铜基电接触材料制造工艺

摘要：利用粉末冶金法制备了铜基电接触材料铜钨碳化钨/铜双层产品，铜层平整，且厚度要求达到0.6mm左右，同时产品Cu层里面不能有气孔存在。CuWWC复合材料兼有Cu的高导电、导热率、塑形及易加工性和W的高熔点、高比重、抗电蚀性、抗熔焊性、高的高温强度以及WC的高熔点、高硬度性能，在真空接触器上得到了广泛的应用。

关键词：铜合金电接触材料；粉末冶金法；双层产品

中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）26-0063-02

CuWWC复合材料是由Cu、W、WC所组成的三相均匀分布的既不互溶又不形成化合物的一类复合材料，兼有Cu的高导电、导热率、塑形及易加工性和W的高熔点、高比重、抗电蚀性、抗熔焊性、高的高温强度以及WC的高熔点、高硬度性能，在真空接触器上得到了广泛的应用。

1 CuWWC/Cu制造工艺

1.1 合金粉末制备过程

将W粉与WC粉以1∶1的比例进行V型混粉机混粉，然后在真空烧结炉中进行烧结，后进行破碎过筛，将其与配料中剩余的W粉、Cu粉以一定比例进行混合，在钼棒炉中进行粉料烧结、破碎、过筛。以上述方法制备CuWWC的

粉末。

1.2 试验工艺流程

CuWWC合金粉制备→初压压制→溶渗烧结→外观加

工→清洗。

1.3 溶渗烧结工艺

叠层溶渗，就是用熔点比骨架熔点低的金属或合金置于金属粉末压制后预烧结或未烧结的多孔体骨架上面或者下面进行的溶渗。

采用一般叠层溶渗烧结方式的产品，其溶渗烧结方式为溶渗Cu片放置在基体CuWWC上面，在烧结炉内一定气氛与温度、时间下，溶渗Cu熔化进入基体CuWWC骨架结构里面，其中一部分Cu片熔化填满基体骨架，另外一部分溶渗Cu片留在基体上面形成Cu层，即烧结结束之后，在垂直方向上Cu层与基体CuWWC为上下结构。通常采用这种方式烧结的产品，其Cu层以“鼓包”的形式堆积在基体上面，难以做到Cu层平整以及Cu层在0.6mm左右。而且Cu层以“鼓包”形式存在的电接触材料CuWWC/Cu在加工Cu层时难度也比较大。对烧结环境的要求也比较高，如果烧结炉真空度不足的话，极易使Cu层里面存有气孔。为了改善上述制作方法，采用垂直溶渗烧结，即溶渗Cu片放置在基体CuWWC上面，但是基体的放置位置发生变化，与一般叠层熔渗烧结相比较，基体CuWWC的放置旋转90°，在烧结炉一定气氛、温度与时间下，溶渗Cu一部分熔化进入基体骨架里面，一部分在基体的侧面由液体成为固体凝固下来形成Cu层，即烧结结束后，在垂直方向上，Cu层与基体CuWWC为左右结构。采用这种方法制作CuWWC/Cu双层产品Φ22×3.2，Cu层要求厚度在0.6mm左右，平整，Cu层里面没有气孔。

1.4 溶渗烧结试验

1.4.1 烧结时烧舟的设计。由于Cu层在基体CuWWC压坯的侧面形成，所以需要对烧舟进行特殊设计。在垂直方向上，烧舟一侧根据Cu层厚度的要求设计Cu层最后形成所需要的空间，另外一侧根据基体CuWWC骨架的尺寸设计压坯所需要的空间，同时在Cu层与基体CuWWC骨架所在烧舟空间的上方设计溶渗Cu的放置位置以及便于溶渗Cu熔化流入基体CuWWC骨架与Cu层空间的导槽。这里对溶渗Cu熔化经过的导槽设计要求比较严格，如果导槽设计不合理，会影响溶渗Cu在熔化时溶渗进入骨架与形成Cu层，导致Cu层短缺或者是Cu层不平整以及出现孔洞。

