本發(fā)明涉及塑性成形技術(shù)和粉末冶金技術(shù)，具體涉及一種高致密度Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
目前，真空開(kāi)關(guān)使用的觸頭材料主要是銅基合金，其中銅鉻合金由于具有較高的耐電壓強(qiáng)度、大的分?jǐn)嚯娏髂芰Α⒘己玫目谷酆感砸约拜^低的載流值而廣為應(yīng)用。
銅鉻合金觸頭材料的性能與其致密度關(guān)系密切。銅鉻合金的相對(duì)密度提高，其力學(xué)性能和導(dǎo)電性能隨之提高，有助于提高觸頭的開(kāi)斷容量、抗電蝕能力，抗熔焊等性能。另一方面，合金內(nèi)部的殘余孔隙在電弧作用下會(huì)產(chǎn)生液體金屬飛濺，且在觸頭加工裝配的酸洗和電鍍過(guò)程中，液體進(jìn)入孔洞后難以去除，腐蝕材料。傳統(tǒng)的燒結(jié)CuCr合金材料的致密度約95％左右，且很難再有提高；而放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)，是利用強(qiáng)脈沖直流電流經(jīng)粉末或模具產(chǎn)生焦耳熱而對(duì)粉末直接加熱的一種快速固結(jié)成形新技術(shù)，可顯著降低成形溫度和成形時(shí)間，并在粉末顆粒間隙中產(chǎn)生等離子活化、放電沖擊壓和電場(chǎng)輔助擴(kuò)散效應(yīng)等一系列特殊效應(yīng)，所制備的CuCr合金致密度高達(dá)99.8％。此外，采用SPS固結(jié)粉末時(shí)既不需要對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)成形，也不需要添加任何潤(rùn)滑劑，具有短流程、環(huán)保、精密成形等優(yōu)點(diǎn)。
為保證銅鉻合金的高使用性能，其導(dǎo)電導(dǎo)熱能力、致密度、含氣量等都是至關(guān)因素。材料的導(dǎo)電性越好，則開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷容量就越大；導(dǎo)熱性能越好，則越有利于開(kāi)關(guān)散熱，提高開(kāi)斷容量、耐電蝕性能和使用壽命。在銅鉻合金中，其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能主要靠銅來(lái)完成，故將銅與銅鉻合金復(fù)合制成梯度合金，有望提高其導(dǎo)電導(dǎo)熱能力。
目前Cu/CuCr梯度合金的制備多采用激光焊接技術(shù)，但是激光焊接技術(shù)在結(jié)合面容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋以及有害相。本發(fā)明采用的放電等離子燒結(jié)技術(shù)通過(guò)合理設(shè)計(jì)燒結(jié)模具、改變和控制模具內(nèi)的溫度分布，可制備傳統(tǒng)燒結(jié)方法無(wú)法制備的高致密度梯度復(fù)合材料。此外，由于Cu/CuCr梯度合金的主體成分是銅，采用粉末燒結(jié)法可有效避免由于成分差異所帶來(lái)的界面問(wèn)題，如熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致界面應(yīng)力失配而形成微裂紋等。因此，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)有望獲得高致密度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱、含氣量低的Cu/CuCr梯度復(fù)合材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有高性能銅基觸頭復(fù)合材料，尤其是Cu/CuCr梯度復(fù)合材料制備方法的不足之處，本發(fā)明的目的在于采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)梯度溫度場(chǎng)，提供一種高致密度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱、低含氣量的Cu/CuCr梯度材料的制備方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案：
本發(fā)明高致密度Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的制備方法，其特點(diǎn)在于：采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對(duì)Cu粉和CuCr混合粉末進(jìn)行固結(jié)成形，通過(guò)設(shè)計(jì)梯度溫度場(chǎng)，施加軸向機(jī)械壓力的同時(shí)以50～200℃/min的升溫速率加熱到700～900℃后保溫5～10min，即可獲得高致密度Cu/CuCr梯度復(fù)合材料。具體包括如下步驟：
步驟1、選用氧含量低于500ppm、粒徑不大于200目的金屬Cu粉；選用氧含量低于800ppm、粒徑在80目～240目之間的金屬Cr粉；
根據(jù)所需CuCr合金的成分稱取Cu粉和Cr粉，采用機(jī)械混合法混合10小時(shí)，獲得均勻的CuCr混合粉末；
根據(jù)所需Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的尺寸及復(fù)合材料中Cu和CuCr的比例，稱取一定量的Cu粉和CuCr混合粉末備用；
步驟2、將Cu粉與CuCr混合粉末依次裝入燒結(jié)石墨模具中；根據(jù)所需Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的尺寸及復(fù)合材料中Cu和CuCr的比例，調(diào)節(jié)上、下壓頭的高度以及粉末坯體在模具中的位置；
采用手動(dòng)液壓機(jī)對(duì)裝好的粉末進(jìn)行預(yù)壓，壓力為8～12MPa；
步驟3、在裝好粉末的石墨模具外圍裹上與石墨模具等高的4～6mm厚的碳?xì)郑缓髮⑵渲糜诜烹姷入x子燒結(jié)爐的爐腔中，抽真空至5Pa以下，對(duì)粉末進(jìn)行燒結(jié)成形；燒結(jié)工藝為：
燒結(jié)壓力：10～60MPa；
燒結(jié)溫度：700～900℃；
