[发明专利]一种高致密度Cu/CuCr梯度复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高致密度Cu/CuCr梯度复合材料的制备方法，其是采用放电等离子烧结技术对Cu粉和CuCr混合粉末进行固结成形，通过设计梯度温度场，施加轴向压力的同时以50～200℃/min加热至700～900℃后保温5～10min，即可获得直径10～50mm、长径比0.1～1.0、致密度大于99.0％、低含气量、高导电导热、组织细小的Cu/CuCr梯度复合材料。本发明可根据Cu/CuCr梯度复合材料的尺寸和配比需求，选择不同的烧结条件，工艺简单、能耗低，所得Cu/CuCr梯度复合材料经少量加工即可作为真空开关触头材料且性能优异。

技术领域

本发明涉及塑性成形技术和粉末冶金技术，具体涉及一种高致密度Cu/CuCr梯度复合材料的制备方法。

背景技术

目前，真空开关使用的触头材料主要是铜基合金，其中铜铬合金由于具有较高的耐电压强度、大的分断电流能力、良好的抗熔焊性以及较低的载流值而广为应用。

铜铬合金触头材料的性能与其致密度关系密切。铜铬合金的相对密度提高，其力学性能和导电性能随之提高，有助于提高触头的开断容量、抗电蚀能力，抗熔焊等性能。另一方面，合金内部的残余孔隙在电弧作用下会产生液体金属飞溅，且在触头加工装配的酸洗和电镀过程中，液体进入孔洞后难以去除，腐蚀材料。传统的烧结CuCr合金材料的致密度约95％左右，且很难再有提高；而放电等离子烧结技术(SPS)，是利用强脉冲直流电流经粉末或模具产生焦耳热而对粉末直接加热的一种快速固结成形新技术，可显著降低成形温度和成形时间，并在粉末颗粒间隙中产生等离子活化、放电冲击压和电场辅助扩散效应等一系列特殊效应，所制备的CuCr合金致密度高达99.8％。此外，采用SPS固结粉末时既不需要对粉末进行预成形，也不需要添加任何润滑剂，具有短流程、环保、精密成形等优点。

为保证铜铬合金的高使用性能，其导电导热能力、致密度、含气量等都是至关因素。材料的导电性越好，则开关的开断容量就越大；导热性能越好，则越有利于开关散热，提高开断容量、耐电蚀性能和使用寿命。在铜铬合金中，其导电导热性能主要靠铜来完成，故将铜与铜铬合金复合制成梯度合金，有望提高其导电导热能力。

目前Cu/CuCr梯度合金的制备多采用激光焊接技术，但是激光焊接技术在结合面容易产生气孔、热裂纹以及有害相。本发明采用的放电等离子烧结技术通过合理设计烧结模具、改变和控制模具内的温度分布，可制备传统烧结方法无法制备的高致密度梯度复合材料。此外，由于Cu/CuCr梯度合金的主体成分是铜，采用粉末烧结法可有效避免由于成分差异所带来的界面问题，如热膨胀系数差异导致界面应力失配而形成微裂纹等。因此，采用放电等离子烧结技术有望获得高致密度、高导电导热、含气量低的Cu/CuCr梯度复合材料。

发明内容

针对现有高性能铜基触头复合材料，尤其是Cu/CuCr梯度复合材料制备方法的不足之处，本发明的目的在于采用放电等离子烧结技术，通过设计梯度温度场，提供一种高致密度、高导电导热、低含气量的Cu/CuCr梯度材料的制备方法。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明高致密度Cu/CuCr梯度复合材料的制备方法，其特点在于：采用放电等离子烧结技术对Cu粉和CuCr混合粉末进行固结成形，通过设计梯度温度场，施加轴向机械压力的同时以50～300℃/min的升温速率加热到700～900℃后保温2～15min，即可获得高致密度Cu/CuCr梯度复合材料。具体包括如下步骤：

步骤1、选用氧含量低于500ppm、粒径不大于200目的金属Cu粉；选用氧含量低于800ppm、粒径在80目～240目之间的金属Cr粉；

根据所需CuCr合金的成分称取Cu粉和Cr粉，采用机械混合法混合10小时，获得均匀的CuCr混合粉末；

根据所需Cu/CuCr梯度复合材料的尺寸及复合材料中Cu和CuCr的比例，称取一定量的Cu粉和CuCr混合粉末备用；