一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法

1.本发明属于铜合金材料制备技术领域，具体涉及一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法。


背景技术：

2.cu(铜)及其合金因其优良的传导性能而被广泛应用于电力、电气等诸多领域。随着长距离特高压电网商业化运行，电压等级不断升高，变电站负载逐渐增大，相关产业对导电cu合金的要求越来越高，负责电网开断的关键核心部件之一的电触头需同时满足高导电、高耐磨的服役需求。研究表明，cu-b合金中溶质元素b(硼)在cu基体中的最大固溶度约为5at.％(约在1400℃)，并且cu与b之间不反应形成化合物，导致合金中的b元素点状共晶或多面体初晶的形式分布于cu基体中，对基体的导电性影响较小。此外，b元素具有高硬度(仅次于金刚石)和自润滑的作用，使得合金系本身具有良好的耐磨性。因此，基于cu-b合金的众多优势，其在高导电、高耐磨电触头材料、高铁用导电铜材料等领域具有广泛的应用前景。
3.传统铸造法制备cu-b合金是将cu块与b块按配比加热熔化并保温一段时间，最终冷却凝固后获得铜硼合金，但由于cu元素与b元素的密度(cu：8.9g/cm3；2.34g/cm3)和熔点(cu：1084℃；b：2076℃)相差较大，导致熔炼过程由于溶质元素比重偏析使得b熔化后漂浮于cu液上部。同时，由于b在cu中固溶度较低，二者熔点相差极大，在高于cu熔点200-400℃时，b元素大多以单质颗粒形式存在于合金液中，难以形成合金相，此外，高温下b元素活性较高，易与氮氧等元素反应且易烧损。因此，采用外加b块的传统铸造法难以制备组织性能均一cu-b合金，同时在制备过程中易引入其他杂质导致合金纯净度降低，综合性能较差，难以满足苛刻的服役需求。综上，亟需探索一种新型cu-b合金制备方法，使cu-b合金组织成分均一并且兼具高导电、高耐磨的综合性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法，解决了现有技术中铸造法制备的cu-b合金的组织偏析、成分稳定性以及杂质含量有待进一步优化的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，
6.一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法，具体按照如下步骤进行：
7.步骤1：按照cu-b二元合金相图所设计的cu-b合金中b的含量，分别称量92wt.％～98wt.％的cu粉和2wt.％～8wt.％的b粉；
8.步骤2：将称量好的b粉和cu粉装入混料容器中并加入分散剂，采用v型混料、振动混粉、行星式球磨机混粉三种方式进行混合；然后将混合均匀的cu-b预合金粉体通过冷压模具在四柱式油压机上进行预压制成型，形成坯料；
9.步骤3：将步骤2得到的坯料装入石墨坩锅中，然后将石墨坩锅放入真空感应熔炼炉，采用预抽真空后充氩气的方式进行感应熔炼；待坯料完全熔化后保温，然后采用底注式
浇注方式将cu-b合金液经导流管流入石墨模具中，待随炉冷却凝固后即得到一种高导电、高耐磨cu-b合金。
10.本发明的特点还在于；
11.步骤1中，cu粉为电解铜粉。
12.步骤2中：采用v型混料机进行混粉，设定转速为100～300r/min，球料比为1:3～1:6，混合时间为60～240min，磨球粒径为3～9mm；采用振动混料机进行混粉，设定频率为30～50hz，球料比为1:3～1:6，混合时间为240～480min，磨球粒径3～9mm；采用行星式球磨机进行混粉，设定转速为100～200r/min，球料比为1:6～1:10，混合时间为240～480min，磨球粒径3～9mm。
13.步骤2中，分散剂可为无水乙醇。
14.步骤2中，将混合均匀的cu-b预合金粉体过筛后倒入冷压模具，分若干次倒入粉末并进行摆动振实，然后利用四柱式油压机进行压制，压制压力为300kn，保压20～40s形成cu-b预合金坯体。
15.步骤3具体为：在石墨坩埚内安装内径为3～6mm的熔体导流管，将坯料依次装入坩锅内，保证下紧上松，并将坩埚整体放入感应线圈内进行熔炼，石墨坩锅所装坯料不超过坩锅深度的三分之二，并用刚玉管封堵导流管口；封闭炉体后采用三级泵抽系统对腔室预抽真空，当熔炼室内真空度低于9.0
×
10-3
pa后，向熔炼室内充入保护气体至腔室总压力达到-0.05～0.01mpa；熔炼流程为：使用中频感应电源在20min将温度升至1250～1450℃并保温5～10min使合金液充分均匀化；保温结束后，将刚玉管拔起，坩埚内的金属熔体通过底部导流管浇注至高纯石墨内进行冷却凝固；当冷却到室温时取出cu-b合金坯料，对坯料表面经机加工处理得到cu-b合金。
16.步骤3中，三级泵抽系统包括机械泵、罗茨泵、扩散泵。
