CN100545970C - 一种特种粉末铜合金电触头材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制造一种抗氧化性能好的铜合金电触头材料的方法，该合金是由稀土(镧、铈、钇三种中的一种或其中的2种或3种的组合)、硼、铝、银、导电陶瓷(TiN₂、SnO₂的一种或二种的组合)、金刚石粉、铜组成，经过制粉、机械混粉、等静压成形、烧结、挤压、成型加工，可根据需要制成各种电触头元件。依此方法制造出的电触头元件克服了现有技术铜合金电触头元件抗氧化能力较弱的缺点，可在低压电器领域替代银合金电触头使用，因此，可克服银合金电触头因用贵金属银所带来的高成本，不利于社会可持续发展的弊端。

Description

一种特种粉末铜合金电触头材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及电工合金材料制造工艺技术领域，主要是铜合金电触头材料的制造。

背景技术

铜合金通常采用熔炼法或粉末冶金方法制造，对低压电器用铜合金电触头材料，往往采用粉末冶金方法制造。

铜具有优良的导电和导热性，仅次于银，常温下铜的电导率为银的94％，热导率为银的73.2％，但铜比银便宜得多，因此，在电触头材料中用铜合金替代银合金，可节省贵金属银，降低产品成本，实现社会的可持续发展。

但铜有一个很大的缺点，即铜表面极易氧化，铜在氧化前的接触电阻为29mΩ，氧化后其接触电阻高达400mΩ，因此，当铜作为电触头材料使用时，如触头表面形成不易导电的氧化膜，由于接触电阻的迅速增大，会导致触头使用失效。

铜在干燥的空气中，常温时稳定。当将铜暴露于常见的污染物质，如氧化硫、氧化氮、酸性物质，或者卤素物质时，将会在铜的表面生成一层具有高电阻性的氧化亚铜(Cu₂O)。当铜作为电触头材料使用时，在触头接触电阻及电弧的作用下，触头表面温度骤升，触头表面的氧化亚铜转化为氧化铜(CuO)，形成不易导电的氧化膜，从而导致电触头失效。

作为电触头材料，在具有优良的导电性能、接触电阻低的同时，必须具有高抗熔焊性、耐电弧烧损和耐电磨损能力，以满足开关电器使用的要求。铜和银一样，是软金属，容易磨损，因此必须对其进行强化。

发明内容：

本发明主要是针对铜容易氧化以及氧化后接触电阻迅速增大导致电触头失效的缺点，通过在铜基体中添加稀土元素，提高铜的抗氧化性，此外，通过添加金刚石、导电陶瓷等，强化铜合金，提高材料的抗熔焊性、耐电弧烧损和耐电磨损能力。

本发明是这样实现的，一种特种粉末铜合金电触头材料，其特征在于：所述材料的组合物按重量百分比的组分为：

稀土：0.1％～1％，

硼：0.01％～0.1％，

铝：0.1％～1％，

银：0.1％～1％，

导电陶瓷：0.2％～2％，

金刚石粉：0.2％～2％，

余量为铜和不可避免的杂质。

所述稀土为：镧、铈、钇中的一种，或者是其中的二种或三种的组合。

所述导电陶瓷为TiN₂、SnO₂中的一种，或者是二种的组合。

特种粉末铜合金电触头材料的工艺过程依次为：制粉、机械混粉、等静压成形、烧结、挤压、和成型加工。

所述的制粉，首先制作铜粉，采用中频感应炉把铜熔化，在铜的熔炼过程中，按上述比例加入稀土、硼、铝和银元素，使添加元素均匀分布在铜基体中，即使其合金化，接着在高压离心雾化设备上将铜合金熔液雾化成粉末，然后在300℃～600℃用氢气对粉末进行还原处理，粉末的平均粒度为0.1μm～10μm；其次，按上述比例加入平均粒度为0.1μm～10μm的金刚石粉和导电陶瓷粉。

所述机械混粉采用混粉机对粉料进行混粉，混粉时间3～6小时。

所述等静压成形采用等静压机进行压制成形，压制压力为1000MPa～2000MPa。

所述烧结采用气体保护烧结炉进行，保护气体用H₂，加温速率为80～150℃/h，升温至800℃～1000℃时保温3小时，后随炉冷却。

所述挤压采用挤压机进行挤压，挤压锭子用氢气保护的中频感应炉预热，温度为850℃，挤压出50mm×6mm板材，挤压比约20∶1。

所述成型加工采用对板材进行轧制及冲压工序，把板材加工为所需元件。

具体实施方式：

本发明一种特种粉末铜合金电触头材料的组合物按重量百分比的组分为：

实施例1

稀土              0.1％，

硼                0.01％，

铝                0.1％，

银                0.1％，

导电陶瓷          0.2％，

金刚石粉          0.2％，

余量为铜和不可避免的杂质。

实施例2

稀土        1％，

硼          0.1％，

铝          1％，

银          1％，

导电陶瓷    2％，

金刚石粉    2％，

余量为铜和不可避免的杂质。

实施例3

稀土        0.5％，

硼          0.05％，

铝                0.5％，

银                0.5％，

导电陶瓷          1％，

金刚石粉          1％，

余量为铜和不可避免的杂质。

本发明的特种粉末铜合金电触头材料的制造工艺流程如下：

1)制粉：

——铜粉：用中频感应炉先把T2铜熔化，再按比例添加稀土、硼、银和铝，熔炼成铜合金，然后在高压离心雾化设备上将铜合金熔液雾化成粉末，再在300℃～600℃用氢气对粉末进行还原处理，粉末的平均粒度为0.1μm～10μm。

