專利名稱：一種銅－碳化鎢－碳－鈦－稀土合金材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料及其制備方法，屬于材料化學領域。
背景技術：
常規Cu-WC(銅-碳化鎢)系列材料，是由硬度高、熔點高、蒸氣壓低、化學穩定性好的耐氧化材料WC(碳化鎢)，和有良好導電性的Cu(銅)組合形成的耐電弧作用好、燒損小、抗熔焊性能優良的電接觸復合材料，在常規的Cu-WC系列材料中WC質量百分含量在40～60％，這類材料在使用中最大的問題是由于WC含量過高，電導率低，在觸頭表面易形成氧化膜，使電阻升高，導電性變差，觸頭發熱過燒而損壞電器，這類觸頭只是用于較高電流的開關、斷路器等，而對中等電流的低壓電器開關、斷路器就顯得不適用了。這類材料是由在熔融狀態下互不相溶的元素組成，其加工性、工藝性都比較差，只能通過粉末冶金的方法來制造，這些工藝使材料的內部組織結構不穩定，影響了使用效果。上述缺陷使該Cu-WC系列材料在許多領域的適用性和滿意程度受到限制，因此，解決上述問題成了當務之急。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料。
本發明的另一個目的是提供一種銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的制備方法。
為實現上述目的，本發明的一個技術方案提供了一種銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料，該銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料主要由Cu、WC、C、Ti、稀土元素構成，各物質質量百分含量如下WC 5-20％、C 1.0-4％、Ti 0.8-2.5％、稀土0.1-1.2％，其余為Cu。
本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的優選配方為各物質總量百分含量如下WC 10-15％、C 2-3％、Ti 1-2％、稀土0.5-0.8％，其余為Cu。
本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的更優選配方為WC 12％、C 2.5％、Ti 1.2％、稀土1.0％，其余為Cu。
本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料中所用稀土元素為La、Ge、Y或混合稀土中的任意一種。
混合稀土是指以一種稀土為主，加入一定比例的其它稀土元素熔煉而成的稀上金屬，在名稱上也有以含量最多的一種稀土命名為“富×稀土金屬”的稱謂。例如“富Ce稀土金屬”“富La稀土金屬”等。該類產品是稀土生產廠家的定型產品，本發明中應用的是湖南長沙稀土研究所生產的產品。
在上述技術方案中稀土的加入可采用Cu-稀土合金粉碎后加入的方式。
本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的制備方法1.混合。
2.機械合金化反應。
3.造粒。
4.低溫退火。
5.初壓初燒。
6.復壓復燒。
7.整形處理。
8.檢驗。
進一步說明本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的制備方法1.混合按配方稱取各組分原料，經粉碎后過80-200目篩，裝入混料桶中，混合1-3小時。
2.機械合金化反應將混合好的粉料裝入高能球磨機的料罐內，裝入粉料體積3-5倍的鋼球和磨塊，密封罐口，抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮氣作為保護氣，打開高能球磨機的冷卻系統和控制系統，將交流電機的頻率在20-40秒內，從0Hz逐漸提升到60Hz，機械合金化2.5-10小時；待高能球磨機中粉料冷卻后取出粉料，過200目篩。
3.造粒按常規方法將步驟2中制得的粉料放入造粒機中，加入石蠟或硬脂酸進行造粒，加入石蠟或硬脂酸質量與粉料質量比為0.02-0.03∶1。然后將造好粒的材料轉移至箱式電阻爐中，在500-700℃下加熱3小時，脫去有機類揮發物質。
4.低溫退火將步驟3中造好粒的材料粉碎，過20目篩，用現有技術在300-350℃的溫度下進行低溫去應力退火，退火時間為2小時。
5.初壓初燒將步驟4中制得的粉料裝入壓模內，以2.5噸/cm2的壓力進行初壓成型；將壓好的合金在氫氣作為保護氣的條件下，依次在500℃下加熱2.5小時、800℃下加熱3小時、900℃下加熱4小時，分段逐步加熱燒結。
