CN100354999C - 低压电器用清洁环保型铜基触头材料及其触点制备方法 - Google Patents

Abstract

一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料及其触点制备方法，材料组成的重量百分比为：第一相导电核心为铜余量，第二相抗分断物质为纯稀土氧化物或混合稀土氧化物0.1%-15%，第三相添加物为抗氧化和起灭弧作用的合金化元素0-5%。制成的触点抗氧化性能好，电寿命长，并且符合欧盟《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》(ROHS)的要求。

Description

低压电器用清洁环保型铜基触头材料及其触点制备方法

一、所属技术领域

本发明涉及一种铜基触头材料及其触点制备方法，尤其是指一种用于低压电器的铜基触头材料及其触点制备方法。

二、背景技术

触头材料是各种开关、继电器、接触器等电器的关键材料，起着接通、分断和传输电流的作用。目前国内外大量使用的触头材料为银基材料，成本高。虽然有一部分铜基触头材料，但其抗氧化性能差和电寿命短。分析其原因主要为材料高温性能差，加入的抗分断能力的物质在电弧的作用下不稳定，容易分解或与氧反应(如碳、碳化物、普通氧化物)然后与铜生成共同氧化物，从而使触头材料在使用过程中失效。

2003年2月，在经过10年讨论，欧盟议会及理事会通过了两项新的环保指令：《关于报废电气电子设备指令》(WEEE)和《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》(ROHS)。两个指令的主要内容，是围绕“电子垃圾”的回收及循环再利用、防止部分有害物质对人类健康造成危害等问题作出详细规定和严格限制。ROHS指令的主要内容是，2006年7月1日以后投放欧盟市场的电气和电子产品不得含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等六种有害物质。触头材料中不得含有镉、铅、汞、六价铬，必须达到清洁环保的要求。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料，制成的触点抗氧化性能好，电寿命长，并且符合欧盟《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》(ROHS)的要求。

本发明的另一个目的在于提供一种用上述低压电器用清洁环保型铜基触头材料制成触点的制备方法。

为达到上述目的，本发明采取的解决方案是：一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料，它组成的重量百分比为：第一相导电核心为铜余量，第二相抗分断物质为纯稀土氧化物或混合稀土氧化物0.1-15％，第三相添加物为抗氧化和起灭弧作用的合金化元素0-5％。

第二相物质是三氧化二镝或三氧化二钐或三氧化二镧或三氧化二钇或三氧化二铈或三氧化二铕或三氧化二镱或三氧化二钬或三氧化二铒中的任一种稀土氧化物。

第二相物质是三氧化二镝、三氧化二钐、三氧化二镧、三氧化二钇、三氧化二铈、三氧化二铕、三氧化二镱、三氧化二钬、三氧化二铒中的任两种或任两种以上的混合稀土氧化物。

第三相添加物是稀土元素或铝或锆或碲或铋或铌或镍或硅中的任一种。

第三相添加物是稀土元素、铝、锆、碲、铋、铌、镍、硅中任两种或任两种以上组合。

一种用上述的低压电器用清洁环保型铜基触头材料制成触点的制备方法：

(1)粉末的混合：按比例，把第二相物质粉末分散，加入铜粉和第三相的合金粉，在混粉机内混合均匀；

(2)制锭或单件初压：把混合均匀的粉末在压力机上根据要求压制成大小合适的坯锭或与触点形状相同的单件压坯工件；

(3)烧结：将坯锭或工件放攻保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结；

(4)复压：在压力机上将已经烧结的坯锭或工件进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％，工件复压制成触点；

(5)挤压：在挤压机上把经复压的坯锭挤压成规格尺寸的板材或线材，挤压温度600℃-900℃，挤压比10-40；

(6)轧制或拉丝：在轧机上把板材轧到规定的尺寸；线材在拉丝机上拉制到规格尺寸；

(7)落料或打铆钉：在冲床或铆钉机按规定制成一定尺寸的触点。

第二相物质在粉末混合过程中以内氧化的铜氧化稀土粉末加入，或加入铜稀土合金粉末然后在烧结过程中内氧化出稀土氧化物。

第三相添加物以铜合金粉末加入或以单质粉末加入。

在轧制阶段，在轧机上轧制预留一定余量，用加热熔化方法在板材的一面均匀地敷上一层0-0.5mm厚的焊料，然后轧制和在400℃-800℃下扩散退火，最后轧制到最终尺寸。

