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钨铜与弥散铜复合材料的制备及其性能研究

曾志鹏  
【摘要】:钨铜复合材料兼有铜的高导电率,钨的高熔点、抗电蚀性、抗熔焊性高硬度等性能,可用作电接触触头材料;弥散相氧化铝增强铜基复合材料强度高,导电性能与纯铜相近,抗电弧侵蚀,目前也用在电子电气领域作为电触头材料使用。为了满足开关电器对高性能电接触材料的需求,本文制备钨铜和弥散铜(Al2O3/Cu)两种复合材料,以便作为触头材料使用,所做工作内容与结果如下:(1)通过两种方案制备超细钨粉,分别是铵类钨酸盐直接煅烧还原法、溶胶-凝胶还原法制备超细钨粉。研究各方案的具体制备工艺过程,探究各工艺参数,观察制备的超细钨粉形貌,并分析所得钨粉的粒度。实验结果证实了溶胶凝胶法在制备分散性好的超细粉末的优越性,同时,在烧结性能方面,利用溶胶凝胶法所制备的超细粉末烧结活性较大,一是粒径越小,烧结活性大,二是颗粒一致性和分散性都优于直接煅烧法。总之,溶胶-凝胶法制备出超细钨粉,烧结活性好,颗粒分散均匀。(2)以溶胶凝胶法-煅烧-氢还原的方法制备4种高铜含量的钨铜超细复合粉体(5WCu、10WCu、20WCu、30WCu、),以等离子体活化烧结(SPS)制备20WCu复合块体材料,以模压成形烧结制备5WCu、10WCu、20WCu、30WCu复合材料,结果发现:1)模压成形复合材料致密度、硬度及电导率随烧结温度增加均呈先增后减趋势,5WCu、10WCu、20WCu、30WCu的最优烧结温度依次为 1060℃、1090℃、1090℃、1120℃;2)SPS烧结中,随着烧结温度增加,20WCu复合材料致密度逐步增加接近全致密,但电导率和硬度在750℃附近出现峰值,故750℃为最佳烧结温度,综合分析20WCu复合材料最佳烧结时间是12min。其致密度、硬度、电导率分别为99.61%、158.09HV、80.73%IACS,是一款综合性能优良的钨铜复合材料,可作为高强高导电接触材料使用;3)比较两种工艺,在最佳制备参数下SPS烧结的20WCu复合材料性能更佳,特别是硬度方面,SPS工艺下20WCu的硬度有大幅提升。(3)采用溶胶凝胶法制备氧化铝/铜基复合前驱体,复合前驱体经过高温分解及H2气氛下还原后,得到氧化铝质量百分比为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%共4种复合粉末,用复压复烧的粉末冶金工艺成形烧结氧化铝铜基复合材料,结果表明:1)溶胶凝胶法制备的复合粉末,颗粒增强物Al2O3的尺寸达到纳米级别,在铜基粉末中弥散分布;2)当成型压力达到600Mpa时,各烧结体的致密度最高,致密度最高可高达99.41%。初压(4)模压压力大于600Mpa后,压坯产生裂缝,600Mpa为最佳模压压力;3)复合材料的塑性随氧化铝含量的加大而下降,硬度值先增后降,当氧化铝含量为0.6wt.%时,硬度值提升至150HV-160HV之间,而继续提高氧化铝含量为0.8wt.%时,维氏硬度下降,为四种氧化铝增强材料的最低水平;4)随着氧化铝含量增加电导率逐渐下降,电导率下降较快的是氧化铝含量为0.8wt.%的复合材料,但最低值也在80%IACS以上;5)以上分析可得:最佳增强效果的样品是0.6wt.%Al2O3/Cu基复合材料,该材料的相对密度为98.6%,电导率达到了 94.09%IACS,维氏硬度为159.73HV(硬度是纯铜的4倍),也是一款性能优异的高强高导触头材料,可应用于开关电器领域。


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