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耐磨
抗烧蚀钨铜触头
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耐磨抗烧蚀钨铜触头材料的研究,耐磨,抗烧蚀钨铜触头,材料,研究,钻研
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中期报告题目：耐磨抗烧蚀铜钨触头材料的研究1 设计（论文）进展状况1.1实验原料本实验所用原料有 W 粉、Cu 粉、Al 粉，各原料的参数见表 1.1。表1.1 实验用原料参数名称 尺寸 纯度 生产厂家钨粉 6m 99.5% 南京市鑫顿合金喷漆有限公司铜粉 6m 99.5% 南京市鑫顿合金喷漆有限公司铝粉 325m 99%包覆铜粉 200m 99.8% 郑州化学试剂二厂1.2实验配料本实验拟做三组样品，各组具体成分配比见表1.2。表1.2 实验各组成分配比组号 铜粉（wt%) 铝粉（wt%) 钨粉（wt%)一 42.5 7.5 50二 34 6 60三 25.5 4.5 701.3制备过程材料的制备流程为：烘粉称料混粉冷压成型热压烧结1.3.1烘粉在热鼓风干燥机中烘粉1小时，温度为120。1.3.2混粉人工研磨40分钟1.3.3冷压成型采用 WE-30万能材料试验机冷压，钢模压制成型，冷压压力为600 MPa，保压时间3 min。1.3.4热压烧结采用自制热压烧结设备，第一组成分各试样成型参数见表1.3。热压烧结前后试样的宏观形貌如图1.1和1.2所示。图1.1 冷压后试样外形 图1.2 热压烧结后试样外形表1.3 第一组试样热压烧结参数试样编号 热压温度 热压压力 保压时间1 800 150MPa 1H2 700 150MPa 1H3 600 150MPa 1H2 性能检测结果2.1硬度测试采用 HR-150A 洛氏硬度计测量硬度值，各样品硬度值见表2.1（采用 HRC 表示）：表2.1 第一组试样硬度值编号 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 平均值1 34 29 32 25 33 312 38 38 38 36 39 382.2密度测试采用浮力法测密度，具体数据如下：各样品干重如表2.2所示：表2.2 第一组试样干重编号 m1/g m2/g m3/g m/g1 9.9375 9.9373 9.9375 9.93742 6.7404 6.7403 6.7402 6.74033 12.535 12.5352 12.5352 12.5353铬锆铜 5.5533 5.5536 5.5534 5.5534各样品密度如表2.3所示：表2.3 第一组试样密度编号 失重 m/g 体积 V/ cm3（ V=(m-m)g/ 水 g）密度 /g/cm31 8.8952 1.4863 9.51582 6.0184 0.7233 9.31883 11.0520 1.4863 8.4339铬锆铜 4.9250 0.6297 8.81912.3导电性测试采用 YY2513数字直流微电阻测量仪测量样品电阻，各样品具体数据如表2.4所示：表2.4 第一组试样电阻值编号 R1/m R2/m R3/m R4/m R5/m 平均值 R/m1 0.281 0.286 0.296 0.288 0.284 0.2872 0.318 0.316 0.322 0.299 0.314 0.3143 1.402 1.245 1.592 1.185 1.280 1.341铬锆铜 0.114 0.116 0.118 0.116 0.118 0.1162.4 XRD 衍射分析采用岛津 XRD6000型 X 射线衍射仪对热压烧结烧结后的试样进行分析。3 对比材料铬锆铜（CuCrZr）化学成分（质量分数）%（ Cr：0.1-0.8，Zr：0.3-0.6），部分性能如表3.1所示：表3.1 铬锆铜部分性能密度 g/cm3 硬度 HRB 导电率(20)IACS(%）电导率MS/M8.9 78-83 75 44MS/M4 存在问题及解决措施根据抗烧蚀测定的国标 JB/T 8632-1997，触头材料应在20004000A 的电流，150V 左右的电压下用专业设备进行测试，但是实验条件达不到。解决的方法是在焊接波形控制多种功能交直流 TIG 焊机上，固定起弧距离，采用最大电流对单点进行多次烧蚀，记录表面出现明显痕迹时的次数，与铬锆铜进行对比。5 后期工作安排（1） 完成试样的 XRD 图谱分析以及金相组织观察，抗烧蚀性的测定，选定合理的热压工艺。（2） 完成剩余试样的制备、测试工作。（3） 完成耐磨性的测定。指导教师签字：年 月 日开题报告题目：耐磨抗烧蚀铜钨触头材料的研究1 毕业设计（论文）综述1.1 题目背景及研究意义近年来,由于钨铜复合材料优异的热、电性能，在大规模集成电路和大功率微波器件中应用钨铜材料作为基片、嵌块、连接件和散热元件得到了迅速的发展。它的高导热及耐热性大大提高了微电子器件的使用功率,使器件小型化；它合适的热膨胀系数可以与微电子器件中硅片、砷化镓等半导体材料及管用陶瓷材料很好地匹配连接，避免热应力所引起的热疲劳破坏。但是，作为微电子技术应用的钨铜材料，要求它有很高的质量和性能，包括高密度、高结构均匀性和高的热、电性能,是与常规使用的电接触钨铜材料具有完全不同的高质量要求,因此,钨铜复合材料的制取工艺必须要有一个新的飞跃。根据钨铜复合材料的各项特性，各种新的可能应用还在不断地研究和开发中，如它可以作为重载荷滑动摩擦轴套的加强筋，用作高速旋转和运动的固体密封件；各种仪器仪表中要求无磁、低膨胀、高弹性模量,防辐射屏蔽等特殊要求的零部件；正在发展中的实验聚合反应堆，它还被研究作为承受和传递大热流的装置材料，其他诸如激光器、通讯设备、办公设备以至体育和运动器件也都可以找到钨铜复合材料的用途。真空开关电器的出现，开发和应用了真空用钨铜复合材料，成为钨铜复合材料重要的应用新领域，这类电器要求真空下使用，品种规格多，使用条件也不相同。因此，除了要求符合真空条件外，还需开发适合不同用途的钨铜复合材料。各种先进的电加工技术的发展,成为高耐热、高导电和抗电弧烧蚀的钨铜材料的另一个重要应用领域。它对钨铜材料的要求,一是尽可能均匀致密，性能稳定；二是品种、规格繁多，以处理加工各种条件和形状的工件 1。钨铜复合材料的广阔应用，需要开发新型的材料制备工艺，开发设计新型的材料成分以提高材料的使用性能，目前国内外都在进行着大量的工作，就从目前研究的主要方向来看，梯度结构功能材料、纳米结构材料是钨铜复合材料研究的主要特点，从制备工艺来说粉末冶金工艺由于其具有其独特的优越性而受到材料工作者的广泛关注。