銅基電接觸材料制造工藝

摘要：利用粉末冶金法制備了銅基電接觸材料銅鎢碳化鎢/銅雙層產品，銅層平整，且厚度要求達到0.6mm左右，同時產品Cu層里面不能有氣孔存在。CuWWC復合材料兼有Cu的高導電、導熱率、塑形及易加工性和W的高熔點、高比重、抗電蝕性、抗熔焊性、高的高溫強度以及WC的高熔點、高硬度性能，在真空接觸器上得到了廣泛的應用。

關鍵詞：銅合金電接觸材料；粉末冶金法；雙層產品

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）26-0063-02

CuWWC復合材料是由Cu、W、WC所組成的三相均勻分布的既不互溶又不形成化合物的一類復合材料，兼有Cu的高導電、導熱率、塑形及易加工性和W的高熔點、高比重、抗電蝕性、抗熔焊性、高的高溫強度以及WC的高熔點、高硬度性能，在真空接觸器上得到了廣泛的應用。

1 CuWWC/Cu制造工藝

1.1 合金粉末制備過程

將W粉與WC粉以1∶1的比例進行V型混粉機混粉，然后在真空燒結爐中進行燒結，后進行破碎過篩，將其與配料中剩余的W粉、Cu粉以一定比例進行混合，在鉬棒爐中進行粉料燒結、破碎、過篩。以上述方法制備CuWWC的

粉末。

1.2 試驗工藝流程

CuWWC合金粉制備→初壓壓制→溶滲燒結→外觀加

工→清洗。

1.3 溶滲燒結工藝

疊層溶滲，就是用熔點比骨架熔點低的金屬或合金置于金屬粉末壓制后預燒結或未燒結的多孔體骨架上面或者下面進行的溶滲。

采用一般疊層溶滲燒結方式的產品，其溶滲燒結方式為溶滲Cu片放置在基體CuWWC上面，在燒結爐內一定氣氛與溫度、時間下，溶滲Cu熔化進入基體CuWWC骨架結構里面，其中一部分Cu片熔化填滿基體骨架，另外一部分溶滲Cu片留在基體上面形成Cu層，即燒結結束之后，在垂直方向上Cu層與基體CuWWC為上下結構。通常采用這種方式燒結的產品，其Cu層以“鼓包”的形式堆積在基體上面，難以做到Cu層平整以及Cu層在0.6mm左右。而且Cu層以“鼓包”形式存在的電接觸材料CuWWC/Cu在加工Cu層時難度也比較大。對燒結環(huán)境的要求也比較高，如果燒結爐真空度不足的話，極易使Cu層里面存有氣孔。為了改善上述制作方法，采用垂直溶滲燒結，即溶滲Cu片放置在基體CuWWC上面，但是基體的放置位置發(fā)生變化，與一般疊層熔滲燒結相比較，基體CuWWC的放置旋轉90°，在燒結爐一定氣氛、溫度與時間下，溶滲Cu一部分熔化進入基體骨架里面，一部分在基體的側面由液體成為固體凝固下來形成Cu層，即燒結結束后，在垂直方向上，Cu層與基體CuWWC為左右結構。采用這種方法制作CuWWC/Cu雙層產品Φ22×3.2，Cu層要求厚度在0.6mm左右，平整，Cu層里面沒有氣孔。

1.4 溶滲燒結試驗

1.4.1 燒結時燒舟的設計。由于Cu層在基體CuWWC壓坯的側面形成，所以需要對燒舟進行特殊設計。在垂直方向上，燒舟一側根據Cu層厚度的要求設計Cu層最后形成所需要的空間，另外一側根據基體CuWWC骨架的尺寸設計壓坯所需要的空間，同時在Cu層與基體CuWWC骨架所在燒舟空間的上方設計溶滲Cu的放置位置以及便于溶滲Cu熔化流入基體CuWWC骨架與Cu層空間的導槽。這里對溶滲Cu熔化經過的導槽設計要求比較嚴格，如果導槽設計不合理，會影響溶滲Cu在熔化時溶滲進入骨架與形成Cu層，導致Cu層短缺或者是Cu層不平整以及出現孔洞。