6.復壓復燒將步驟5中制得的合金材料裝入壓模內，以5噸/cm2的壓力進行復壓，使材料進一步致密化；將壓好的合金在氫氣燒結爐中，在900-950℃下復燒4小時，使合金材料完全燒結致密化。
7.整形處理將步驟6中制得的合金材料裝入壓模內，以2噸/cm2的壓力進行整形處理，使合金達到最終產品所要求的外形和尺寸，然后以現有技術進行除油、去毛刺、拋光，即為本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的產品。
9.檢驗抽樣檢驗合金的晶界分布，脫炭厚度，表面光潔度。
Cu-WC-C-Ti+稀土電接觸材料，是在金屬-碳化物系列的基礎上開發成功的一種新型電接觸材料，其設計思路是降低WC含量，增加有良好導電性能Cu的重量百分比，達到提高材料的導電性能，降低電阻率的效果，有效控制材料在使用中溫升高、發熱燒損觸頭的技術問題，同時添加適量的C和微量的Ti、稀土元素，進一步提高材料的抗熔焊性、電磨損性、耐電弧作用、電壽命等綜合性能。特別是采用了先進的機械合金化生產工藝，替代了傳統的粉末冶金混粉法，提高了材料內部組織結構的細微化程度，使材料的應用范圍從特定的大電流電器開關、斷路器的使用擴展到大多數中等電流系列的開關、斷路器均能使用。特別在節銀、替銀方面效果明顯，性價比更具優勢，因此市場前景看好。
下面結合各成分、含量及工藝更進一步說明本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的有益效果。
WC的主要作用是提高材料的抗磨損性、抗熔焊性、耐電弧作用等。其加入量不同，材料會得到不同的性能，含量過低會影響抗電磨損性，含量過高則會引起電阻率上升，觸頭溫升過快，因此不同類型的電器技術要求控制WC含量。本發明通過優化篩選將WC含量確定在質量百分含量為5-20％范圍內，常規的用量在質量百分含量為10-15％之間，由于良導體Cu含量比例大幅提高，從而達到降低材料電阻率，提高材料的導電率的效果，有效控制了使用過程中由于電流的作用觸頭溫升過高的弊端。
材料中C的主要作用是進一步改善和提高材料的抗熔焊性和自潤滑性，以保證觸頭的分斷效果。但C含量過高，會降低觸頭的密度，影響觸頭抗電磨損性，從研究的結果發現C含量控制在質量百分含量為1.5-4％之間為最佳配比。
微量金屬鈦和稀土(La、Ce、Y和混合稀土)的加入，是該材料在原有基礎上進一步提高性能的關鍵，其原因是微量鈦的加入，對細化晶粒有明顯作用，同時與部分C形成TiC，對提高材料的抗氧化性有良好的作用，降低觸頭表面氧化膜的形成，提高了開關、斷路器足夠的電流通斷能力。稀土的加入凈化了材料的晶界、改善了材料的工藝性和力學性，特別是與Cu中的雜質Pb、Bi等形成高熔點的化合物，呈細小的球形質點均勻分布在晶粒內，起到了細化晶粒的作用，大大提高了材料的力學性能、電導率、抗軟化溫度等。這種效果在機械合金化作用下更為明顯。Ti的含量控制在質量百分含量為0.8～2.5％，稀土元素質量百分含量為0.1～1.2％。
機械合金化是材料制備的一項新技術，特別是對粉末冶金材料，其特殊的作用是其它常規方法難以達到和無法實現的，如該新材料中的高硬度質點WC顆粒在高能機械合金化作用下，在破碎-焊合-破碎-焊合的不斷循環中被細化，同樣C顆粒以及C與Ti形成的TiC顆粒也將進一步被細化，且均勻彌散分布于基體Cu中。更為特殊的是在機械合金化的高能作用下，所形成的瞬間高溫高壓使部分稀土與Cu形成了金屬間化合物，均勻的分布于基體中，這對提高合金材料的綜合性能是十分有利的。
該材料是Cu基材料，通過成分優化和技術更新，其綜合性能達到了銀基合金電接觸材料的技術指標，并在一些指標上如抗電磨損性、抗熔焊性、電壽命還優于銀基合金，成功替代了銀基合金，節約了貴金屬，大大降低了生產成本，因此該材料是一種電學性能優異、價格低廉、應用廣泛具有較好經濟效益和社會效益的新型電接觸材料。發展該材料符合國家節銀代銀的發展戰略和合理利用資源的基本國策。
圖1-4是在不同放大倍數下，從不同角度拍攝的本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料中碳化鎢的分布情況。通過圖1-4可以看出碳化鎢及各組分得到充分的細化，分布均勻。