1.2 国内外研究现状W/Cu 或 Mo/Cu 两相复合材料具有较高的导热性和低的热膨胀系数，在大功率器件中被视为一种很好的热沉材料。近些年来,有关 W/Cu 或 Mo/Cu 作为电子热沉材料的研究在国内外已有一些报道。这些研究主要包括粉末改性、添加活性剂以提高W/Cu 或 Mo/Cu 的烧结密度等。材料的最高致密度可达 99%以上，采用纯度较高的粉末原料，W/15Cu 材料的热导率可达 200W/mK，Mo/15Cu 材料的热导率可达160W/mK。但是随着功率的进一步增大和使用条件的更加苛刻，对材料提出更高的要求。均质的 W/Cu 或 Mo/Cu 材料已不能满足要求,迫切需要新的高性能热沉材料。日本学者首先提出了梯度结构功能材料的新概念，并对 W/Cu 和 Mo/Cu 功能结构梯度材料从制备工艺、计算机模拟和预测等方面做了大量的研究，取得了实质性的进展,并在大功率器件中发挥了重要的作用。梯度结构功能材料已成为新型高性能热沉材料的主要发展方向。国内学者对 W/Cu 或 Mo/Cu 材料也已作了很多研究，传统均质材料的性能已接近国际先进水平，但对 W/Cu 或 Mo/Cu 功能梯度材料还未展开研究。钨铜复合材料是有钨和铜两个物理性能差异很大的金属所组成的二相组织材料，其性能随组织的变化而变化，因此，作为梯度材料，它可以一端是高熔点、高硬度的钨或低含铜的钨铜；另一端则是高导热导电和较好塑性的铜或高含铜的钨铜。这样的梯度材料具有极为特异的功能和良好的应用前景，为了制取梯度结构的钨铜复合材料，Takahashi 等采用分层装入不同粒度的钨粉，经冷压、烧结、熔渗铜制取不同组成的钨铜梯度材料，将烧结好的多孔钨坯电化学腐蚀形成沿腐蚀方向具有梯度孔隙率的钨坯，经熔渗铜即可制得具有连续组成变化的钨铜梯度材料 12。此外，采用等离子喷涂不同组成的钨铜混合物和分别装入不同组成的钨铜混合粉末压制烧结的亦可以制取钨铜梯度材料。文献13第一次报导了专利(United States Patent,6,114,08)采用粉末冶金溶渗工艺制取新型的各相异性的钨铜梯度材料的方法。首先，采用粉末冶金方法制取两种成分完全不同的钨铜坯块,采用嵌入的方法，把其中热导率大的钨铜坯块嵌入另一坯块中，由于嵌入的坯块铜含量非常高，热导率也高，而外围的坯块由于较低的铜含量，可保证整个梯度材料的热膨胀系数较低，据文献13报导，其有效热导率可高达200W/mK 以上，而热膨胀系数只有 5.57.1ppm/。专利 USA6,248,290 在专利 USA6，114，048 和专利 USA6，037，006 等的基础上发明了一种新型钨铜(钼铜)梯度结构功能材料及制备方法，该梯度结构材料包含一个由 W-Cu(Mo-Cu)为主的金属部分和一个以 AlN-Al 为主的陶瓷部分，这两部分可以很好地结合起来并且具有很高的导热率 1。20 世纪 90 年代，发现纳米结构的材料具有常规结晶材料所不具备的特异性能，从而受到材料制造者和应用者的重视，各种类型的纳米材料得到研究和发展。同样，对纳米结构的钨铜复合材料也进行了开发。纳米结构的钨铜粉末由于具有良好的烧结性能，成型工艺一般采用注射成型法。文献14报道了通过高能球磨将金属钨粉和铜粉混合进行长时间的研磨，可以制得均匀分布的超细钨铜混合粉末,它具有极均匀的纳米尺寸的钨相和铜相组织，含铜30%(质量百分数 )的钨铜混合粉末球磨 50h 后，可得到 2030nm 的钨相，将此纳米粉成型并在较低温度下烧结，可得到相对密度 98%，钨晶粒 60nm，组织均匀的钨铜复合材料。含铜 20%(质量分数)的钨铜混合球磨 50h 后，发现复合粉末的 X-衍射照片已看不到单独的铜衍射峰，将这种粉末压制烧结后,在 X 射线照片上消失的铜又重新析出，形成由钨铜两相组织组成的钨铜复合材料 1。1.3 耐磨抗烧蚀铜基材料的设计思路开发高强度铜基复合材料遇到的首要问题是铜基材料的导电率和强度难以兼顾，即导电率高则强度很低,强度的提高则是以损失导电率为代价。目前，铜的强化方式主要有两种方式，一是在基体中加入合金元素，通过合金化强化铜基体而形成铜合金，即合金化法，由于自身的局限性，在保持铜的高导电性同时，对强度的提高有一定的限度，或者强度的提高是以牺牲导电性为代价的；二是在基体中加入高熔点、高硬度的陶瓷粒子，产生弥散强化,即复合材料法。复合材料法既能同时发挥基体材料和强化相的协同作用，又具有很大的设计自由度，同时不会明显降低铜基体的导电性，而且由于强化相的作用还改善了复合材料的室温及高温性能,成为研制高强度导电(热)铜基材料发展的主要方向。复合材料是通过先进的材料制备工艺,将两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例和分布组合而成的新型材料。通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强相。由于复合材料保持了各组分材料性能的优点并增加单一组成材料所不能达到的特殊和综合性能，因此是一种具有很大发展潜力的高性能新材料。根据增强物的形态不同可将铜基复合材料分为连续增强(纤维增强)和非连续增强(颗粒增强 )两大类。连续增强铜基复合材料增强物包括 W、Ta 等金属纤维和碳纤维，纤维承受主要载荷，基体只是传递和分散载荷。其强度取决于纤维的强度、纤维与基体界面粘结强度等因素。非连续增强铜基复合材料的增强物包括各种颗粒、晶须和短纤维。非连续增强物的加入使材料具有较高的耐磨性、耐热性、高温力学性能和较低的热膨胀系数，并且使材料获得各向同性的性能 4。钨具有高的熔点、高的密度、低的膨胀系数和高的强度。铜具有很好的导热、导电性，钨与铜组成的 W-Cu 复合材料兼具 W 和 Cu 的优点,如高的高温强度，高的导电导热性、好的抗电蚀性、较高的硬度、低的热膨胀系数和一定的塑性等。而且可以通过其组成比例的改变控制和调整它各个相应的机械和物理的性能。此外，它还具有由于两者组合而产生的新的性能，如它在高温条件下，由于所含有的铜的蒸发吸热而产生的自冷却作用。金属间化合物以其优异的耐高温、抗氧化、耐磨损等优良特性,受到材料界的青睐，并被誉为半陶瓷材料，是介于高温合金和陶瓷之间的最有希望的高温结构材料之一。根据铜铝二元相图知，在600左右会形成 CuAl2相，其耐磨性较高，所以设想在铜粉中加入铝粉以提高耐磨性。1.4 机械合金化法机械合金化（Mechanical Alloying，MA）又称高能球磨，是指将一定粒度的金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复发生冷焊、断裂，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。