1.4.2 烧结温度与时间。由于Cu的熔点是1083℃，所以选择比Cu的熔点稍高的温度进行溶渗烧结。

表1 CuWWC/Cu溶渗烧结温度与时间的影响

溶渗烧结温度（℃） 溶渗时间（min） 气氛 结果

1100 12 氢气 不良

1100 18 氢气 良好

1150 12 氢气 不良

1150 18 氢气 不良

1200 12 氢气 不良

1200 18 氢气 不良

采用1100℃，12min烧结参数制作的产品，由于烧结时间比较短，部分产品溶渗Cu没有很好地熔化进行溶渗导槽，造成Cu层位置Cu短缺（图1）。

采用1100℃，18min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞（Cu层车削0.2～0.3mm）（图2）。

图1 Cu层Cu短缺 图2 产品里面没有气孔

采用1150℃，12min烧结参数制作的产品由于烧结时间比较短，部分产品溶渗Cu没有很好地熔化进行溶渗导槽，造成Cu层位置Cu短缺。

采用1150℃，18min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞，但是部分产品在烧结结束之后容易被氧化。

采用1200℃，12min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞，但是全部产品在烧结结束之后被氧化。

采用1200℃，18min烧结参数制作的产品，结果良好，既形成符合要求的Cu层（0.6mm左右），同时Cu层里面没有发现肉眼可见的孔洞，但是全部产品在烧结结束之后被氧化。

所以，根据以上实验结果，烧结工艺参数1100℃，18min，氢气气氛为最佳产品制造参数。

1.4.3 溶渗Cu量的影响。由于采用垂直烧结方式进行制作，在溶渗烧结过程中，溶渗Cu的量对产品制作结果也有着影响。计算了3个Φ22×3.2的溶渗Cu的重量，对比3组Cu量对产品烧结结果的影响。

方式1计算方法=溶渗到骨架结构的溶渗Cu量+Cu层0.6mm需要的溶渗Cu量。

方式2计算方法=溶渗到骨架结构的溶渗Cu量+Cu层0.6mm需要的溶渗Cu量+溶渗Cu导槽Cu量。

方式3计算方法=溶渗到骨架结构的溶渗Cu量+Cu层0.6mm需要的溶渗Cu量+（溶渗Cu导槽Cu量）×2。

表2 不同溶渗Cu量对产品结果的影响

溶渗Cu量计算方式 溶渗Cu量（g） 结果

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溶渗Cu量制作的产品，部分产品出现溶渗Cu留在导槽处，导致Cu层短缺，一部分产品虽然Cu层平整，但是Cu层有气孔，不良。

采用8.5g溶渗Cu量制作的产品，Cu层平整（图3、图4），而且没有气孔，效果良好，Cu层达到0.6mm左右（图5），50X金相显微结构检测，Cu层厚度为0.677mm。在溶渗过程中，气体随着溶渗Cu向下流动时向上移动到导槽处的Cu位置，从而避免了Cu层气孔的产生。加工成品时需要将导槽处形成的Cu去掉即可。

图3 Cu层面平整 图4 CuWWC/Cu工作面

采用10.5g溶渗Cu量制作的产品，Cu层平整，而且没有气孔，Cu层厚度0.6mm左右，但是导槽处Cu量比较多：一是材料的使用量过多、成本高，二是给成品的加工带来复杂度。

通过以上实验，最终将溶渗Cu量设定在方式2的计算方法上。

图5 CuWWC/Cu产品Cu层厚度测量50X

2 结语

通过上述实验，制作CuWWC/Cu双层产品，Cu层在0.6mm左右，且Cu层没有气孔，主要从以下三点可以实现产品的制作：（1）溶渗烧舟设计；（2）溶渗温度、时间、气氛；（3）溶渗量计算。

采用这种方法制作的产品已经实现了生产化，应用商开始了使用。

参考文献

[1]陈文革.热处理对CuW电工合金组织与性能的影响

[J].电工材料，2002，（2）.

[2]陈文革，胡可文，罗启文.WC/Cu大电流滑动电接触材料的研究[J].高压电器，2008，（1）.

[3]铜钨及银钨电触头（GB/T8320-2003）[S].

作者简介：吴婷（1984—），女，山西人，供职于上海电科电工材料有限公司，研究方向：银基与铜基电接触

材料。