圖1為放大250倍的本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料中碳化鎢的分布情況圖2為放大250倍的本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料中碳化鎢的分布情況圖3為放大100倍的本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料中碳化鎢的分布情況1圖4為放大100倍的本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料中碳化鎢的分布情況具體實施例方式下面列舉制備本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的實施例，對本發明加以進一步說明，但本發明不只限于這些實施例。
實施例11.混合按配方稱取WC 5kg、C 1kg、Ti 0.8kg、La 0.1kg，Cu 93.1kg，經粉碎后過80-200目篩，裝入混料桶中，混合1-3小時。
2.機械合金化反應將混合好的粉料裝入高能球磨機的料罐內，裝入體積為粉料體積3倍的鋼球和磨塊，密封罐口，抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮氣作為保護氣，打開高能球磨機的冷卻系統和控制系統，機械合金化5小時；待高能球磨機中粉料冷卻后取出粉料，過200目篩，取用粒徑小于200目的粉末，不能通過200目篩的粉料放回高能球磨機內粉碎。
3.造粒將步驟2中制得的粉料放入造粒機中，加入石蠟進行造粒，加入石蠟的質量與粉料質量比為0.02∶1。然后將造好粒的材料轉移至箱式電阻爐中，在500℃下加熱3小時，脫去石蠟。
4.低溫退火將造好粒的材料粉碎，過20目篩，用現有技術在300-350℃的溫度下進行低溫去應力退火。
5.初壓初燒將步驟4中制得的粉料裝入壓模內，以2.5噸/cm2的壓力進行初壓成型；將壓好的合金在氫氣作為保護氣的條件下，依次在500℃下加熱2.5小時、800℃下加熱3小時900℃下加熱4小時，分段逐步加熱燒結。
6.復壓復燒將步驟5中制得的合金材料裝入壓模內，以5噸/cm2的壓力進行復壓，使材料進一步致密化；將壓好的合金在氫氣燒結爐中，在900-950℃溫度下復燒4小時，使合金材料完全燒結致密化。
7.整形處理將步驟6中制得的合金材料裝入壓模內，以2噸/cm2的壓力進行整形處理，使合金達到最終產品所要求的外形和尺寸，然后以現有技術進行除油、去毛刺、拋光，即為本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的產品。
8.檢驗抽樣檢驗合金的晶界分布，脫炭厚度，表面光潔度。
實施例21.混合按配方稱取WC 12kg、C 2.5kg、Ti 1.2kg、La 1.0kg，Cu 83.3kg，經粉碎后過80目篩，裝入混料桶中，混合1小時。
2.機械合金化反應將混合好的粉料裝入高能球磨機的料罐內，裝入體積為粉料體積5倍的鋼球和磨塊，密封罐口，抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮氣作為保護氣，打開高能球磨機的冷卻系統和控制系統，機械合金化10小時；待高能球磨機中粉料冷卻后取出粉料，過200目篩。
3.造粒將步驟2中制得的粉料放入造粒機中，加入硬脂酸進行造粒，加入硬脂酸的質量與粉料質量比為0.02-0.03∶1。然后將造好粒的材料轉移至箱式電阻爐中，在700℃下加熱3小時，脫去硬脂酸。
4.低溫退火將造好粒的材料粉碎，過20目篩，用現有技術在300-350℃的溫度下進行低溫去應力退火。
5.初壓初燒將步驟4中制得的粉料裝入壓模內，以2.5噸/cm2的壓力進行初壓成型；將壓好的合金在氫氣作為保護氣的條件下，依次在500℃下加熱2.5小時、800℃下加熱3小時、900℃下加熱4小時，分段逐步加熱燒結。
6.復壓復燒將步驟5中制得的合金材料裝入壓模內，以5噸/cm2的壓力進行復壓，使材料進一步致密化；將壓好的合金在氫氣燒結爐中，在900-950℃下復燒4小時，使合金材料完全燒結致密化。
7.整形處理將步驟6中制得的合金材料裝入壓模內，以2噸/cm2的壓力進行整形處理，使合金達到最終產品所要求的外形和尺寸，然后以現有技術進行除油、去毛刺、拋光，即為本發明銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的產品。
8.檢驗抽樣檢驗合金的晶界分布，脫炭厚度，表面光潔度。
實施例3-7用和實施例1同樣的方法制備銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料，實施例3-7用到的具體原料名稱和配比如表1所示。
表1
