CN101452773A

CN101452773A - 铜基SiCp稀土金属陶瓷复合电触头材料

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Publication number: CN101452773A
Application number: CNA2007101958889A
Authority: CN
Inventors: 请求不公开姓名
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2007-12-04
Publication date: 2009-06-10

Abstract

本发明提出一种由铜/SiC/稀土等复合而成的金属陶瓷材料。其导电导热性、灭弧性、抗熔焊性、抗电流腐蚀、抗粘结性及摩擦特性均可与银基触头相媲美，可替代原有的银基电工触头材料和铜基电触头材料。其特征在选用铜作为核心基体材料，选用碳化硅颗粒作为增强项，选用含镧或铈的稀土作为改良项，改善触头材料表面和基体理化性能，提高电接触表面抗氧化性、抗腐蚀性并提高液相和固相附着力。该材料性能完全达到触头材料现行指标及相应的电器标准，本材料不使用贵金属银并不含镉及镉氧化物，完全达到减轻环境污染、节约贵重金属资源的双重目标，并且大幅降低了触头材料的生产成本，符合我国和世界电器产品发展趋势。

Description

铜基SiCp/稀土金属陶瓷复合电触头材料

一、所属技术领域

本发明属于金属复合材料领域，提出了一种用于中低负载领域的铜基碳化硅稀土电触头复合材料。该材料是一种广泛的应用于中、低压电器行业和家用电器行业的电工触头材料，是一种无银无镉污染的新型电工触头材料，该材料还广泛的应用于弱电触头领域。

二、背景技术

在现有技术条件下，电接触元件制造材料以银基电接触材料为主，铜基电接触材料作为补充。

1.银基电接触材料

主要银基电接触材料包括：银—氧化物、银基假合金、银基合金三大类。银基材料具有高导电性、高导热性和良好的机械加工性，在大气条件下不氧化，能保持低而稳定的接触电阻等性质。通过熔炼粉末冶金和复合技术等不同工艺制成的银合金材料或复合材料，既保持了银材料原先的良好性能，又具有耐磨性，抗电弧熔焊的性能，因此广泛的应用在电器行业做为电工触头材料。但银是一种昂贵的稀有金属，资源紧缺，严重制约了银基电工触头材料的发展。

2.铜基电接触材料

现阶段国内外研究机构都把铜基电接触材料作为银基电接触材料的主要替代品进行研究，原因是铜具有和银差不多的导电能力，其熔点、热容量和机械性能要高于银，因而适合用于电接触材料。但是铜基材料表面在电流、大气环境条件下容易氧化，且其氧化物(CuO和Cu₂O)具有很低的电导率，急剧增大了元件的接触电阻，使材料在使用中容易发热，直接影响电开关的工作可靠性和寿命，使铜及一般的铜合金难于作为触头材料应用。此外金属铜的抗电烧蚀和抗熔焊能力也比较低。因此需要在铜中添加其它元素和化合物形成合金或者复合材料以改善其物化性能，使其满足中低压电器产品的要求。目前已经有多项关于铜基电接触材料的专利，如在铜中添加碳纤维、石墨、金刚石、碳化硼、镉、稀土金属、单一的氧化物和卤化物等。虽然这些方案有效的改善了铜基材料的电性能和机械性能，但是仍然没有做到触头材料抗氧化性、抗熔焊性、抗电烧蚀以及机械性能的优化组合，性能和银基材料相比还有不小差距。因此限制了铜基材料的应用范围，影响了其推广应用。

本发明目的是提出一种新型的铜基碳化硅、稀土金属复合接触材料，其导电导热性、灭弧性、抗熔焊性、抗电流腐蚀、抗粘结性及摩擦特性均可与银基触头相媲美，可替代原有的银基电工触头材料和传统的铜基电触头材料。

三、发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种低电阻率且接触电阻稳定、导热导电性好、抗电烧蚀和抗熔焊能力强、机械加工性好的新型铜基复合电接触材料。该材料采用SiC_p和混合稀土作为主要添加物，其他元素作为改性添加剂。

本发明的另一目的在于提供上述材料的制备方法。

本发明的铜基复合电接触材料组分如下，均为重量百分比：

SiC_p 1-15％

稀土 0.05-2％稀土为富含镧或铈的混合稀土

Mo、W之一或组合 1-10％

Ni 0.2-4％

碲 0.5-1％

余量为Cu

所用原料尽量纯度高，尤其是SiC_p粉体、铜粉、Mo粉中的杂质。

本发明的铜基金属陶瓷复合电接触材料最佳配比(重量比)为：SiC_p 7.5％，稀土1％，Mo 2％，W 1％，Ni 2％，碲0.5％，铜86％，其中稀土为富含镧或铈的混合稀土。

