CN100503851C - 钨铜或钨银复合材料的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钨铜或钨银复合材料的制备工艺，选用钨丝材，进行酸洗、清洁；以铜丝或银丝为纬线，钨丝为经线，按照工艺要求进行二维编织；将编织的钨铜或钨银网按工况要求裁成片状，然后将网片叠放进行压制，捆扎；将铜锭或银锭放置在捆扎后的片状材料上方，在真空烧结炉中进行熔渗；随炉冷却至室温，取出后，即制成钨铜或钨银复合阴极棒材；将上述复合阴极棒材进行机械加工，即制得所需的复合材料元件。本发明制造的复合材料含氧、含氮量低，夹杂物含量低，致密度高。

Description

钨铜或钨银复合材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及复合材料的制备工艺，特别涉及一种钨铜或钨银复合材料的制备工艺。

背景技术

钨铜复合材料是互不相溶的钨、铜两相均匀混合形成的假合金。它兼有钨、铜材料的本征物理性能，由于钨具有高的熔点、高的密度，低的膨胀系数和高的强度，铜具有很好的导电、导热性，因而WCu系复合材料因其具有良好的耐电弧侵蚀性、抗熔焊性及高强度、良好的导热性和导电性、而得到了广泛应用。它被广泛用于电力电子、中高压电器领域的阴极材料和电阻焊、电火花加工等离子体加热的电极材料以及其它领域，如射线靶材、高比重合金、火箭喷嘴、飞机喉衬等特殊用途的军工材料以及集成电路的引线框架、热沉基片材料等。

钨铜、钨银系列阴极材料主要有CuW50、CuW60、CuW70、CuW80、CuW90、AgW60、AgW70、AgW80、AgW90。目前制备钨铜、钨银阴极复合材料的方法主要有两种：(1)粉末冶金方法：即混粉、压制、烧结。但是，这种烧结制品的相对密度很低，大约仅为理论密度的90％左右。(2)熔渗法：将钨粉或掺入部分铜粉或银粉的混合粉压制成坯块，然后在坯块上放置所需的铜或银锭，将铜、银熔化，使铜、银渗入到压坯中的孔隙中，形成钨铜、钨银材料。以上两种方法都是通过制粉烧结固化的方法来实现的，因而都存在如下缺陷：(1)制粉过程难以避免金属Cu、Ag和W粉的污染问题，如氧、氮、夹杂物含量高；(2)由于采用压制、烧结的方法，所以难以避免产品中存在一定数量的孔洞，即致密度低，产品在使用过程中真空度容易被破坏；(3)作为硬质相——钨的颗粒圆整度较差，而且其分布也难于达到较高的均匀性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种钨铜或钨银复合材料的制备工艺，

用该工艺制造的复合材料含氧、含氮量低，夹杂物含量低，致密度高。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：本发明制备工艺包括下述步骤：

(1)选用钨丝材，进行酸洗、清洁；

(2)以铜丝或银丝为纬线，钨丝为经线，按照工艺要求进行二维编织；

所需钨丝的根数，由公式①确定；

公式①为   $\frac{\frac{{d_W}^2}{4}\mathrm{\π}\×h\×N\×{\mathrm{\ρ}}_W}{(a\×b\×h-\frac{{d_W}^2}{4}\mathrm{\π}\×h\×N)\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}}=\frac{M_W}{M_{\mathrm{Cu}}}$

其中：a、b分别为所编网横截面的长和宽，h为钨丝高度，d_W为所用钨丝直径，N为钨丝的总根数，ρ_W为钨的密度，ρ_Cu为铜或银的密度，M_W为钨的质量百分含量，M_Cu为铜或银的质量百分含量；

(3)将编织的钨铜或钨银网按工况要求裁成片状，然后将网片叠放进行压制，捆扎；

(4)将铜锭或银锭放置在捆扎后的片状材料上方，在真空烧结炉中进行熔渗；

(5)随炉冷却至室温，取出后，即制成钨铜或钨银复合阴极棒材；

(6)将上述复合阴极棒材进行机械加工，即制得所需的复合材料元件。

所述步骤(1)所选用的钨丝直径为80～230μm，所选用的钨丝直径最佳为80～120μm。

所述步骤(4)熔渗温度大于铜或银的熔点温度，保温时间为2～3小时。

所述步骤(4)真空烧结炉中的真空度大于1×10^-4Pa；熔渗温度大于铜或银熔点的200℃～250℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所渗入的铜或银均沿钨丝方向，这与使用过程中材料的导电方向一致，所以，材料的导电率极高，约比传统方法制备的材料提高30％以上。因此，在使用过程中的起弧几率和起弧强度较小。