17.本发明的有益效果是，本发明一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法，通过采用粉末冶金与真空感应熔炼相结合的方式，首先利用粉末冶金混粉工艺，将cu粉与b粉两种粉末原料在一定的混粉工艺下混合均匀制备cu-b预合金粉体，并将粉体冷压成型形成坯料，解决了外加b元素的传统铸造法因cu与b密度、熔点等物理性能相差较大，导致cu、b两相单质难以均匀混合形成合金相的问题；
18.然后，通过真空感应熔炼方式，采用预抽真空再加氩气保护进行坯料熔炼获得均匀的cu-b合金液，一方面保证熔体纯净，另一方面熔炼室气压大于b元素在熔炼温度下的饱和蒸汽压，大幅降低了b元素烧损；通过导流管将合金液浇注进高纯石墨坩埚，熔体通过小口径导流管内部时产生一定的扰动效果，提高了合金液混合均匀程度，改善了cu-b合金比重偏析，因此，最终制备出表面质量良好、成分稳定、组织均匀，硬度大于89hv，导电率高于78％iacs，摩擦系数介于0.57～0.69，磨损形貌为粘着磨损的高硬度、高导电、高耐磨的cu-b合金，具有一定的实用意义。
附图说明
19.图1是本发明一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法的实施例3中采用v型混料机混合后的cu-b预合金粉体与压坯的宏观形貌图；
20.图2是本发明一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法的实施例1-4中采用粉末冶
金与真空感应熔炼相结合的方式最终制备的cu-b合金宏观形貌图；
21.图3是本发明一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法的实施例3中制备的cu-b合金组织形貌(om)与(sem)图；
22.图4是本发明一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法的实施例3中制备的cu-b合金与cu-cr合金在硬度、导电率、摩擦系数，磨损率之间的对比图。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法进行详细说明。
24.实施例1；
25.一种高导电、高耐磨cu-b合金的制备方法，具体步骤如下：
26.步骤1：设计cu-b合金中b含量为2wt.％，分别称量电解cu粉和b粉，通过计算可得b粉与cu粉质量比为1：49，称取6gb粉，294g电解cu粉；
27.步骤2：将称量好的b粉和cu粉装入混料容器中并加入分散剂(无水乙醇)，在v型机械混料机上进行60min的混粉，转速100r/min，球料比为1:6，磨球粒径9mm；将混合后的cu-b预合金粉体过筛后倒入冷压模具，单次倒入30g粉末并进行倾斜摆动30
°
～50
°
振实，然后利用四柱式油压机进行压制，压制压力为300kn，保压20s形成cu-b预合金坯体；
28.步骤3：在高纯石墨坩埚内安装熔体导流管(内径为6mm)，将坯料依次装入坩锅内，保证下紧上松，并将坩埚整体放入感应线圈内进行熔炼，石墨坩锅所装坯料不超过坩锅深度的2/3，并用刚玉管封堵导流管口。封闭炉体后采用三级泵抽系统(机械泵、罗茨泵、扩散泵)对腔室预抽真空，当熔炼室内真空度低于9.0
×
10-3
pa后，向熔炼室内充入保护气体至腔室总压力达到-0.05mpa，保护气体为高纯ar。熔炼流程为：使用中频感应电源在20min将温度升至1350℃并保温5min使合金液充分均匀化；保温结束后，将刚玉管拔起，坩埚内的金属熔体通过底部导流管浇注至高纯石墨内进行冷却凝固；当冷却到室温时取出cu-b合金坯料，对坯料表面经机加工处理得到cu-b合金。
29.经上述工艺，本实施例所制备的cu-b合金硬度、导电率，结果为：89hv和83％iacs。
30.本实施例所制备的cu-b合金摩擦磨损形貌为粘着磨损，载荷为500g，摩擦速度为252mm/min，67min后磨损量为0.0003g，摩擦磨损稳定后摩擦系数平均值为0.69。
31.实施例2；
32.一种高导电、高耐磨cu-b合金的制备方法，具体步骤如下：
33.步骤1：设计cu-b合金中b含量为4wt.％，分别称量电解cu粉和b粉，通过计算可得b粉与cu粉质量比为1：24，称取12gb粉，288g电解cu粉；
34.步骤2：将称量好的b粉和cu粉装入混料容器中并加入分散剂(无水乙醇)，在v型机械混料机上进行120min的混粉，转速150r/min，球料比为1:4，磨球粒径6mm；将混合后的cu-b预合金粉体过筛后倒入冷压模具，单次倒入40g粉末并进行倾斜摆动30
°
～50
°
振实，然后利用四柱式油压机进行压制，压制压力为300kn，保压20s形成cu-b预合金坯体；
