CN102773462B - 一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法，先对合金锭机加工，然后进行合金熔接前预处理，之后再进行液固熔接，最后对材料机加工后即成。解决了现有焊接方法无法实现的结合界面无缺陷连接问题。具体是指通过液固熔接法使得ZL101A熔体与高熔点的CuW合金发生液固扩散和反应，形成一种冶金结合的界面过渡层，从而保证CuW/ZL101A双金属复合材料的界面结合强度。制备过程包括：ZL101A与CuW的表面洁净化处理；真空与Ar气氛保护环境下进行立式液固熔接；冷却成型。
Description
技术领域
本发明属于双金属复合材料制备的技术领域，具体涉及一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法。
背景技术
CuW合金是通过粉末冶金烧结熔渗法制备的一类具有高强度和硬度、高的导电性，并具有较强耐电弧烧蚀能力的假合金，广泛应用于开关行业；尤其是通过熔渗法将其与铬青铜连接在一起构成的CuW/CuCr整体材料，成为高压及特高压开关自力型触头的主导材料。但是随着市场竞争的加剧，触头材料居高不下的成本称为制约高压开关行业的主要瓶颈之一，因此迫切需要开发低成本的自力型触头材料。
ZL101A是铸造铝硅合金的一种，其具有良好的铸造性能，与铜及铜合金具有相近的强度、硬度、耐磨性和导电性，而且比铜及铜合金价格便宜。若将CuW假合金与ZL101A两种异质材料通过熔接方法连接在一起，制备成CuW/ZL101A双金属复合材料，成为部分对电导率要求不高的自力型触头的替代品，将有效节约触头材料的成本。
由于CuW假合金和ZL101A两种材料在物理、化学及力学性能等方面存在显著差异，采用传统的焊接方法，容易在焊接接头产生应力集中，导致各种焊接裂纹，并且不可避免存在其它焊接缺陷，无法达到CuW/ZL101A整体触头材料的对结合界面强度的要求。因此，需要开发一种高可靠性无缺陷的CuW和ZL101A的界面连接方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法，解决了现有焊接方法无法实现结合界面无缺陷连接，导致各种焊接裂纹，存在其它焊接缺陷的问题。
本发明的技术方案是，一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1，合金锭机加工
将CuW合金锭与ZL101A合金锭分别加工出洁净的表面，并确保能够装进相应尺寸的金属型坩埚；
步骤2，合金熔接前预处理
首先，用金相细砂纸打磨ZL101A合金铸锭，除去氧化皮；其次，用流动水冲洗表面残留物；再次，用超声波清洗残留在表面的油污，最后，用温水洗，进一步除去残余的油污，CuW合金用磷酸电解腐蚀10-50s；
步骤3，液固熔接
将步骤2预处理完成的两种合金放置于相应尺寸的金属型坩埚内，ZL101A合金锭竖直放在CuW合金上方，随后同金属型坩埚一起在真空炉中进行立式熔接，
首先，对真空炉抽真空，使真空度不大于5.0×10-2Pa；以16-18℃/min的升温速率进行加热，当炉内温度达到450℃-500℃时，再以7-10℃/min的升温速率继续升温至670℃-720℃时，保温30min，然后，向炉中充Ar，当真空管式炉的出气塑料管所在盛有自来水水瓶中的气泡稳定后，保温30min，之后冷却至常温，得到CuW/ZL101A双金属复合材料；
步骤4，机加工
对经步骤4处理过的CuW/ZL101A双金属复合材料进行机加工后，即成。
本发明的特点还在于，
步骤2中电解腐蚀CuW表面的磷酸采用体积浓度为75%的磷酸。
本发明的有益效果是，铜钨合金和铝硅合金都是导电、导热的电工材料，通过对两者进行一定的表面清洁处理和液固熔接，促进液相与固相互扩散和反应更充分，结合强度高。
附图说明
图1为本发明一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法的工艺流程图；
图2为本发明的方法制备的CuW/ZL101A双金属复合材料界面过渡层的低倍SEM照片；
图3是本发明的方法制备的CuW/ZL101A双金属复合材料界面过渡层的高倍SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法，是一种低熔点金属和粉末冶金成型的难熔金属熔接的方法。首先对CuW及ZL101A合金表面进行洁净化处理；其次，在真空和Ar气氛保护环境中进行立式（上ZL101A，下CuW）熔接；最后，冷却成型。如图1所示的流程，具体按照以下步骤实施：
步骤1，合金锭机加工
将CuW合金锭与ZL101A锭分别加工出洁净的表面，并确保能够装进相应尺寸的金属型坩埚；
步骤2，合金熔接前预处理
首先，用金相细砂纸打磨铝硅合金，除去氧化皮；其次，用流动水冲洗表面残留物；再次，用超声波清洗残留在表面的油污，最后，用温水洗，进一步除去残余的油污，CuW表面采用体积浓度为75%磷酸的电解腐蚀10-50s。
步骤3，液固熔接
