钼铜真空开关触头材料渗铜工艺的优化

曹兆红，金向儒，李 涛，曾甲牙

（陕西中天火箭技术股份有限公司，西安 710025）

引言

钼铜合金由于具有良好的分断能力、导热导电性、耐压强度和抗熔焊性及优异的力学性能，作为真空开关灭弧室触头材料得到广泛应用。在触头材料生产中，钼基体烧结坯按常规工艺渗铜，常出现一些钼基体渗铜分布不均现象。钼渗铜工件在机加工过程中，钼铜基体表面上呈现一些不规则的氧化小黄斑点和机加工硬度不一致（钼基体表面呈光亮面硬度高难加工，属渗铜不均缺陷）现象。

针对钼基体渗铜不均现象等问题，进行了钼粉压制前过筛、烧结、钼渗铜工艺试验改进及电镜断口微观分析。通过优化改进钼渗铜工艺，在常规钼铜渗铜工艺基础上，渗铜工序中新增一段还原温度、时间梯度段和稍稍提高渗铜高温段温度。

1 试验

试验使用市采的高纯钼粉（纯度≥99.90%）、钼粉平均粒度为3.0µm～3.5µm，松装密度为0.9 g/cm3～1.5 g/cm3，熔渗用铜采用T2y紫铜板材。钼粉在YJ32-1000KN四柱液压机上压制成形，压制坯视密度为6.0 g/cm3～6.4 g/cm3。将钼粉压制坯在中频感应高温烧结炉中通氢气1100℃～1200℃，保温1 h～1.5 h还原温度下烧结。再将钼烧结坯在高温烧结炉中通氢气于1350℃～1400℃，保温2.5 h进行铜的熔渗。在常规钼渗铜的工艺基础上，通过优化改进钼渗铜工艺，在渗铜工序中，低温熔渗增加一段还原温度500℃、保温时间0.5 h梯度段。

采用阿基米德排水法检测钼铜合金密度；采用HD-187.5型布洛维硬度计检测硬度；采用WD-Z涡流电导仪检测电导率；采用金相显微镜和日本JEOL JSM-6400LV型扫描电子显微镜进行断口显微组织分析和X射线能量色散谱仪定性分析。

2 结果与分析

2.1 熔渗

在钼制品粉末冶金材料的生产中，钼基体渗铜（烧结）过程是一个关键性工序，对最终产品性能起着决定性作用。由Mo-Cu二元相图[1]得知，在1400℃以下Mo在Cu中的溶解度大约为1%。当钼基体固相烧结时，形成颗粒间的聚集联结呈骨架状具有一定的孔隙。在钼渗铜烧结过程中，液态铜的融溶，由于钼颗粒间的毛细管力作用，铜相发生粘性流动。这时由液相（铜相）引起的物质迁移比固相（钼相）扩散快，而且最终填满钼烧结体内的孔隙。因此可获得密度高、性能好的MoCu产品。两种不同条件下钼渗铜工艺的比较如图1、2所示。采用图2优化改进后的钼渗铜工艺试验，钼渗铜试样件经机加工车削，未发现渗铜不均及钼基体面上的小黄斑点现象。熔渗效果显然优于图1渗铜工艺。钼渗铜样品件性能检测符合产品性能指标要求。

图1 常规钼渗铜工艺

图2 改进后钼渗铜工艺

2.2 MoCu25合金显微组织

图3是MoCu合金烧结态的微观组织形貌。从图3可以看出，钼骨架中的细粉晶粒聚集联结，钼晶粒间形成连通孔。晶粒呈现等轴状，组织均匀分布，有利于液态铜的充分熔渗。图4、5分别是MoCu合金的常规和改进工艺后的钼渗铜微观组织形貌。由图4、5比较可知，在不同的工艺条件下液态铜均熔渗于钼骨架通孔中，且形成较为均匀的铜相网络结构组织。图4显示，经低温熔渗800℃～850℃，高温熔渗1320℃～1350℃梯度段，局部出现铜液未完全填充于钼晶粒孔隙间，导致渗铜分布不均。烧结金属或烧结渗铜件使用的还原气氛的还原能力由金属的氧化-还原反应的热力学所决定[2]。当铜熔渗使用的还原气氛（湿H2、N2、CO、CO2等）的渗铜过程中，碳氢化物（即游离碳化物和氧化物）、H2O（水气）和低熔点物质的融熔等物质的生成影响，导致液态铜熔渗润湿角变差，形成渗铜不均（缺铜）未渗透的钼斑缺陷现象。图5显示钼渗铜经两个梯度段低温熔渗500℃和800℃，高温1350℃～1400℃熔渗后，液态铜充分熔渗于钼骨架通孔中，形成均匀的铜相网络结构组织。

图3 烧结态的钼铜合金SEM显微组织形貌

图4 常规工艺钼渗铜的SEM显微组织形貌

图5 改进工艺后钼渗铜的SEM显微组织形貌

图6为钼铜触头产品基体面黄斑、钼斑X射线能谱分析。由图6可知，黄褐色斑点处为钼酸铜（CuMoO4）氧化物或MoCl2氯化物和氧氯化物。氧化物或氯化物的存在直接影响钼渗铜质量。该黄褐色斑点是一种氧化物或氯化物（MoCl2）[3]。钼酸铜（CuMoO4）的形成是在500℃～700℃温度区间加热CuO和MoO3混合物可得到黄绿色粉末颗粒状的无水钼酸铜。在850℃温度时，钼酸铜熔化并分解。三氧化钼（MoO3）是生产金属钼粉不可缺少的中间化合物，由金属钼或它的低价氧化物氧化生成。MoO3为略带浅绿的白色粉末，加热变黄，其熔点为795℃，沸点为1155℃。在800℃～900℃温度下可被氢气还原成金属钼。图7为钼铜触头钼渗铜的黄斑、钼斑缺陷SEM显微组织形貌。图7钼斑处主要含C、O元素，晶粒表面生成碳氢化物（Mo2C）或氧化物，与渗铜炉内气氛（H2、N2、CO、CO2、H2O等）相关。钼晶粒受碳氢化物（即游离碳化物）和氧化物生成的影响，导致液态铜熔渗润湿角变差，渗铜不均呈无铜区（钼斑）。

图6 钼铜触头产品基体面黄斑、钼斑X射线能谱

图7 钼铜触头钼渗铜的黄斑、钼斑缺陷SEM显微组织形貌

3 结论

在钼粉压制坯烧结过程中，适当延长低温段800℃烧结还原时间，可消除钼粉中低熔点杂质或氧化物，增强钼烧结坯渗铜效果。钼渗铜经两个梯度段低温熔渗500℃和800℃，高温1350℃～1400℃熔渗后，液态铜充分熔渗于钼骨架通孔中，形成均匀的铜相网络结构组织，改良工艺明显改善了渗铜效果。