该工艺最早是在1969年由美国的本杰明等人研制的一种新的材料制备技术，经过几十年的发展，目前已经成为一种重要的材料制备技术。其制备的粉料不仅颗粒细小、成分均匀，同时由于表面能高，活性大，具有更大的烧结驱动力和更好的烧结性能。机械合金化技术在制备纳米结构 W-Cu 粉末上具有独特的优势，它可以使不互溶的 W、Cu 等合金元素之间发生相互扩散，最终形成均匀、细化的纳米晶超饱和固溶体，进而可以很好的改善 W-Cu 复合粉末的烧结性能。为制备高致密度、性能优越的 W-Cu 触头材料提供了新的途径，目前已经成为国内外研究的热点。Syed 等人对 W-20Cu 复合粉末进行球磨，研究发现，采用机械合金化法能显著提高 W、Cu 之间的固溶度。Kecske 等人主要探讨了球磨介质对粉料性能的影响，认为空气是更为有效的球磨介质。Maneshian M H 和 SimchiA 采用机械合金化法制备出了 W 的平均晶粒尺寸为 23nm 的 W-20Cu 复合粉末，并研究了球磨时间对复合粉末组织、结构的影响，结果表明随着球磨时间的延长，复合粉末由颗粒状变为层片状，并最终形成均匀细小的球形颗粒。Daren Li 将机械合金化制备的均匀细小的 W-40Cu 复合粉末，在 1200烧结 2h 制备出 W-40Cu 合金。该合金相对致密度达到 98%，维氏硬度为 144HV，电导率达到 56%IACS，粉末表现出较高的烧结性能。国内汪峰涛等人采用机械合金化法制备出纳米粒度的 W-15Cu 复合粉末，并对之进行了热压烧结，着重研究了机械合金化后复合粉末的烧结性能。研究表明：粉末烧结后，烧结体体的晶粒均匀细小，致密度达 98%，其抗弯强度超过 860MPa，电导率高于 33%IACS5。2 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题研究的主要内容探索材料合适的成分、成型工艺及其参数，对样品进行性能测试，利用金相显微镜、扫描电镜观察试样的显微组织，分析其原理。2.2 拟采用的研究方案、研究方法或措施2.2.1 研究方案 a. 实验材料根据对材料性能的要求用到的材料主要有铜粉、钨粉、铝粉和锌粉，具体材料要求见表 2.1：b. 实验配料根据对材料的配方设定以及成分设计，具体方案见表 2.2：表 2.1 本实验用料要求材料名称 材料要求电解铜粉 200 目 纯度99.7Al 粉 纯度99.5W 粉 200 目 纯度99.6Zn 粉 纯度99.5表 2.2 本实验拟采用方案方案 Cu（wt%) W(wt%) Al(wt%) 添加剂(wt%)1 44 50 62 40 50 5 Zn 53 25 70 54 17 70 4 Zn 92.2.2 研究方法混粉压制热压烧结混粉：利用球磨机混粉，低速20h,球磨速度为200转/分 。Cu 粉使用前在120-150下烘干1-2h。压制：采用钢模模压成形。压制坯料尺寸 20mm10mm.成型压力350MPa 。烧结 ：大气条件下烧结，将样品1、2升温到1150，3、4样品升温到1200，保温2h 后开始降温至室温。2.2.3 主要测量数据制成的材料导电性的测定，耐磨性的测定，抗烧蚀能力的测定，金相组织分析，扫描电镜形貌分析。 3 本课题前期已开展工作前期的工作主要了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告。4 完成本课题的工作方案及进度计划第 1-3 周 做前期准备，查阅相关资料，完成开题报告；第 4 周 开题答辩；第 5-7 周 完善设计方案，准备材料，进行实验；第 8 周 完成中期报告，中期答辩；第 9-10 周 镜像组织分析，各种性能的测定；第 11-12 周 对实验的结果进行分析；第 13-14 周 整理实验结果并写出完整的毕业论文；第 15 周 毕业答辩。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 参考文献1 李云平,曲选辉,段柏华.W-Cu(Mo-Cu)复合材料的最新研究状况J.硬质合金.2001,(18):232-236.2王德宝.高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究D.合肥工业大学,2008.3 李云平,曲选辉,段柏华.W-Cu(Mo-Cu)复合材料的最新研究状况J.硬质合金.2001,(18):232-236.4 刘京雷,阮锋,王尔德等.高强度导电铜基材料的研究现状与发展前景 J.材料导报.2005,（19）:8-11.5范景莲,刘涛,朱松等.W-Cu 复合材料制备新技术与发展前景J. 硬质合金.2011,(28):56-72.6陈仕奇.铜基粉末及材料研究新进展J. 粉末冶金工业.2002, （12）：37-41.7钱继锋.新型耐磨铜基合金的研制及其耐磨性的研究D.太原理工大学,2002.8朱晓光，王为民，张咏.陶瓷含量对铜基复合材料性能的影响 J.中国科技论文在线.9王涂根.W-Cu 三层梯度热沉材料的制备和性能研究D.合肥工业大学，2007.10石岩.Cu 基粉末冶金摩擦材料激光表面改性研究D.长春理工大学 ,2007.11李琰.纯铜表面激光熔覆 TiB2/Cu 涂层的工艺及摩擦磨损性能研究D. 北京：所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日 北京有色金属研究总院，2012.12 Jedmzik, R, Neubrand A, Roder J, Electrochemical processing and Characterization of graded W Cu CompositesA,proceedings of the 14th International plansee SeminarC.Reutte,1997,115.13 Juan L .Sepulveda, David E. Jech, Functional Graded Copper/Tungsten Metal Composites C, Proceedings of 2000 powder metallurgy world congress, Korea, 14611464.14 Moon I H,Ryn S S,Kim J C.Sintering Behaviors of Mechanical Alloyed W - Cu Composites powder A.proceedings of the 14thInternational plansee SeminarC.Reutte,1997.1626.15葛毅成，彭可,杨琳等.C/C-Cu 复合材料表面等离子喷涂钨涂层J.