權利要求
1.一種銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料，該銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料由Cu、WC、C、Ti、稀土元素構成，各物質質量百分含量如下WC 5-20％、C 1.0-4％、Ti 0.8-2.5％、稀土0.1-1.2％，其余為Cu。
2.根據權利要求1所述的銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料，其特征在于，各物質質量百分含量如下WC 10-15％、C 2-3％、Ti 1-2％、稀土0.5-0.8％，其余為Cu。
3.根據權利要求1或2所述的銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料，其特征在于，各物質質量百分含量如下WC 12％、C 2.5％、Ti 1.2％、稀土1.0％，其余為Cu。
4.根據權利要求1或2或3所述的銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料，其特征在于，稀土元素為La、Ge、Y或混合稀土中的任意一種。
5.一種制備權利要求1所述的銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的方法，該方法包括以下步驟①混合；②機械合金化反應；③造粒；④低溫退火；⑤初壓初燒；⑥復壓復燒；⑦整形處理；⑧檢驗。
6.根據權利要求5所述的銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的制備方法，其特征在于，該方法的步驟如下①混合按配方稱取各組分原料，經粉碎后過80-200目篩，裝入混料桶中，混合1-3小時；②機械合金化反應將混合好的粉料裝入高能球磨機的料罐內，裝入鋼球和磨塊，密封罐口，機械合金化2.5-10小時；待高能球磨機中粉料冷卻后取出粉料，過200目篩，取用粒徑小于200目的粉末，不能通過200目篩的粉料放回高能球磨機內粉碎；③造粒按常規方法將步驟2中制得的粉料放入造粒機中，加入石蠟或硬脂酸進行造粒，加入的石蠟或硬脂酸質量與粉料質量比為0.02-0.03∶1；然后將造好粒的材料在500-700℃下加熱3小時，脫去有機類揮發物質；④低溫退火將步驟3中造好粒的材料粉碎，過20目篩，用現有技術在300-350℃的溫度下進行低溫去應力退火；⑤初壓初燒將步驟4中制得的粉料裝入壓模內，以2.5噸/cm2的壓力進行初壓成型；將壓好的合金在氫氣作為保護氣的條件下，依次在500℃下加熱2.5小時、800℃下加熱3小時、900℃下加熱4小時，分段逐步加熱燒結；⑥復壓復燒將步驟5中制得的合金材料裝入壓模內，以5噸/cm2的壓力進行復壓，將壓好的合金在氫氣燒結爐中，在900-950℃下復燒4小時；⑦整形處理將步驟6中制得的合金材料裝入壓模內，以2噸/cm2的壓力進行整形處理，然后以現有技術進行除油、去毛刺、拋光；⑧檢驗。
7.根據權利要求5或6所述的銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的制備方法，其特征在于，在機械合金化反應中，密封罐口后抽真空至-0.1Mpa，然后充入0.03Mpa的氮氣作為保護氣。
8.根據權利要求5或6或7所述的銅-碳化鎢-碳-鈦-稀土合金材料的制備方法，其特征在于，在機械合金化反應中，鋼球和磨塊的量為裝入的粉料重量的3-5倍。
全文摘要
一種銅—碳化鎢—碳—鈦—稀土合金材料，由Cu、WC、C、Ti、稀土元素構成。該合金材料是在金屬—碳化物系列的基礎上開發成功的一種新型電接觸材料，其降低了WC含量，增加了有良好導電性能Cu的重量百分比，達到提高材料的導電性能，降低電阻率的效果，有效控制材料在使用中溫升高、發熱燒損觸頭的技術問題，同時添加適量的C和微量的Ti、稀土元素，進一步提高材料的抗熔焊性、電磨損性、耐電弧作用、電壽命等綜合性能。特別是采用了先進的機械合金化生產工藝，替代了傳統的粉末冶金混粉法，提高了材料內部組織結構的細微化程度，使材料的應用范圍從特定的大電流電器開關、斷路器的使用擴展到大多數中等電流系列的開關、斷路器均能使用。特別在節銀、替銀方面效果明顯，性價比更具優勢，因此市場前景看好。
文檔編號C22C9/00GK1644727SQ20051000725
公開日2005年7月27日 申請日期2005年2月6日 優先權日2005年2月6日
發明者陳曉 申請人:陳曉