将步骤2预处理完成的两种合金放置于步骤1中的金属型坩埚内，ZL101A合金竖直放在CuW合金上方，随后一起在真空炉中进行立式熔接。首先，对真空炉抽真空，使真空度不大于5.0×10-2Pa；以16-18℃/min的升温速率进行加热，当炉内温度达到450℃-500℃时，再以7-10℃/min的升温速率继续升温至670℃-720℃时，保温30min，然后，向炉中充Ar，当出气塑料管所在盛有自来水水瓶中的气泡稳定后，保温30min，之后在空气中冷却至常温。真空是对ZL101A熔液和连接界面的净化处理。Ar气氛是为了便于冷却成型的实施。
步骤4，对CuW/ZL101A双金属复合材料进行机加工后，即成，并可以观察到界面清晰结合的过渡层。
实施例1
将CuW合金铸锭与ZL101A合金铸锭分别加工出洁净的表面，并确保能够装进相应尺寸的金属型坩埚；用金相细砂纸打磨ZL101A合金铸锭，除去氧化皮；再用流动水冲洗表面残留物；用超声波清洗残留在表面的油污，最后，用温水洗，进一步除去残余的油污。CuW表面采用体积浓度为75%磷酸的电解腐蚀10-50s。
将预处理完成的两种合金放置于相应尺寸的金属型坩埚内，ZL101A合金竖直叠放于CuW合金上方，随后一起在真空炉中进行立式熔接。首先，对真空炉抽真空，使真空度不大于5.0×10-2Pa；以16-18℃/min的升温速率进行加热，当炉内温度达到450℃-500℃时，再以7-10℃/min的升温速率继续升温至670℃时，保温30min，然后，向炉中充Ar，当出气塑料管所在盛有自来水水瓶中的气泡稳定后，保温30min，然后冷却，即得到该复合材料。
实施例2
将预处理完成的两种合金放置于相应尺寸的金属型坩埚内，ZL101A合金竖直叠放于CuW合金上方，随后一起在真空炉中进行立式熔接。首先，对真空炉抽真空，使真空度不大于5.0×10-2Pa；以16-18℃/min的升温速率进行加热，当炉内温度达到450℃-500℃时，再以7-10℃/min的升温速率继续升温至690℃时，保温30min，然后，向炉中充Ar，当出气塑料管所在盛有自来水水瓶中的气泡稳定后，保温30min，然后冷却，即得到该复合材料。
实施例3
将预处理完成的两种合金放置于相应尺寸的金属型坩埚内，ZL101A合金竖直叠放于CuW合金上方，随后一起在真空炉中进行立式熔接。首先，对真空炉抽真空，使真空度不大于5.0×10-2Pa；以16-18℃/min的升温速率进行加热，当炉内温度达到450℃-500℃时，再以7-10℃/min的升温速率继续升温至720℃时，保温30min，然后，向炉中充Ar，当出气塑料管所在盛有自来水水瓶中的气泡稳定后，保温30min，然后冷却，即得到该复合材料。
以上所列出的三个实施例中的制备工艺如图1所示。制备出的双金属复合材料结合界面过渡层微观组织形貌如图2所示；图3是界面过渡层的局部放大图；通过图2可以看出界面过渡层是以树枝状向ZL101A侧延伸生长，通过图2可以看出CuW基体，在ZL101A熔体的高温作用下，CuW中的W由于ZL101A熔体的热腐蚀与溶解作用，使得原先完整的W骨架少量溶解掉，随着ZL101A熔体的自扩散以及CuW中Cu原子的互扩散，零星的分布于界面扩散过渡层中。因此，液固熔接CuW/ZL101A双金属复合材料的界面是由界面原子的熔合、热溶解与扩散实现冶金结合。
本发明的优点是，开发一种新的CuW/ZL101A双金属复合材料，同时提供一种低熔点金属和粉末冶金成型的难熔金属熔接的方法，解决了现有焊接方法无法实现的结合界面无缺陷连接问题。更为重要的是，本发明可以缓解铜材的紧张，并且易加工、可回收循环再利用，成本低。
Claims (1)
1.一种CuW/ZL101A双金属复合材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1，合金锭机加工
将CuW合金锭与ZL101A合金锭分别加工出洁净的表面，并确保能够装进相应尺寸的金属型坩埚；
步骤2，合金熔接前预处理
首先，用金相细砂纸打磨ZL101A合金铸锭，除去氧化皮；其次，用流动水冲洗表面残留物；再次，用超声波清洗残留在表面的油污，最后，用温水洗，进一步除去残余的油污，CuW合金用体积浓度为75%的磷酸电解腐蚀10-50s；
步骤3，液固熔接
将步骤2预处理完成的两种合金放置于相应尺寸的金属型坩埚内，ZL101A合金锭竖直放在CuW合金上方，随后同金属型坩埚一起在真空管式炉中进行立式熔接，
首先，对真空炉抽真空，使真空度不大于5.0×10-2Pa；以16-18℃/min的升温速率进行加热，当炉内温度达到450℃-500℃时，再以7-10℃/min的升温速率继续升温至670℃-720℃时，保温30min，然后，向炉中充Ar，当炉子的出气塑料管所在盛有自来水水瓶中的气泡稳定后，保温30min，之后在冷却至常温，得到CuW/ZL101A双金属复合材料；
步骤4，机加工
对经步骤4处理过的CuW/ZL101A双金属复合材料进行机加工后，即成。
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