粉末冶金材料科学与工程,2010,（15）:136-140.16陈雪梅,陈彩风,陈志刚.超声沉淀法制备纳米 Al2O3 粉体J.中国有色金属学报,2003,(13）：122-126.17丁红燕.粉末冶金法制备 Cu-Al2O3 复合材料及其性能研究J.金属热处理, 2007,(32):37-40.18刘德宝,崔春翔.氮化物陶瓷颗粒增强铜基复合材料的干摩擦磨损性能研究 J.摩擦学学报,2006,(26):54-59. 题目： 耐磨抗烧蚀钨铜触头材料的研究耐磨抗烧蚀钨铜触头材料的研究摘要WCu 复合材料具有优异的导热、导电性能，良好的耐烧蚀性，高的高温强度，较高的硬度，低的热膨胀系数等特点。可以通过对其组成比例的改变而控制调整它各个相应的机械和物理性能指标。被广泛的应用于各种高压断路器的接触触头中。通过对不同组份 W、Cu、AL 金属粉机械研磨、冷压成型、热压烧结和高温烧结等不同的工艺参数设定，测试了不同 W 含量 WCuAL 复合材料的导电性、抗烧蚀性、密度等物理性能。实验结果表明：50%WCu 复合材料，热压烧结温度为 800时，材料的综合性能最佳；工艺条件在热压时间为 1h，热压压力为 150MPa，高温烧结 4h 下材料的电阻为 0.097m，密度为9.7048g/cm3，硬度为 23.5HRC，材料的综合性能最佳；60%W 的 WCu 复合材料的综合性能优于 50%W 和 70%W。关键词：WCu 复合材料；触头材料；粉末冶金；抗烧蚀性IResearch on wearable and unti-ablative of tungsten copper contact materialAbstractWCu composite material has excellent thermal conductivity, electrical conductivity, good ablation resistance, high temperature strength, high hardness, low coefficient of thermal expansion such characteristics. And through its composition changing and controlling, it can adjust its various mechanical and physical properties and was widely used in various kind of high voltage circuit breaker contact. Through the different components W, Cu, Al mechanical polishing of metal powder, cold molding, hot-press sintering and high-temperature sintering process different parameter settings to test the type of W content of the conductive composite material WCuAls anti ablative , density and other physical properties. The experimental results show that the best overall performance of the material need 50% WCu composite materials and hot pressing at 800 . the process conditions in the hot pressing time was 1H, the pressure is 150MPa,resistance of materials to high IItemperature sintering 4h,0.097m, density is 9.7048g/cm3, the hardness is 23.5HRC, Under these conditions the comprehensive performance of the material is the best ; WCu composites 60%W is superior to 50%W and 70%W.Key Words: WCu composite materials; contact materials; powder metallurgy; unti-ablative目 录1 绪论 .11.1 触头材料的发展及现状 .11.1.1 铜基触头材料 .11.1.2 银基触头材料 .21.1.3 钨基触头材料 .31.2WCu 合金及纳米 WCU 合金的研究现状 .31.3 触头材料的制备工艺 .51.3.1 高温液相法 .61.3.2 溶渗法 .71.3.3 活化液相烧结法 .71.3.4 金属粉末注射成型技术 .71.3.5 机械-热化学法 .81.3.6 机械合金化法 .81.4 研究意义及实验设想 .92 实验过程 .102.1 实验方案 .102.2 实验原料 .112.3 金属粉材料预处理工艺 .112.4 块体材料的制备工艺 .112.5 性能测试 .122.5.1 密度 .122.5.1 硬度 .132.5.3 导电性 .142.5.4 抗烧蚀性 .142.6 微观组织观察 .153 实验结果与分析 .163.1 样品热压烧结前后宏观形貌 .163.2 CuW50 复合材料的性能 .163.2.1CuW50 复合材料的密度 .163.2.2CuW50 复合材料的硬度 .173.2.3CuW50 复合材料的电阻 .183.2.4CuW50 复合材料的抗烧蚀性 .18I3.2.5CuW50 复合材料微观组织形貌 .193.3 工艺参数对 WCu 复合材料性能的影响 .203.3.1 热压烧结压力对 WCu 复合材料性能的影响 .203.3.2 高温烧结时间对 WCu 复合材料性能的影响 .213.4 不同 W 含量对 WCu 复合材料性能的影响 .234 结论 .24参考文献 .2501 绪论1.1 触头材料的发展及现状早期的电触头材料以纯钨、纯钼等难熔金属为主，这类触头材料具有良好的耐电压强度、适当的开断能力和抗熔焊性、使用寿命长等一些优点，直到现在还广泛的应用在分断电流小的真空开关中。