升溫速率：50～300℃/min；
保溫時(shí)間：2～15min；
隨爐冷卻后即獲得高致密度Cu/CuCr梯度復(fù)合合金，合金直徑為10～50mm、長(zhǎng)徑比為0.1～1.0。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：
1、采用焊接方法制備Cu/CuCr梯度合金，工序復(fù)雜，成本高，且接合面容易產(chǎn)生缺陷影響材料的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。而本發(fā)明的燒結(jié)方法是根據(jù)復(fù)合材料所需性能(如導(dǎo)電導(dǎo)熱性能)，調(diào)節(jié)復(fù)合材料中Cu和CuCr的比例，再根據(jù)Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的尺寸及復(fù)合材料中Cu和CuCr的比例，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，在同一模具中通過(guò)調(diào)節(jié)上、下壓頭高度以及粉末坯體在模具中的位置來(lái)構(gòu)建梯度溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了Cu粉和CuCr混合粉末的固結(jié)成形，獲得了高致密度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱且低含氣量的Cu/CuCr梯度復(fù)合合金，工序簡(jiǎn)單且成本低。
2、本發(fā)明優(yōu)化了Cu/CuCr梯度復(fù)合觸頭材料的制備工藝，在本發(fā)明的優(yōu)化條件下，可以充分發(fā)揮該制備工藝的優(yōu)勢(shì)，獲得高致密度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱且低含氣量的Cu/CuCr梯度復(fù)合材料。
具體實(shí)施方式
通過(guò)如下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。
在下述實(shí)施例中選用氧含量低于500ppm、粒徑不大于200目的金屬Cu粉，選用氧含量低于800ppm、粒徑在80目～240目之間的金屬Cr粉。
所用放電等離子燒結(jié)爐為日本Sinter Land Inc公司生產(chǎn)的LABOX-350放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)，其電流類型為直流脈沖電流，脈沖序列為40:7。
實(shí)施例1
本實(shí)施例Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的制備按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、分別稱取Cu粉700g、Cr粉300g，采用機(jī)械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；
步驟2、將10g Cu粉和8g CuCr混合粉末依次填裝進(jìn)燒結(jié)石墨模具中；調(diào)節(jié)燒結(jié)石墨模具上、下壓頭高度以及粉末坯體在模具中的位置；采用手動(dòng)液壓機(jī)對(duì)裝好的粉末進(jìn)行預(yù)壓，壓力為～10MPa；
步驟3、將裝好粉末的石墨模具包裹上與石墨模具等高的碳?xì)?，其厚度為?mm，然后將其裝入放電等離子燒結(jié)爐的爐腔中，抽真空至5Pa以下，通入直流脈沖電流對(duì)粉末進(jìn)行燒結(jié)成形。其燒結(jié)工藝如下：
燒結(jié)壓力：30MPa；
燒結(jié)溫度：850℃；
升溫速率：100℃/min；
保溫時(shí)間：5min；
隨爐冷卻后即獲得直徑為Φ20mm的Cu/CuCr梯度復(fù)合合金，其密度為8.60g/cm3，致密度為99.7％，氧含量為300ppm。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的制備按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、分別稱取Cu粉700g、Cr粉300g，采用機(jī)械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；
步驟2、將10g Cu粉和8g CuCr混合粉末依次填裝進(jìn)模具；調(diào)節(jié)上、下壓頭高度以及粉末坯體在模具中的位置；采用手動(dòng)液壓機(jī)對(duì)裝好的粉末進(jìn)行預(yù)壓，壓力為～10MPa；
步驟3、將裝好粉末的石墨模具包裹上與石墨模具等高的碳?xì)郑浜穸葹椤?mm，然后將其裝入放電等離子燒結(jié)爐的爐腔中，抽真空至5Pa以下，通入直流脈沖電流對(duì)粉末進(jìn)行燒結(jié)成形。其燒結(jié)工藝如下：
燒結(jié)壓力：10MPa；
燒結(jié)溫度：900℃；
升溫速率：300℃/min；
保溫時(shí)間：2min；
隨爐冷卻后即獲得直徑為Φ20mm的Cu/CuCr梯度復(fù)合合金，其密度為8.64g/cm3，致密度為99.8％，氧含量為500ppm。
實(shí)施例3
本實(shí)施例的Cu/CuCr梯度復(fù)合材料的制備按如下步驟進(jìn)行：
步驟1、分別稱取Cu粉700g、Cr粉300g，采用機(jī)械混合法混合10h，獲得均勻的CuCr混合粉末；
步驟2、將10g Cu粉和8g CuCr混合粉末依次填裝進(jìn)模具；調(diào)節(jié)上、下壓頭高度以及粉末坯體在模具中的位置；采用手動(dòng)液壓機(jī)對(duì)裝好的粉末進(jìn)行預(yù)壓，壓力為～10MPa；
步驟3、將裝好粉末的石墨模具包裹上與石墨模具等高的碳?xì)?，其厚度為?mm，然后將其裝入放電等離子燒結(jié)爐的爐腔中，抽真空至5Pa以下，通入直流脈沖電流對(duì)粉末進(jìn)行燒結(jié)成形。其燒結(jié)工藝如下：
燒結(jié)壓力：60MPa；
燒結(jié)溫度：700℃；
升溫速率：50℃/min；
保溫時(shí)間：15min；
隨爐冷卻后即獲得直徑為Φ20mm的Cu/CuCr梯度復(fù)合合金，其密度為8.53g/cm3，致密度為99.1％，氧含量為400ppm。