2、由于钨丝间的孔隙是贯通的，不存在封闭的现象，所以，在真空溶渗过程中，熔化的铜液或银液很容易渗入贯通的孔隙中。因此，所获得的复合材料的致密度高。

3、由于铜和银是在真空条件下进行熔渗的，含氧量和含氮量都较低，且使用的钨丝及铜锭(银锭)的纯度很高，所以制成的复合材料的含氧量、含氮量及杂物含量较低。

4、避免了传统工艺过程中的混粉不均匀性所导致的电极材料组织不均匀性，使得复合电极材料在使用过程中不会出现局部烧蚀现象。

5、复合材料的强化相钨，具有增强机械性能的作用，使材料的强度、硬度增加，使电弧侵蚀率降低。且在电弧作用下熔融的铜，由于毛细管吸力的作用，可使熔融物又充填在钨骨架中，这样便可减弱阴极材料的喷溅。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明钨铜或钨银复合材料二维织网示意图；

图2为本发明钨铜或钨银复合材料的制备工艺流程图。

图中：1—铜丝或银丝，2—钨丝。

具体实施方式

本发明制备工艺包括下述步骤：

(1)选用直径为80～230μm钨丝材，进行酸洗、清洁；

(2)以铜丝或银丝为纬线，钨丝为经线，按照工艺要求进行二维编织；

所需钨丝的根数，由公式①确定；

公式①为     $\frac{\frac{{d_W}^2}{4}\mathrm{\π}\×h\×N\×{\mathrm{\ρ}}_W}{(a\×b\×h-\frac{{d_W}^2}{4}\mathrm{\π}\×h\×N)\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}}=\frac{M_W}{M_{\mathrm{Cu}}}$

a、b分别为所编网横截面的长和宽，h为钨丝高度，d_W为所用钨丝直径，N为钨的总根数，ρ_W、ρ_Cu分别为钨和铜的密度，M_W、M_Cu为钨和铜的质量百分含量；铜丝所需极少，主要用于辅助编网和熔渗时诱导铜液；

(3)将编织的钨铜或钨银网按工况要求裁成片状，然后将网片叠放进行压制，捆扎；

(4)将捆扎后的材料垂直放置在坩埚，将铜锭或银锭放置在捆扎后的片状材料上方，在真空烧结炉中进行熔渗，熔渗温度大于铜或银的熔点温度，保温时间为2～3小时；真空烧结炉中的真空度大于1×10^-4Pa；熔渗温度大于铜或银熔点的200～250℃。

(5)随炉冷却至室温，取出后，即制成钨铜或钨银复合阴极棒材；

(6)、将上述复合阴极棒材进行机械加工，即制得所需的复合材料元件。

制成钨铜或钨银复合阴极棒材，材料结构为钨丝均匀排列，钨丝间充满铜或银。

用上述工艺制成钨铜或钨银复合阴极棒材，其结构为各钨丝均匀排列，钨丝间充满铜或银。

上述工艺所制成的钨铜或钨银复合棒材可以直接进行切割、磨削等机加工，制成阴极元件，如触头、电极等；也可以先对熔渗所得的复合材料进行扎制，再进行其它机械加工，以便调整复合棒材的尺寸和钨丝间的间距。

用本发明的工艺能够制备以下钨铜或钨银系列阴极材料，即CuW50、CuW60、CuW70、CuW80、CuW90、AgW60、AgW 70、AgW 80、AgW 90等。上述各系列阴极材料的制备工艺步骤相同，主要不同点是由于铜钨或银钨复合材料质量百分含量不同，所选取铜丝或银丝的直径不相同。因为如果所含钨的质量百分含量增加，所编网就要更紧密，钨丝丝经越细越利于编织。从公式①也可以得出此结论。

以下是本发明的具体实施方式，但本发明不限于下述实施例。

实施例1：

制备Cu40W60阴极材料触头的工艺，参见图2。

(1)选用直径为100～120μm的钨丝材，并进行酸洗清洁，假设取d_w＝100μm，制备试样为4cm×4cm×3cm，利用公式①计算所需钨丝为85×10³根，编织二维网(如图1所示)；铜丝所需极少，主要用于辅助编网和熔渗时诱导铜液；

(2)按工况要求的尺寸，将钨铜网裁成4cm×3cm的网片；

(3)将裁好的网片叠放、压制、捆扎；

(4)把预制件垂直放置在真空炉中，在其上方放置紫铜锭，并使炉内真空度控制在1×10^-4Pa，然后加热，熔渗温度为1250℃，保温时间3小时，使熔化后的铜液充分渗入到钨丝间的间隙中；

(5)随炉冷却至室温，取出后，即制成直径为4cm、长度为3cm的钨银复合阴极棒材；

(6)将制成的阴极棒材进行轧制变形，并进行机械加工，制成钨铜复合阴极材料。

实施例2：

制备Cu30W70阴极材料触头的工艺，参见图2。

(1)选用直径为80～100μm的钨丝材，并进行酸洗清洁，假设取d_w＝100μm，制备试样为4cm×4cm×3cm，利用公式①计算所需钨丝为106×10³根，编织二维网(如图1所示)；铜丝所需极少，主要用于辅助编网和熔渗时诱导铜液；