图 1.1 所示为电触头在交流器中的应用。但随着工业的发展，对触头的性能要求也不断提高，单一的纯金属已经难以满足要求，触头的研制也向多元复合材料方向发展。图 1.2 所示为各类型的电触头。图 1.1 交流器中的电触头 图 1.2 各类型的电触头目前，应用于工业生产上的电触头材料的种类很多，但归纳起来主要有以下三类 1：（ 1）铜基触头材料；（2）银基触头材料；（3）钨基触头材料。1.1.1 铜基触头材料铜基触头材料主要用于真空断路器中，以高导电的铜为基体，与其他金属如铋（Bi） 、鍗（Te ） 、铬（Cr）等组成二元合金或添加其它微量元素组成三元1合金。 a. 铜铋系触头材料 铜铋合金（CuBi ）是最早应用于真空开关中的二元合金之一，与单一的难熔金属材料相比其具有良好的抗熔焊性能、较大的分断能力以及较低的截流值。但由于 Bi 在凝固过程中容易在 Cu 的晶界处产生偏析，因此材料的强度较低、机械性能差、电弧烧损率大，目前主要用于较低电压（20kV 以下）的真空开关中 2。为了解决耐压强度低这一问题，近年来研究者们开发了添加其它微量元素的三元合金。美国研究者 3,4在合金中添加 Al 元素制备出了CuBiAl（12wt.%Al，1wt.%Bi）合金，这种合金的耐压强度是原有 CuBi（0.5wt.%）合金的 3 倍，材料的抗熔焊性能也得到一定提升。b. 铜碲系触头材料铜碲合金（CuTe）具有良好的抗熔焊性能，但分断能力差、耐电压强度低。这主要是因为材料中 Cu、Te 两相分布不均匀，容易引起电弧集中燃烧，产生严重的熔化喷溅，从而降低了材料的分断能力和耐电压强度，同时由于 Cu2Te 相在高温下容易分解出一定量的 Te 蒸汽，这不利于介质强度的恢复，使得材料的接触电阻稳定性差。日本研究者 5通过添加 Se 元素制备出了 CuTeSe 触头材料，大大提高了材料的分断能力。c. 铜铬系触头材料铜铬合金（CuCr）是目前在中压真空断路器中应用最为广泛的触头材料。与其他铜基触头材料相比其具有更高的耐电压能力，更大的分断电流能力以及更好的抗电弧烧蚀能力，但其截流值不高。同时在单一性能方面，CuCr 触头材料还存在着很大的不足，比如其耐压能力不如 WCu 触头材料，截流值高于AgW 触头材料，抗熔焊性能不及 CuBi 触头材料 5。1.1.2 银基触头材料银是所有金属中导电性、导热性最好的材料，并且具有良好的加工性能以及抗氧化性能，因此银基触头材料在电子工业、汽车电器、低压电器、航空航天电器等领域有着广泛的应用。目前研究比较深入的银基触头材料有银钨、银镍、银石墨、银金属氧化物等系列。a. 银钨系触头材料银钨触头材料结合银的高导电、导热性与钨的抗熔焊性为一体，其中钨的含量一般在 20%80%之间。它的主要优点是具有良好的导电、导热性能、抗熔焊性能、耐磨损性能以及抗氧化能力，其缺点是接触电阻不稳定，这是由于在开断过程中触头表面生成了三氧化钨等化合物，降低了材料的导电性。为了2改善接触电阻，研究者们做了深入研究，一般在材料中加入 Zn、Fe、Cd 以及 Mg 等金属元素。b. 银镍、银石墨电触头材料银镍触头材料中镍的含量一般在 10%40%左右。其具有良好的导电、导热性能，而且接触电阻低、电弧侵蚀小，但由于其抗熔焊性能较差，通常只用于通断较低的电流。为了解决这一问题，通常在含镍量高的合金中加入一种或多种难熔金属或金属氧化物、碳化物。与银镍材料相比银石墨电触头材料具有更好的抗熔焊性，但其电弧侵蚀高，灭弧能力差。与银镍触头配对使用时，可分断较大的电流。c. 银金属氧化物系电触头材料银氧化镉（AgCdO）和银氧化锡（AgSnO 2）是银氧化物中最具有代表性的两种材料。其中银氧化镉由于其导电性好、接触电阻低且稳定、耐电磨损、抗熔焊，从 20 世纪 60、70 年代开始，就广泛用于多种低压电器中。但由于其制造和使用过程中容易产生“镉毒” ，目前世界上一些国家已经禁止其在部分电器上使用。银氧化锡除了具有一般银金属氧化物电触头材料的特点外，还具有较低的材料转移特性、较高的抗熔焊性和较长的使用寿命。目前银氧化锡已经成功应用于各种接触器、低功率断路器和仪器仪表上，据统计在汽车电器产品中其市场占有率已达到 80%左右 6。1.1.3 钨基触头材料钨铜合金是钨基触头材料中最常见的材料，它是由高熔点、高硬度、低膨胀系数的钨和高导电、导热的铜组成的二元复合材料，具有良好的抗熔焊、抗电蚀性能以及较高的耐电压能力，被广泛应用于真空接触器、油、六氟化硫（SF 6）断路器以及变压器转换开关等。钨铜触头（W-Cu ）在油和 SF6 断路器中使用时，不易发生氧化，电触头的消耗也很少。近年来随着触头结构和灭弧介质的改进，W-Cu 触头的开断容量有了较大的提高，法国研制的 W-80Cu 触头在 SF6 断路器中的极限开断电流达到 63-80KA，额定电流达到 2500-3150A，电压为 72.5-78.5KV1,3,7。W-Cu 触头在真空开关中使用时，钨的含量通常在 50% 85%之间，其使用寿命长、有较高的耐电压能力，但截流值略高，为了降低其截流值，通常采用添加低熔点合金元素（如锑、铋等）的方法。这些金属在材料中一般以单质或化合物的形式存在，在电弧作用下，这些低熔点的元素或其化合物不仅可以防止触头熔焊，而且又可以提供维持电弧的蒸汽压，使材料的截流值降低。31.2 WCu 合金及纳米 WCu 合金的研究现状WCu 系触头材料因其具有良好的耐电弧侵蚀性，抗熔焊性及高强度而得到了广泛的应用。WCu 合金作为触头材料，它具有耐电弧侵蚀性好、抗熔焊性能高、强度高等优点，而且有较高的耐电压能力，广泛应用在油断路器，六氟化硫断路器，真空接触器、变压器转换开关中。WCu 合金中，W 含量对材料的性能有很大的影响。研究表明 14，随着 W含量的增加 CuW 触头材料的硬度呈现增加的趋势，即 WCu 触头材料的电极损耗率降低，稳定性提高；随着 W 含量的增加 WCu 触头材料的电导率和热导率都降低。研究表明，WCu 触头材料中 W 含量越低，材料的发汗冷却效果越好，材料的抗热震性能也越好；而材料的高温拉伸强度随着材料含 W 量的增加而增加 16。Cu、W 两元素在高温下可以互相浸润，但几乎没有溶解度，而且熔点相差很大（钨为 3410，铜为 1084.5） 。这些特性决定了生产 WCu 合金只能用粉末冶金方法，而且最好的方法是熔渗。这种工艺是先把 W 粉压成一定密度的坯块经高温烧结收缩到一定的密度然后在高于 Cu 熔点温度把 Cu 渗入（或浸入）钨骨架中，由于 W 粉是很硬的粉末，在压型时，一般只能达到 60%的相对密度。传统工艺是通过高温烧结使 W 坯达到需要的密度。但高温烧结致密化的同时会产生一定闭孔隙，在渗 Cu 时不能充分填充钨骨架，使产品气密性下降。