cu向下流動(dòng)時(shí)向上移動(dòng)到導(dǎo)槽處的Cu位置，從而避免了Cu層氣孔的產(chǎn)生。加工成品時(shí)需要將導(dǎo)槽處形成的Cu去掉即可。

圖3 Cu層面平整 圖4 CuWWC/Cu工作面

采用10.5g溶滲Cu量制作的產(chǎn)品，Cu層平整，而且沒(méi)有氣孔，Cu層厚度0.6mm左右，但是導(dǎo)槽處Cu量比較多：一是材料的使用量過(guò)多、成本高，二是給成品的加工帶來(lái)復(fù)雜度。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，最終將溶滲Cu量設(shè)定在方式2的計(jì)算方法上。

圖5 CuWWC/Cu產(chǎn)品Cu層厚度測(cè)量50X

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，制作CuWWC/Cu雙層產(chǎn)品，Cu層在0.6mm左右，且Cu層沒(méi)有氣孔，主要從以下三點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制作：（1）溶滲燒舟設(shè)計(jì)；（2）溶滲溫度、時(shí)間、氣氛；（3）溶滲量計(jì)算。

采用這種方法制作的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)化，應(yīng)用商開始了使用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳文革.熱處理對(duì)CuW電工合金組織與性能的影響

[J].電工材料，2002，（2）.

[2]陳文革，胡可文，羅啟文.WC/Cu大電流滑動(dòng)電接觸材料的研究[J].高壓電器，2008，（1）.

[3]銅鎢及銀鎢電觸頭（GB/T8320-2003）[S].

作者簡(jiǎn)介：吳婷（1984—），女，山西人，供職于上海電科電工材料有限公司，研究方向：銀基與銅基電接觸

材料。