1.4.2 燒結溫度與時間。由于Cu的熔點是1083℃，所以選擇比Cu的熔點稍高的溫度進行溶滲燒結。

表1 CuWWC/Cu溶滲燒結溫度與時間的影響

溶滲燒結溫度（℃） 溶滲時間（min） 氣氛 結果

1100 12 氫氣 不良

1100 18 氫氣 良好

1150 12 氫氣 不良

1150 18 氫氣 不良

1200 12 氫氣 不良

1200 18 氫氣 不良

采用1100℃，12min燒結參數制作的產品，由于燒結時間比較短，部分產品溶滲Cu沒有很好地熔化進行溶滲導槽，造成Cu層位置Cu短缺（圖1）。

采用1100℃，18min燒結參數制作的產品，結果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時Cu層里面沒有發(fā)現肉眼可見的孔洞（Cu層車削0.2～0.3mm）（圖2）。

圖1 Cu層Cu短缺 圖2 產品里面沒有氣孔

采用1150℃，12min燒結參數制作的產品由于燒結時間比較短，部分產品溶滲Cu沒有很好地熔化進行溶滲導槽，造成Cu層位置Cu短缺。

采用1150℃，18min燒結參數制作的產品，結果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時Cu層里面沒有發(fā)現肉眼可見的孔洞，但是部分產品在燒結結束之后容易被氧化。

采用1200℃，12min燒結參數制作的產品，結果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時Cu層里面沒有發(fā)現肉眼可見的孔洞，但是全部產品在燒結結束之后被氧化。

采用1200℃，18min燒結參數制作的產品，結果良好，既形成符合要求的Cu層（0.6mm左右），同時Cu層里面沒有發(fā)現肉眼可見的孔洞，但是全部產品在燒結結束之后被氧化。

所以，根據以上實驗結果，燒結工藝參數1100℃，18min，氫氣氣氛為最佳產品制造參數。

1.4.3 溶滲Cu量的影響。由于采用垂直燒結方式進行制作，在溶滲燒結過程中，溶滲Cu的量對產品制作結果也有著影響。計算了3個Φ22×3.2的溶滲Cu的重量，對比3組Cu量對產品燒結結果的影響。

方式1計算方法=溶滲到骨架結構的溶滲Cu量+Cu層0.6mm需要的溶滲Cu量。

方式2計算方法=溶滲到骨架結構的溶滲Cu量+Cu層0.6mm需要的溶滲Cu量+溶滲Cu導槽Cu量。

方式3計算方法=溶滲到骨架結構的溶滲Cu量+Cu層0.6mm需要的溶滲Cu量+（溶滲Cu導槽Cu量）×2。

表2 不同溶滲Cu量對產品結果的影響

溶滲Cu量計算方式 溶滲Cu量（g） 結果

方式1 6.5 不良

方式2 8.5 良品

方式3 10.5 良品

采用6.5g溶滲Cu量制作的產品，部分產品出現溶滲Cu留在導槽處，導致Cu層短缺，一部分產品雖然Cu層平整，但是Cu層有氣孔，不良。

采用8.5g溶滲Cu量制作的產品，Cu層平整（圖3、圖4），而且沒有氣孔，效果良好，Cu層達到0.6mm左右（圖5），50X金相顯微結構檢測，Cu層厚度為0.677mm。在溶滲過程中，氣體隨著溶滲Cu向下流動時向上移動到導槽處的Cu位置，從而避免了Cu層氣孔的產生。加工成品時需要將導槽處形成的Cu去掉即可。

圖3 Cu層面平整 圖4 CuWWC/Cu工作面

采用10.5g溶滲Cu量制作的產品，Cu層平整，而且沒有氣孔，Cu層厚度0.6mm左右，但是導槽處Cu量比較多：一是材料的使用量過多、成本高，二是給成品的加工帶來復雜度。

通過以上實驗，最終將溶滲Cu量設定在方式2的計算方法上。

圖5 CuWWC/Cu產品Cu層厚度測量50X

2 結語

通過上述實驗，制作CuWWC/Cu雙層產品，Cu層在0.6mm左右，且Cu層沒有氣孔，主要從以下三點可以實現產品的制作：（1）溶滲燒舟設計；（2）溶滲溫度、時間、氣氛；（3）溶滲量計算。

采用這種方法制作的產品已經實現了生產化，應用商開始了使用。

參考文獻

[1]陳文革.熱處理對CuW電工合金組織與性能的影響

[J].電工材料，2002，（2）.

[2]陳文革，胡可文，羅啟文.WC/Cu大電流滑動電接觸材料的研究[J].高壓電器，2008，（1）.

[3]銅鎢及銀鎢電觸頭（GB/T8320-2003）[S].

作者簡介：吳婷（1984—），女，山西人，供職于上海電科電工材料有限公司，研究方向：銀基與銅基電接觸

材料。