近年来，随着电力事业的不断发展以及真空断路器向大电压、大容量、小型化和低过电压发展，使触头材料的综合性能要求日益提高。因为触头的电特性对材料物理性质的要求方面存在着诸多相互矛盾之处：低截流水平要求材料具有低的导电、导热性和低的熔点，而高的开断能力、抗熔焊性和抗电磨损性能要求与其相反的性质，这也是研制触头材料最大的难点之一。具有抗熔焊能力的材料一般脆性较大，强度较差，这与要求触头较高的机械强度和抗变形、电磨损性能具有矛盾的方面。为解决或减小上述矛盾，多数材料工作者认为合金化是唯一选择。因此，根据在不同使用场合对触头材料的要求有不同程度的侧重点，通过合金化的方法将几种金属（或金属与非金属）按性能要求组织起来，才能得到较为理想的触头材料。新触头材料的研发主要集中在寻找新型的触头材料，在不改变材料的情况下，寻找新的制备工艺；在主要材料不变的情况下，通过添加新的合金元素或非金属化合物；在不影响触头材料其它性能的前提下，提高它的某一项性能。研究表明 13，粉末粒度和均匀性直接影响 WCu 合金的烧结特性，减小粉末粒度，烧结密度和材料性能将得到很大的改善。在传统粉末冶金工业中，所使4用的粉末粒度大多较粗。纳米材料表面能高，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭。因此,在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的。纳米 WCu 合金的制备一般也采用制粉 成形烧结的工艺过程，但由于纳米颗粒的特性，纳米 WCu 合金的制备也与传统方法有很大程度上的不同。目前,对纳米 WCu 复合粉末的制备方法研究较多有以下几种：机械合金化法，溶胶一凝胶法，机械一热化学工艺合成法，雾化干燥等。机械合金化（MA）是制备合金粉用得最广泛的一种方法。Jin-Chun Kim 等人 16采用转速为 400r/min 的高能球磨机，将 CuW70 的混合粉末球磨 100h，得到了粒度为 2030nm 纳米粉末。将该纳米粉末压制紧实率为 42%生坯，在氢气气氛下经 1000烧结 1h 可获得晶粒粒度为 200nm 相对密度为 95%的 WCu 合金。采用溶胶凝胶（Sol Gel）法可以在低温下制备出纯度高、粒度分布均匀、化学活性高的单、多组元混合物。Srikanth 等 16采用此方法制备了高性能MoW、 WCu 等粉末。缺点是在氢还原时不容易控制水蒸气和杂质的含量，这些杂质将对后续的烧结产生影响。研究表明 17，粉末粒度和均匀性强烈影响 WCu 系统的烧结特性,其减小粉末粒度，烧结密度和材料性能将大大改善。研究表明 18，细化粒度，均匀混合WCu 粉末，可以制备出高致密度 WCu 合金。在传统粉末冶金工业中，所使用的粉末粒度大多较粗（大于 50m） ，而纳米晶微粉的粒度则远远小于 1m。纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭。因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的。如果能制备出晶粒细小（l00nm以下） ，W 相、 Cu 相高度弥散、均匀混合的复合粉末，将会使粉末之间的接触界面增大，表面活性增强，烧结驱动力变大，致密化程度加快，即使在较低烧结温度下便可制得高致密度的 WCu 合金。而且，制备的 WCu 烧结体还会具有良好的显微结构和性能。我国从上世纪 50 年代开始对 W-Cu 触头材料进行了研制，经过半个多世纪的发展，目前 W-Cu 触头材料的研究和生产已经形成了较大的产业规模，国家标准 6（GB8320-1987）专门对应用在高、低压电器上的 W-Cu 电触头材料的基本性能做了明确的规定：其中产品的相对致密度要达到 96%以上；W-Cu 触头表面不应有裂纹和明显的缺陷；金相组织中各相应该分布均匀，具有较少的气孔和夹杂物；应满足一定的力学性能要求以及具有相当的热稳定性。近年来，随着高压输变电网容量的增大以及低压配电系统与控制系统对自动化水平，灵敏程度要求的不断提高，对 W-Cu 触头材料提出了更高的要求，因此对于新的 W-Cu 触头材料以及制备技术的研究也迫在眉睫。51.3 触头材料的制备工艺W-Cu 合金的二元相图如图 1.3 所示，从图中我们可以看出 W、Cu 的熔点相差很大，且两相之间基本不互溶，因此采用常规的冶金方法无法生产出 W-Cu 触头材料。国内外学者从上世纪 30 年代开始对其制备工艺进行了深入的研究，到目前为止已经形成了多种制备方法，其中常用的制备工艺有高温液相烧结法、溶渗法、活化液相烧结法、注射成型技术等。近年来，随着纳米技术的飞速发展，以及纳米材料比普通粗晶材料具备更加优异的性能，因此国内外学者对纳米技术在触头材料的应用做了大量的研究并取得了良好的效果。制备具有纳米晶结构 W-Cu 复合材料的关键在于纳米晶 W-Cu 复合粉末的获取，目前，研究较多的纳米晶 W-Cu 复合粉的制备工艺有喷雾干燥法、机械-热化学法、械合金化法等。图 1.3 WCu 合金二元相图1.3.1 高温液相法高温液相法的基本工艺过程是首先将铜粉和钨粉按一定比例混合、压制，然后经过液相烧结，最终制备出 W-Cu 复合材料 7。其优点是生产工序简单、6易于操作控制，但同时也存在着烧结温度高、烧结时间长、烧结体致密度低以及性能较差等一些不足。为了提高材料的密度，一般在液相烧结后增加后续处理工序：如复压、热锻、热压等。A.K.Bhalla 17等人采用爆炸压实法制备出了具有良好高温液相烧结效果的 W-Cu 合金。1.3.2 溶渗法熔渗法是目前制备 W-Cu 触头材料最常用的方法。其工艺过程是首先将钨粉压制成坯，随后在一定温度下预烧制成具有一定强度和密度的多孔钨基体骨架，然后将熔点较低的金属铜熔化渗入到钨骨架中，在高于铜熔点温度下进行烧结，最终获得较致密的 W-Cu 复合材料。采用熔渗法制备的 W-Cu 触头材料相对致密度较高，导热、导电性以及烧结性能好，但是所制备材料的成分受到限制，不能制备出含铜较低或较高的触头材料，同时制备的材料还要进行后续的机加工处理，这就大大增加了生产的费用。姜媛媛等人 9通过优化的工艺方案，制备出了致密的低铜含量的 W-Cu 合金，并通过精确控制渗铜量，避免了后续的机加工处理。1.3.3 活化液相烧结法由于高温液相烧结法无法制备出接近理论密度的 W-Cu 合金，而采用烧结后处理的工序增加了工艺的复杂程度且成本较高。许多研究者研究发现在 W-Cu 合金中加入微量活化元素（如 Pd、Ni、Co 、Fe 等）可以使钨溶解于铜相中，从而促进材料的致密化。