碳化硅是一种半导体材料，具有较大热导率、高临界击穿电场、高禁带、高载流子迁移率等特点，是增强铜基体的最佳选择。碳化硅陶瓷材料具有弹性模量高、抗氧化性能好以及高温强度大等优越性能，是用于强化电接触基体材料最理想的原料之一。此外由于碳化硅本身是半导体，其电导率随着温度的增加而不断增大，因此可以保证复合材料高温下的电导率。根据固相材料的电导理论，在低温状态下，由于铜具有很高的导电导热性能，碳化硅的加入不会显著降低增强的复合电接触材料的导电导热性能，而强度得以显著提高。在较高温度下，由于铜的电导率随着温度的升高而直线降低，而碳化硅的电导率随着温度的升高而增大，可以保证高温下的电导率，使复合电接触材料的电导率仍保持在相对较高的水平。选用半导化的碳化硅颗粒对Cu进行增强，可以有效的改善Cu的机械强度尤其是高温强度，提高材料抗电弧烧蚀和抗熔焊的能力，提高复合电接触材料的使用温度，同时又不至于显著降低其导热和导电性能。

富镧或富铈的混合稀土作为改性剂添加到复合材料中，混合稀土的加入可以改善铜的抗氧化性能，稀土的加入使Cu离子穿越氧化层的扩散过程遭遇到严重抑制，大幅度降低复合材料的氧化速度，并使Cu的导电率略有提高。同时稀土的加入还可以改善本材料的机加工性能，提高材料的耐磨性能。

除了SiC_p和混合稀土外，本材料还添加少量锰、钨、镍、碲等元素。添加Mo、W金属可以提高材料硬度及耐摩擦和抗电烧蚀性，在电弧作用下氧化形成的少量MoO₃、WO₃熔点低，可以吸收燃弧能量，并能改善SiC_p和铜的浸润性，进一步提高触头的抗电烧蚀能力和温度特性，延长触头使用寿命。Ni可与铜形成机械性能良好的合金，减少冷态时铜的氧化率，降低触头的接触电阻，降低温升。碲的加入可以提高材料的起晕电压和击穿电压，进一步改善材料的灭弧性能。

中等负载下电性能试验表明本发明的电接触材料具有优异的电性能，可以和银基电接触材料相比拟。因而可以在很大范围内替代现有的银基电接触材料。

四、具体实施方式

制备工艺：

选用纳米铜颗粒作为基体材料，基本粒度为20一100纳米；选用半导性六方相碳化硅颗粒作为增强材料，基本粒度为100纳米，最大颗粒小于300纳米，最小粒度大于50纳米；选用纳米级的稀土、锰、钨、镍、碲粉体作为改性材料；在保护气氛下将基体材料和改性材料进行机械混粉制得所需的包裹材料颗粒。采用溶胶凝胶法颗粒包裹工艺将包裹材料颗粒包裹到陶瓷增强材料颗粒表面，经抽滤、清洗包裹后的复合粉体在80℃温度下干燥2小时。最后采用热压烧结工艺，将复合粉料在100MPa压力下压制成型后进行烧结，保护气氛为氮气，烧成温度为980℃，升温速率为980℃/小时，烧结2小时，压力为100MPa，最后在400MPa压力下复压，获得本发明所述的铜基复合材料。

实施例1：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：SiCp 7.5％，混合稀土1％，锰2％，钨1％，镍2％，碲0.5％，铜86％，其中稀土为富含镧或铈的混合稀土。按上述制备工艺得到铜基复合电接触材料。

实施例2：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：SiCp 6％，混合稀土1％，锰5％，镍1.5％，碲0.5％，铜86％，其中稀土为富含镧或铈的混合稀土。材料的制备方法同制备工艺。

实施例3：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：SiCp 5％，混合稀土1.5％，锰1.5％，钨0.5％，镍0.5％，碲0.5％，铜90.5％，其中稀土为富含镧或铈的混合稀土。材料的制备方法同制备工艺。

Claims

1.一种铜基金属陶瓷复合材料，其特征在于：是由以下重量百分比的材料组成，SiC_p 1一15％，富镧或富铈的混合稀土0.05一2％，锰和钨之一或组合1一10％，镍0.2一4％，碲0.5一1％，其余为铜。

2.一种权利要求1所述的铜基金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：具体步骤为，

(1)选用纳米铜颗粒作为基体材料，；选用纳米级半导性六方相碳化硅颗粒作为增强材料；选用纳米级的稀土、锰、钨、镍、碲粉体作为改性材料；

(2)在保护气氛下将基体材料和改性材料进行机械混粉制得所需的包裹材料颗粒；

(3)采用溶胶凝胶法颗粒包裹工艺将包裹材料颗粒包裹到陶瓷增强材料颗粒表面，经抽滤、清洗包裹后的复合粉体在80℃温度下干燥2小时；

(4)采用热压烧结工艺，将复合粉料在100MPa压力下压制成型后进行烧结，保护气氛为氮气，烧成温度为980℃，升温速率为980℃/小时，烧结2小时，压力为100MPa，最后在400MPa压力下复压，获得本发明所述的铜基复合材料。