焊料为含银或不含银的清洁环保型焊料。

本发明的触头材料是把抗氧化和抗分断两方面的问题分开来解决。一方面，铜在电弧的作用下本身的氧化物是能分解的，它所产生氧化物的阶段主要是在长期放置、刚接通不稳定时和分断后降温时，在后两个阶段的时间都是非常短暂的，这时应有物质能代替铜优先氧化，使稳定接触和降温后，铜就能不再氧化，从而起到抗氧化的作用。在第一个阶段主要用铜合金本身的抗氧化性能就可以解决(如铜稀土合金)，我们通过第三相的加入可以解决此问题。另一方面，触头的抗分断能力主要表现为在触头通过大电流时，触头表面有部分熔化，这时产生的熔桥强度比较低，易脆，容易断裂，加入稀土氧化物就是为了达到这样的目的。而且这时氧化物不分解、不与氧反应，物质的各项性能不发生变化，保持触头表面光滑。而如果是碳或碳化物能与氧反应，生成的气体在高温下膨胀，使触头材料表面产生大量的孔洞和瘤结，使之粗糙，使接触电阻增加。另加入的第二相在铜基体中是弥散分布的特别是内氧化的铜稀土氧化物，在烧结过程中不会聚集张大，从而提高触头材料整体的高温强度。而碳(石墨或金刚石)高温烧结和挤压过程中易聚集产生层状结构，而降低高温强度。

另外材料再加工的过程中热加工、轧制和扩散退火方法的集合能在材料上敷上一层均匀的焊料，能直接焊接到铜桥架上，为用户在以后的加工过程中提供方便。

本发明的触头材料与现有技术相比，抗氧化性能好和电寿命长，并且符合国际电器通标标准即达到清洁环保的要求。

四、具体实施方式

实施例一：

一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料：其材料成分配比为(重量百分比)：三氧化二镝5％，镧0.15％，锆0.15％，铜余量。

触点制备方法如下：

1、把三氧化二镝粉末分散，按比例加入铜粉和镧、锆的铜合金粉，在混粉机内混合均匀。

2、在压力机上根据要求压制成大小合适的坯锭。

3、将坯锭放入保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结。

4、在压力机上将坯锭进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％。

5、在挤压机上把坯锭挤压成规格尺寸的板材或线材，挤压温度600℃-900℃，挤压比10-40。

6、在轧机上轧制，预留一定余量，用加热熔化方法在板材的一面均匀地敷上一定厚度的焊料，然后轧制和在400℃-800℃下扩散退火，最后轧制到最终尺寸；线材在拉丝机上拉制到规格尺寸。

7、在冲床或铆钉机上按规定制成一定尺寸的触点。

材料物理性能如下：电阻率ρ≤2.3μΩ·cm，硬度HB≥850MPa，密度≥8.65。

实施例二：

一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料：其材料成分配比为(重量百分比)：三氧化二镧10％，镧1.5％，硅0.15％，铜余量。

触点制备方法如下：

1、按比例加入内氧化的铜三氧化二镧粉末、铜粉和镧、硅的铜合金粉，在混粉机内混合均匀。

2、在压力机上根据要求压制成大小合适的坯锭。

3、将坯锭放入保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结。

4、在压力机上将坯锭进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％。

5、在挤压机上把坯锭挤压成规格尺寸的板材或线材，挤压温度600℃-900℃，挤压比10-40。

6、在轧机上轧到规定的尺寸；线材在拉丝机上拉制到规格尺寸。

7、在冲床或铆钉机上按规定制成一定尺寸的触点。

材料物理性能如下：电阻率ρ≤2.8μΩ·cm，硬度：HB≥850MPa，密度≥8.55。

实施例三：

一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料：其材料成分配比为(重量百分比)：含镧镝钇铕镱钬铈的氧化稀土7.5％，铝0.1％，硅0.15％，混合稀土0.5％，铜余量。

触点制备方法如下：

1、按比例加入内氧化的铜氧化稀土粉末、铜粉和具有第三相的铜合金粉，在混粉机内混合均匀。

2、在压力机上根据要求压制成大小合适的坯锭。

3、将坯锭放入保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结。

4、在压力机上将坯锭进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％。

5、在挤压机上把坯锭挤压成规格尺寸的板材或线材，挤压温度600℃-900℃，挤压比10-40。

6、在轧机上轧制，预留一定余量，用加热熔化方法在板材的一面均匀地敷上一定厚度的焊料，然后轧制和在400℃-800℃下扩散退火，最后轧制到最终尺寸；线材在拉丝机上拉制到规格尺寸。

7、在冲床或铆钉机上按规定制成一定尺寸的触点。

材料物理性能如下：电阻率ρ≤2.6μΩ·cm，硬度：HB≥850MPa，密度≥8.55。

实施例四：

一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料：其材料成分配比为(重量百分比)：三氧化二铈0.5％，铝0.1％，硅0.15％，锆1.5％，镍0.25％，铋0.2％，碲0.2％，混合稀土0.6％，铌2％，铜余量。

触点制备方法如下：

1、按比例加入内氧化的铜氧化稀土粉末、铜粉和第三相的粉末，在混粉机内混合均匀。

2、在压力机上根据要求压制成大小合适的坯锭。

3、将坯锭放入保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结。

4、在压力机上将坯锭进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％。

5、在挤压机上把坯锭挤压成规格尺寸的板材或线材，挤压温度600℃-900℃，挤压比10-40。

6、在轧机上轧到规定的尺寸；线材在拉丝机上拉制到规格尺寸。

7、在冲床或铆钉机上按规定制成一定尺寸的触点。

材料物理性能如下：电阻率ρ≤2.5μΩ·cm，硬度HB≥850MPa，密度≥8.60。

实施例五：

一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料：其材料成分配比为(重量百分比)：含镧镝钇铕镱钬铈铒的混合氧化稀土6％，含镧镝钇铕镱钬铈铒的混合稀土1.0％，余量铜。