与高温液相法烧结相比，该烧结方法具有烧结温度低，烧结时间短，烧结后材料的硬度、致密度和抗弯强度高等优点。J.L.Johnson10等人研究了 Co 元素对 W-10Cu 合金烧结的活化效果，结果表明，添加 0.35wt.%的 Co 能有效的促进材料的烧结，在 300烧结 1h 后，材料的致密度达到 98%，硬度为 304HV，剪切强度为 1110MPa。尽管活化剂能有效的促进 W-Cu 复合材料的烧结，但活化剂的加入也会严重影响材料的导电和导热性能，因此活化液相烧结法一般用于制备对导电、导热要求不高的材料。1.3.4 金属粉末注射成型技术金属粉末注射成型技术作为一种新型的粉末冶金成形技术，具有净成形精度高、成本低以及能实现自动化连续操作，生产效率高等优点，常用于生产各种形状复杂的制品。近年来在制备大批量、小尺寸且具有特殊和复杂形状的 W-7Cu 复合材料方面得到有效的应用。目前，在制备 W-Cu 复合材料方面主要有两种途径：第一种是首先将钨粉注射成型制成相应形状的钨骨架坯料，然后经过脱脂处理、烧结获得多孔钨坯，最后渗铜制备出所要求形状与成分的 W-Cu 产品。Yang Bin 等人 11采用此种方法制备出了相对密度达 99%的 W-10Cu、W-20Cu复合材料。第二种是将 W-Cu 混合粉料直接注射成型得到所需成分和形状的 W-Cu 坯料，然后经过脱脂处理，烧结等工艺，直接可以获得相对密度达 98%99%的 W-Cu 产品。1.3.5 机械-热化学法机械-热化学法（Mechano-thermo-chemical Process）就是将机械球磨和化学制备工艺相结合，在没有烧结活性剂的情况下制备高致密 W-Cu 复合材料的方法。该方法工艺简单，价格低廉，其制备的 W-Cu 复合粉末颗粒成分和大小均匀，且弥散分布，在烧结时有利于缩短 W 颗粒在液相 Cu 作用下的重排距离，促进烧结的致密化，同时更易形成均匀连续分布的凝固 Cu 相。目前国内外学者对机械- 热化学法工艺做了大量研究 16：Dae-Gun K 等人通过机械-热化学工艺制备了晶粒尺寸为 40nm，成分均匀分布的 W-15Cu 复合粉末，在氢气气氛下1200烧结 1h 获得了接近全致密的块体材料，粉末表现出了良好的烧结性能。Yunping Li16等人通过氧化物粉末制备、混合粉末湿磨和还原工艺获得了颗粒尺寸细小、成分分布均匀的复合粉末，烧结后 W-Cu 复合材料的致密达 99.5%，热导率为 231 W/（m.K） 。国内程继贵等人 17以气流粉碎 WO3、CuO 粉末的方法取代机械球磨，并结合共还原的方法制备出晶粒尺寸为 50100nm 的 W-20Cu 复合粉末。1.3.6 机械合金化法机械合金化（Mechanical Alloying，MA）又称高能球磨，是指将一定粒度的金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复发生冷焊、断裂，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术 12。该工艺最早是在 1969 年由美国的本杰明等人研制的一种新的材料制备技术，经过几十年的发展，目前已经成为一种重要的材料制备技术。其制备的粉料不仅颗粒细小、成分均匀，同时由于表面能高，活性大，具有更大的烧结驱动力和更好的烧结性能。8机械合金化技术在制备纳米结构 W-Cu 粉末上具有独特的优势，它可以使不互溶的 W、 Cu 等合金元素之间发生相互扩散，最终形成均匀、细化的纳米晶超饱和固溶体，进而可以很好的改善 W-Cu 复合粉末的烧结性能，为制备高致密度、性能优越的 W-Cu 触头材料提供了新的途径，目前已经成为国内外研究的热点。Syed 等人对 W-20Cu 复合粉末进行球磨，研究发现，采用机械合金化法能显著提高 W、Cu 之间的固溶度。Kecskes 等人 16主要探讨了球磨介质对粉料性能的影响，认为空气是更为有效的球磨介质。Maneshian M H 和 Simchi A采用机械合金化法制备出了 W 的平均晶粒尺寸为 23nm 的 W-20Cu 复合粉末 19，并研究了球磨时间对复合粉末组织、结构的影响，结果表明随着球磨时间的延长，复合粉末由颗粒状变为层片状，并最终形成均匀细小的球形颗粒。Daren Li将机械合金化制备的均匀细小的 W-40Cu 复合粉末，在 1200烧结 2h 制备出W-40C 合金。该合金相对致密度达到 98%，维氏硬度为 144HV，电导率达到56%IACS，粉末表现出较高的烧结性能。国内汪峰涛等人 20采用机械合金化法制备出纳米粒度的 W-15Cu 复合粉末，并对之进行了热压烧结，着重研究了机械合金化后复合粉末的烧结性能。研究表明：粉末烧结后，烧结体体的晶粒均匀细小，致密度达 98%，其抗弯强度超过 860MPa，电导率高于 33%IACS。1.4 研究意义及实验设想如前所述，W-Cu 触头材料已经被广泛应用于真空接触器、油、六氟化硫（SF 6）断路器以及变压器转换开关中，随着现代工业的飞速发展，电子工业产品的现代化、高压输变电网容量的增大以及低压配电系统与控制系统对自动化水平，灵敏程度要求的不断提高，对 W-Cu 触头材料的性能提出了更高的要求。但传统制备工艺制备的材料存在着致密度低、成分及组织分布不均匀且成分受限制等诸多问题，限制了 W-Cu 触头材料在现代工业产品中的进一步使用。我国是钨资源大国，钨作为我国为数不多的优势矿产资源，在建国后得到了充分的开发和利用，其中 W-Cu 触头材料也随着这种开发得到飞速发展，但与国外相比，我们仍存在着较大的差距。因此，进一步开发和生产高性能的 W-Cu 触头材料具有重要的意义。本实验的主要设想：参照资料中对 W-Cu 合金的介绍及制备过程，选取机械合金法加粉末冶金法的方法进行制备材料。根据铜铝相图，在合金中加入适量的铝可以在高温形成 相，温度低于纯铜的熔点，另常温的 相硬度高，耐磨性好。0烘粉 称料 混粉冷压热压烧结高温烧结组织观察与性能测试微观形貌抗烧蚀性电阻密度 硬度2 实验过程2.1 实验方案根据实验设想采用粉末冶金法制备材料，主要的工艺包括混粉、冷压、热压烧结、高温烧结等过程，具体实验过程流程图如图 2.1 所示。图 2.1 实验过程流程图2.2 实验原料实验原料包括纯 W 粉，纯 Cu 粉及纯 Al 粉。本实验所用各原料具体参数如表 2.1 所示。1表 2.1 本实验所用各原料参数原料 粒度 纯度 生产厂家W 粉 2000 目 99.5% 南京市鑫顿合金喷漆有限公司Cu粉2000 目 99.5% 南京市鑫顿合金喷漆有限公司Al 粉 325 目 99.9%2.3 金属粉材料预处理工艺混料是粉末压制前最重要的工序之一。烧结制品的性能，在很大程度上取决于物料混合后各组元分布的均匀程度。