(2)按工况要求的尺寸，将钨铜网裁成4cm×3cm的网片；

(3)将裁好的网片叠放、压制、捆扎；

(4)把预制件垂直放置在真空炉中，在其上方放置紫铜锭，并使炉内真空度控制在1×10^-4Pa，然后加热，熔渗温度为1350℃，保温时间3.5小时，使熔化后的铜液充分渗入到钨丝间的间隙中；

(5)随炉冷却至室温，取出后，即制成直径为4cm、长度为3cm的钨银复合阴极棒材；

(6)将制成的阴极棒材进行轧制变形，并进行机械加工，制成钨铜复合阴极材料。

实施例3：

制备Ag40W60阴极材料触头的工艺，参见图2。

(1)选用直径为100～120μm的钨丝材，并进行酸洗清洁，假设取d_w＝100μm，制备试样为4cm×4cm×3cm，利用公式①计算所需钨丝为92×10³根，编织二维网(如图1所示)；银丝所需极少，主要用于辅助编网和熔渗时诱导银液；

(2)按工况要求的尺寸，将钨银网剪切为长度4cm×3cm；

(3)将裁好的网片叠放、压制、捆扎

(4)把预制件垂直放置在真空炉中，在其上方放置银锭，并使炉内真空度控制在1.5×10^-4Pa以上，然后加热，加热速度为3～10℃/分钟，熔渗温度为1150℃，保温时间2小时，使熔化后的银液充分渗入到棒形体中各钨丝间的间隙中；

(5)随炉冷却至室温，取出后，即制成钨银复合阴极棒材；

(6)将制成的复合阴极棒材直接进行机械加工，制成钨银复合阴极材料。

实施例4：

制备Ag30W70阴极材料触头的工艺，参见图2。

(1)选用直径为80～100μm的钨丝材，并进行酸洗清洁，假设取d_w＝100μm，制备试样为4cm×4cm×3cm，利用公式①计算所需钨丝为114×10³根，编织二维网(如图1所示)；银丝所需极少，主要用于辅助编网和熔渗时诱导银液；

(2)按工况要求的尺寸，将钨银网裁成4cm×3cm的网片；

(3)将裁好的网片叠放、压制、捆扎；

(4)把预制件垂直放置在真空炉中，在其上方放置紫银锭，并使炉内真空度控制在1×10^-4Pa，然后加热，熔渗温度为1300℃，保温时间3小时，使熔化后的银液充分渗入到钨丝间的间隙中；

(5)随炉冷却至室温，取出后，即制成钨银复合阴极棒材；

(6)将制成的阴极棒材进行轧制变形，并进行机械加工，制成钨银复合阴极材料。

Claims (5)

1、一种钨铜或钨银复合材料的制备工艺，其特征在于，该制备工艺包括下述步骤：

(1)选用钨丝材，进行酸洗、清洁；

(2)以铜丝或银丝为纬线，钨丝为经线，按照工艺要求进行二维编织；

所需钨丝的根数，由公式①确定；

公式①为 $\frac{\frac{{d_W}^2}{4}\mathrm{\π}\×h\×N\×{\mathrm{\ρ}}_W}{(a\×b\×h-\frac{{d_W}^2}{4}\mathrm{\π}\×h\×N)\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}}=\frac{M_W}{M_{\mathrm{Cu}}}$

其中：a、b分别为所编网横截面的长和宽，h为钨丝高度，d_wW为钨丝直径，N为钨丝的总根数，ρ_W为钨的密度，ρ_Cu为铜或银的密度，M_W为钨的质量百分含量，M_Cu为铜或银的质量百分含量；

(3)将编织的钨铜或钨银网按工况要求裁成片状，然后将网片叠放进行压制，捆扎；

(4)将铜锭或银锭放置在捆扎后的片状材料上方，在真空烧结炉中进行熔渗；

(5)随炉冷却至室温，取出后，即制成钨铜或钨银复合阴极棒材；

(6)将上述复合阴极棒材进行机械加工，制得所需的复合材料元件。

2、如权利要求1所述的钨铜或钨银复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)所选用的钨丝直径为80μm～230μm。

3、如权利要求1所述的钨铜或钨银复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(1)选用的钨丝直径为80μm～120μm。

4、如权利要求1所述的钨铜或钨银复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(4)熔渗温度大于铜或银的熔点温度，保温时间为2小时～3小时。

5、如权利要求1所述的钨铜或钨银复合材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤(4)真空烧结炉中的真空度大于1×10^-4Pa；熔渗温度大于铜或银熔点的200℃～250℃。

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