触点制备方法如下：

1、按比例加入铜稀土合金粉末、氧化铜粉(加入量应经过计算，使材料中有一部分稀土不被氧化)、铜粉，在混粉机内混合均匀。

2、在压力机上根据要求压制成大小合适的坯锭。

3、将坯锭放入保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结。

4、在压力机上将坯锭进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％。

5、在挤压机上把坯锭挤压成规格尺寸的板材或线材，挤压温度600℃-900℃，挤压比10-40。

6、在轧机上轧到规定的尺寸；线材在拉丝机上拉制到规格尺寸。

7、在冲床或铆钉机上按规定制成一定尺寸的触点。

材料物理性能如下：电阻率ρ≤2.6μΩ·cm，硬度HB≥850MPa，密度≥8.55。

实施例六：

一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料：其材料成分配比为(重量百分比)：含镧镝钇铕镱钬铈的混合氧化稀土3％，镧0.5％，锆0.15％，铜余量。

触点制备方法如下：

1、按比例加入内氧化的铜氧化稀土粉末、铜粉和具有第三相的铜合金粉，在混粉机内混合均匀。

2、在压力机上根据要求压制成与触点形状相同的单件压坯。

3、将工件放入保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结。

4、在压力机上将工件进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％。材料物理性能如下：电阻率ρ≤2.6μΩ·cm，硬度HB≥650MPa，密度≥8.40。

Claims (10)

1、一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料，其特征在于：它组成的重量百分比为：第一相导电核心为铜余量，第二相抗分断物质为纯稀土氧化物或混合稀土氧化物3％-15％，第三相添加物为抗氧化和起灭弧作用的金属元素0.3％-5％。

2、根据权利要求1所述的一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料，其特征在于：第二相物质是三氧化二镝或三氧化二钐或三氧化二镧或三氧化二钇或三氧化二铈或三氧化二铕或三氧化二镱或三氧化二钬或三氧化二铒中的任一种稀土氧化物。

3、根据权利要求1所述的一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料，其特征在于：第二相物质是三氧化二镝、三氧化二钐、三氧化二镧、三氧化二钇、三氧化二铈、三氧化二铕、三氧化二镱、三氧化二钬、三氧化二铒中的任两种或任两种以上的混合稀土氧化物。

4、根据权利要求1所述的一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料，其特征在于：第三相添加物是稀土元素或铝或锆或碲或铋或铌或镍或硅中的任一种。

5、根据权利要求1所述的一种低压电器用清洁环保型铜基触头材料，其特征在于：第三相添加物是稀土元素、铝、锆、碲、铋、铌、镍、硅中任两种或任两种以上组合。

6、一种用根据权利要求1或2或3或4或5所述的低压电器用清洁环保型铜基触头材料制成触点的制备方法，其特征在于：

(1)粉末的混合：按比例，把第二相物质粉末分散，加入铜粉和第三相的合金粉，在混粉机内混合均匀；

(2)制锭或单件初压：把混合均匀的粉末在压力机上根据要求压制成大小合适的坯锭或与触点形状相同的单件压坯工件；

(3)烧结：将坯锭或工件放入保护气氛炉中于850℃-1100℃下进行烧结；

(4)复压：在压力机上将已经烧结的坯锭或工件进行复压，复压密度应大于等于理论密度的95％，工件复压制成触点；

(5)挤压：在挤压机上把经复压的坯锭挤压成规格尺寸的板材或线材，挤压温度600℃-900℃，挤压比10-40；

(6)轧制或拉丝：在轧机上把板材轧到规定的尺寸；线材在拉丝机上拉制到规格尺寸；

(7)落料或打铆钉：在冲床或铆钉机上按规定制成一定尺寸的触点。

7、根据权利要求6所述的一种触点制备方法，其特征在于：第二相物质在粉末混合过程中以内氧化的铜氧化稀土粉末加入，或加入铜稀土合金粉末然后在烧结过程中内氧化出稀土氧化物。

8、根据权利要求6所述的一种触点制备方法，其特征在于：第三相添加物以铜合金粉末加入或以单质粉末加入。

9、根据权利要求6所述的一种触点制备方法，其特征在于：在轧制阶段，在轧机上轧制预留一定余量，用加热熔化方法在板材的一面均匀地敷上一层0-0.5mm厚的焊料，然后轧制和在400℃-800℃下扩散退火，最后轧制到最终尺寸。

10、根据权利要求9所述的一种触点制备方法，其特征在于：焊料为含银或不含银的清洁环保型焊料。