复合粉体混合的均匀程度直接影响它的烧结性能及力学性能，复合粉体混合的越均匀，经过烧结就越容易致密，组织就越均匀。反之，混合的不均匀，不仅存在宏观偏析，而且存在严重的微观偏析，从而影响材料的力学及应用性能。本实验各粉末在使用前在 101 型热鼓风干燥箱中烘干，温度设定为 120，时间设定为 1h。W-Cu 复合粉末的混粉在 QMBP 型行星式球磨机上进行，球磨罐材质为不锈钢，磨球材质为 Cr15，球磨机转速设定为 300r/min，时间设定为 1h。各粉末的质量配比如表 2.2 所示。表 2.2 各组样品中各成分的质量百分比组号 钨粉（wt%) 铜粉（wt%) 铝粉（wt%)A 50 42.5 7.5B 60 34 6C 70 25.5 4.52.4 块体材料的制备工艺粉末冶金中块体材料的制备是重要的步骤。本实验采用钢模冷压成形,它是一种最广泛使用的粉末成形技术，它是将混合均匀的粉末按一定的量装入模具中,再用压力机压制成坯块的方法。根据试样的体积预先设置模具空腔的体积，将粉末压至预设高度。压制前,应在模具内壁上涂适量润滑剂减小成型磨擦，以利于脱模，热压用石墨粉与煤油混合作脱模剂。冷压成型，本实验冷压在 WE-30 万能材料试验机上完成，钢模压制成型，2gm-0）（压力为 600MPa，保压时间为 3min。热压烧结，本实验热压烧结是在自制热压炉上完成的。最后是高温烧结，本实验试样的烧结在箱式电阻炉中进行。各样品的具体制备工艺如表 2.3 所示。表 2.3 各试样具体制备工艺热压烧结 高温烧结样品序号 温度 / 压力/MPa 时间/h 温度 / 时间/hA1 600 150 1A2 700 150 1A3 800 150 1无B1 700 50 1 800 4B2 700 100 1 800 4B3 700 150 1 800 2B4 700 150 1 800 4B5 700 150 1 800 6C1 700 150 0.5 800 4C2 700 150 1 800 4C3 700 150 1.5 800 42.5 性能测试2.5.1 密度采用阿基米德法测量试样的密度，试样的密度 根据下式计算：（2.1）式中，m 为试样的质量，m为试样在蒸馏水中的质量， 0 为蒸馏水的密度，g 为常数。试样的理论密度按混合定律计算：3%10thdAlCuWth wt%twt%1）（）（）（ （2.2） 式中， th 为试样的理论密度；W(wt%)、Cu(wt%) 、Al(wt%)分别为合金中 W 、 Cu 和 Al 的质量百分含量； W、 Cu、 Al 分别为 W 、Cu 和 Al 的理论密度。本文中涉及的三种成分的 W-Cu 复合材料的理论密度以及铬锆铜的密度如表 2.4 所示。表 2.4 各成分材料的理论密度编号 A B C 铬锆铜密度（g/cm 3）9.664 10.726 14.700 8.9相对致密度 d 的计算公式如下：（2.3）2.5.1 硬度硬度是材料抵抗变形的能力，是衡量材料软硬程度的一项重要的性能指标。测试前将试样磨平、抛光，在 HR-150A 洛氏硬度计上进行测试。在试样表面的不同位置进行五次重复实验，取平均值。本实验所用硬度计如图 2.2 所示。2.5.3 导电性触头材料在使用过程中，导电性是一个非常基本的性能，材料的电阻可以从侧面反映该材料的导电性能。本实验的电阻测试过程如下：将被测样品切片，所得片体尺寸为 20mm10mm2mm，将试样表面磨平去除氧化皮，用 YY2513 数字直流微电阻测量仪采用四探针法测量电阻，测量 54次，去除异常值，取平均值。四探针法测电阻示意图如图 2.3 所示。图 2.2 HR-150A 洛氏硬度计 图 2.3 四探针法测量电阻示意图2.5.4 抗烧蚀性触头材料的电寿命是体现触头材料使用性能的一个主要方面，而触头材料的烧蚀性能又直接决定着其使用寿命。通常影响触头材料烧蚀性能的因素较多，烧蚀过程十分复杂，由于实验条件限制本实验采用简易抗烧蚀性测试，过程如下：将试样切割为 20mm10mm2mm 的片体，用焊接波形控制多种功能交直流 TIG 焊机固定起弧距离（控制在 3-5mm），采用最大电流 300A 对单点进行烧蚀，观察表面的变化情况，与现有的铬锆铜材料进行对比。抗烧蚀测试示意图如图 2.4 所示。2.6 微观组织观察将预磨、抛光后的复合材料试样进行腐蚀，然后用清水将材料表面清理干5净，再用酒精棉擦拭，烘干后在尼康 EPIPHOT300U 金相显微镜下对试样的金相组织进行观察和分析。采用 LSJLLH22 型扫描电镜对粉末试样和块体试样进行形貌观察分析。观察块体表面形貌时，试样的表面首先要用砂纸磨平、然后进行抛光、腐蚀、烘干。图 2.4 抗烧蚀性测试示意图03 实验结果与分析3.1 样品热压烧结前后宏观形貌试样在冷压后和热压烧结后的宏观形貌如图 3.1 所示。由图 3.1 可见，冷压后的试样外形规整，表面呈玫瑰红色，成型良好。热压烧结后表面呈黑色，这是由于烧结气氛为大气烧结，高温下铜被氧化，形成 Cu2O，呈现黑色，另外试样表面有少许白色物质，为粉末冶金典型的出汗现象，是由于铜铝高温液相，在压力作用下，沿颗粒边界渗到试样表面。(a)冷压后试样形貌 (b)热压烧结后试样形貌图 3.1 热压烧结前后试样宏观形貌3.2CuW50 复合材料的性能CuW50 复合材料采用不同的热压烧结温度制备试样， A1 试样热压烧结温度为 600， A2 试样热压烧结温度为 700，A3 试样热压压温度为 800。探究热压烧结温度对材料性能的影响。3.2.1CuW50 复合材料的密度在不同温度下热压烧结后，CuW50 试样的密度与致密度分别如图 3.2 和3.3 所示。1图 3.2 不同热压温度 CuW50 复合材料的密度图 3.3 不同热压温度 CuW50 复合材料相对致密度由图 3.2，3.3 可见，热压烧结温度高试样的密度大，相对致密度高。分析认为在低温烧结时复合粉末获得的能量较少，W 相合 Cu 相再分布过程比较缓慢，Cu/Al 相不能均匀的包裹在 W 颗粒表面颗粒间的孔隙没有得到充分填充，故材料的致密度较低。随着烧结温度的升高，粉末获得了更高的能量，原子扩散速度加快，Cu/Al 液相颗粒重排并填充孔隙，导致材料的致密度提高。23.2.2 CuW50 复合材料的硬度在不同温度下热压烧结后，CuW50 试样的硬度如表 3.1 所示。A1 试样在测试过程中被压裂，表明热压烧结温度低，试样致密度低，各组分固溶不充分，因此在后续实验过程中不再使用该烧结温度。其他试样的硬度值如表 3.1 所示。表
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