——金刚石粉：市购金刚石粉，平均粒度为0.1μm～10μm。

——导电陶瓷粉：市购，平均为0.1μm～10μm。

把铜粉、金刚石粉和导电陶瓷粉按规定比例混合。

2)机械混粉：

用V型混粉机对铜合金混合粉进行混粉，混粉时间4小时。

3)等静压成形：

用等静压机进行压制成形，压制压力为1300MPa。

4)烧结：

用气体保护烧结炉进行烧结，保护气体用H₂或氨分解气，加温速率为100℃/h，升温至850℃时保温3小时，后随炉冷却。

5)挤压：

用930T挤压机进行挤压，挤压锭子用氢气保护的中频感应炉预热，温度为850℃，挤压出50mm×6mm板材，挤压比约20∶1。

6)成型加工：

根据需要，对板材进行轧制及冲压工序，把板材加工为所需元件。

本发明的制造方法中，在制造铜粉前的熔炼阶段即在铜基体中加入了稀土、硼、铝和银等添加元素，并使其合金化，可使添加元素均匀分布在铜基体中。

本发明中加入的稀土元素，可提高特种粉末铜合金电触头材料的抗氧化性及耐电弧烧损能力。

元素硼，在铜中固溶度不大，一般作为脱氧剂使用，残余的硼则可以细化晶粒。本发明添加的硼，在特种粉末铜合金中一部分作为脱氧剂，另一部分则起到细化晶粒作用，当特种粉末铜合金触头在使用时，硼可以起到防止铜金属氧化作用，提高触头的抗氧化性能和耐磨损性能。

本发明添加的银，对铜的导电率、导热率降低不大，但能显著提高铜合金的再结晶温度、抗蠕变性能和耐磨性能，从而提高特种粉末铜合金电触头材料的耐电弧烧损能力、抗熔焊能力及耐电磨损性能。

本发明添加的金属铝，可弥散强化铜合金，提高特种粉末铜合金电触头材料的强度、导电性、耐热、耐磨损等综合性能。

本发明在混粉时添加金刚石粉和导电陶瓷粉，在小幅度降低导电率的前提下，利用金刚石粉和导电陶瓷粉的高强度、高硬度、高熔点和耐磨损性，提高特种粉末铜合金的强度和综合性能。

本发明的特种粉末铜合金电触头材料的优点是：通过添加元素、金刚石粉和导电陶瓷，大大改善了材料的抗氧化性能，同时，综合提高了材料的耐电弧烧损能力、抗熔焊性和耐电磨损性能。

本发明可广泛应用于家用电器、电子仪器、继电器、接触器、按钮开关和断路器等低压电器产品上。

Claims (9)

1.一种特种粉末铜合金电触头材料，其特征在于：所述材料的组合物按重量百分比的组分为：

稀土：0.1％～1％，

硼：0.01％～0.1％，

铝：0.1％～1％，

银：0.1％～1％，

导电陶瓷：0.2％～2％，

金刚石粉：0.2％～2％，

余量为铜和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种特种粉末铜合金电触头材料，其特征在于：所述稀土为：镧、铈、钇中的一种，或者是其中的二种或三种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种特种粉末铜合金电触头材料，其特征在于：所述导电陶瓷为TiN₂、SnO₂中的一种，或者是二种的组合。

4.一种特种粉末铜合金电触头材料的生产工艺，其特征在于：特种粉末铜合金电触头材料的工艺过程依次为：制粉、机械混粉、等静压成形、烧结、挤压、成型加工；

所述制粉，首先制作铜粉，采用中频感应炉把铜熔化，在铜的熔炼过程中，按权项1的比例加入稀土、硼、铝和银元素，使添加元素均匀分布在铜基体中，即使其合金化；接着在高压离心雾化设备上将铜合金熔液雾化成粉末，然后在300℃～600℃用氢气对粉末进行还原处理，粉末的平均粒度为0.1μm～10μm；其次按权项1的比例加入平均粒度为0.1μm～10μm的金刚石粉，和平均粒度为0.1μm～10μm的导电陶瓷粉。

5.根据权利要求4所述的一种特种粉末铜合金电触头材料的生产工艺，其特征在于：所述机械混粉采用混粉机对粉料进行混粉，混粉时间3～6小时。

6.根据权利要求4所述的一种特种粉末铜合金电触头材料的生产工艺，其特征在于：所述等静压成形采用等静压机进行压制成形，压制压力为1000MPa～2000MPa。

7.根据权利要求4所述的一种特种粉末铜合金电触头材料的生产工艺，其特征在于：所述烧结采用气体保护烧结炉进行，保护气体用H₂，加温速率为80～150℃/h，升温至800℃～1000℃时保温3小时，后随炉冷却。

8.根据权利要求4所述的一种特种粉末铜合金电触头材料的生产工艺，其特征在于：所述挤压采用挤压机进行挤压，挤压锭子用氢气保护的中频感应炉预热，温度为850℃，挤压出50mm×6mm板材，挤压比约20∶1。

9.根据权利要求4所述的一种特种粉末铜合金电触头材料的生产工艺，其特征在于：所述成型加工采用对板材进行轧制及冲压工序，把板材加工为所需元件。