35.步骤3：在高纯石墨坩埚内安装熔体导流管(内径为5mm)，将坯料依次装入坩锅内，保证下紧上松，并将坩埚整体放入感应线圈内进行熔炼，石墨坩锅所装坯料不超过坩锅深度的2/3，并用刚玉管封堵导流管口。封闭炉体后采用三级泵抽系统(机械泵、罗茨泵、扩散
泵)对腔室预抽真空，当熔炼室内真空度低于9.0
×
10-3
pa后，向熔炼室内充入保护气体至腔室总压力达到-0.03mpa，所述保护气体为高纯ar。熔炼流程为：使用中频感应电源在20min将温度升至1250℃并保温8min使合金液充分均匀化；保温结束后，将刚玉管拔起，坩埚内的金属熔体通过底部导流管浇注至高纯石墨内进行冷却凝固；当冷却到室温时取出cu-b合金坯料，对坯料表面经机加工处理得到cu-b合金。
36.经上述工艺，本实施例所制备的cu-b合金硬度、导电率，结果为：104hv和79％iacs。
37.本发明所制备的cu-b合金摩擦磨损形貌为粘着磨损，载荷为500g，摩擦速度为252mm/min，67min后磨损量为0.0004g，摩擦磨损稳定后摩擦系数平均值为0.64。
38.实施例3；
39.一种高导电、高耐磨cu-b合金的制备方法，具体步骤如下：
40.步骤1：设计cu-b合金中b含量为2.5wt.％，分别称量电解cu粉和b粉，通过计算可得b粉与cu粉质量比为1：39，称取7.5gb粉，292.5g电解cu粉；
41.步骤2：将称量好的b粉和cu粉装入混料容器中并加入分散剂(无水乙醇)，在振动混粉机上进行240min的混粉，频率40hz，球料比为1:4，磨球粒径3mm；将混合后的cu-b预合金粉体过筛后倒入冷压模具，单次倒入50g粉末并进行倾斜摆动30
°
～50
°
振实，然后利用四柱式油压机进行压制，压制压力为300kn，保压40s形成cu-b预合金坯体；
42.步骤3：在高纯石墨坩埚内安装熔体导流管(内径为4mm)，将坯料依次装入坩锅内，保证下紧上松，并将坩埚整体放入感应线圈内进行熔炼，石墨坩锅所装坯料不超过坩锅深度的2/3，并用刚玉管封堵导流管口。封闭炉体后采用三级泵抽系统(机械泵、罗茨泵、扩散泵)对腔室预抽真空，当熔炼室内真空度低于9.0
×
10-3
pa后，向熔炼室内充入保护气体至腔室总压力达到0.01mpa，所述保护气体为高纯ar。熔炼流程为：使用中频感应电源在20min将温度升至1400℃并保温10min使合金液充分均匀化；保温结束后，将刚玉管拔起，坩埚内的金属熔体通过底部导流管浇注至高纯石墨内进行冷却凝固；当冷却到室温时取出cu-b合金坯料，对坯料表面经机加工处理得到cu-b合金。
43.经上述工艺，本实施例所制备的cu-b合金硬度、导电率，结果为：98.98hv和83.34％iacs。
44.本发明所制备的cu-b合金摩擦磨损形貌为粘着磨损，载荷为500g，摩擦速度为252mm/min，67min后磨损量为0.0002g，摩擦磨损稳定后摩擦系数平均值为0.57。
45.实施例4；
46.一种高导电、高耐磨cu-b合金的制备方法，具体步骤如下：
47.步骤1：设计cu-b合金中b含量为5.0wt.％，分别称量电解cu粉和b粉，通过计算可得b粉与cu粉质量比为1：19，称取15gb粉，285g电解cu粉；
48.步骤2：将称量好的b粉和cu粉装入混料容器中并加入分散剂(无水乙醇)，在行星式球磨机上进行240min的混粉，转速150r/min，球料比为1:8，磨球粒径7mm；将混合后的cu-b预合金粉体过筛后倒入冷压模具，单次倒入60g粉末并进行倾斜摆动30
°
～50
°
振实，然后利用四柱式油压机进行压制，压制压力为300kn，保压40s形成cu-b预合金坯体；
49.步骤3：在高纯石墨坩埚内安装熔体导流管(内径为3mm)，将坯料依次装入坩锅内，保证下紧上松，并将坩埚整体放入感应线圈内进行熔炼，石墨坩锅所装坯料不超过坩锅深
度的2/3，并用刚玉管封堵导流管口。封闭炉体后采用三级泵抽系统(机械泵、罗茨泵、扩散泵)对腔室预抽真空，当熔炼室内真空度低于9.0
×
10-3
pa后，向熔炼室内充入保护气体至腔室总压力达到0.01mpa，所述保护气体为高纯ar。熔炼流程为：使用中频感应电源在20min将温度升至1450℃并保温5min使合金液充分均匀化；保温结束后，将刚玉管拔起，坩埚内的金属熔体通过底部导流管浇注至高纯石墨内进行冷却凝固；当冷却到室温时取出cu-b合金坯料，对坯料表面经机加工处理得到cu-b合金。
50.经上述工艺，本实施例所制备的cu-b合金硬度、导电率，结果为：119hv和78％iacs。
51.本发明所制备的cu-b合金摩擦磨损形貌为粘着磨损，载荷为500g，摩擦速度为252mm/min，67min后磨损量为0.0008g，摩擦磨损稳定后摩擦系数平均值为0.69。
52.本发明一种高导电、高耐磨铜硼合金的制备方法，提高了合金液混合均匀程度，改善了cu-b合金比重偏析，最终制备出表面质量良好、成分稳定、组织均匀，磨损形貌为粘着磨损的高硬度、高导电、高耐磨的cu-b合金，具有一点的实用意义。