CN102628114A - 一种含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明粉末冶金领域，具体涉及一种含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料及其制备方法。本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料，其化学组成按质量百分比为：5~50%Cr，1~10.5%B₄C，余量为Cu。将Cr粉、B₄C粉以及Cu粉混合均匀，得到混合粉末，加入铜棒，放置于真空加热炉中，当温度升至1350℃后，开始化铜，化铜完成后降低温度至1100-1200℃，保温20-60分钟，冷却到室温，得到复合材料坯，对其退火处理，得到含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料。本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料和具有更高的机械强度、更高的耐电压能力和开断能力，经过适当的机械加工后即可用于中高压真空开关。

Description

一种含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料及其制备方法

技术领域

    本发明粉末冶金领域，具体涉及一种含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料及其制备方法。

背景技术

    Cu-Cr合金在高低温都不会形成金属间化合物相，其微观组织结构通常由富Cu固溶体相和富Cr固溶体相组成，其中，富Cu的固溶体相具有良好的导电和导热性能，而富Cr的固溶体则具有高硬度和高熔点特性，因此，Cu-Cr合金具有高强高导的双重特性，已作为电触头材料在真空断路器中获得广泛应用。为了提高Cu-Cr合金的机械性能和电学性能，国内外采用添加其它金属元素如Fe、W、Nb、Mo、Zr、Te、Ti及Co等的方法对其进行改性，这些元素的添加通常不会在Cu-Cr合金的微观组织中形成除富Cu的固溶体相和富Cr的固溶体相以外的新组成相。因此，目前国内外使用的Cu-Cr合金真空开关材料属于典型的双相合金。为了进一步提高真空开关的综合性能特别是耐电压性能和开断能力，急需开发新型的中高压真空电触头材料。

    中国专利1787137A公开了一种高性能铜－金刚石电触头材料及其制造工艺，虽然其导电性能和密度均优于Cu-Cr合金，但是其高熔点组元金刚石的含量很低，因此其机械强度和抗熔焊性能无法满足中高压真空开关的使用要求；中国专利1887137A公开了一种微量添加元素银的铜－金刚石电触头材料，基于和上面相同的原因，该触头材料也不适合用于中高压真空开关。

中国专利101698911A公开了一种铜铝基电触头复合材料，这一材料除了铜、铝、锡以及稀土金属外，还添加了不超过3％的B₄C，但其目的是用于替代低压开关中的银基电触头材料，因此，也不适合中高压真空开关；中国专利101452773A公开了一种铜基SiC_p稀土金属陶瓷复合电触头材料，该材料除了金属Cu、Te、Ni、稀土外，还含有不超过15％的陶瓷相SiC颗粒，其目的也是用来替代低压开关中的银基电接触材料。

中国专利101345143A公开了一种Cu/Ti₃SiC₂电接触材料及其制备工艺，该材料除了金属元素Cu外，含有最高达80％（质量百分比）的陶瓷相Ti₃SiC₂以及其它的微量添加剂，其微观组织结构主要由一个金属相和一个陶瓷相构成，但是其不含有Cr相，并且高温导电性能差，因此也不适合用于中高压真空开关。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料及其制备方法，本发明触头材料的铜基体上除了分布着一个富Cr的金属相外，还分布着一个陶瓷相，具有电阻率小、硬度和机械强度高、耐压能力高、开断能力强和抗熔焊性好的特点。

本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料，其化学组成按质量百分比为： 5~50%Cr，1~10.5%B₄C，余量为Cu。

本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

（1）在惰性气氛保护下，按5~50%Cr，1~10.5%B₄C的质量配比，将全部的Cr粉、全部的B₄C粉以及占Cr粉重量5~15%的Cu粉混合均匀，得到混合粉末；

（2）将混合粉装入坩埚内敦实、压平，坩埚放置于真空加热炉中，抽真空至≤5x10^-2Pa后，加热至1000~1400℃，并保温0.5~10小时，得到烧结后的复合粉体，开炉冷却；

（3）将铜棒置于坩埚内，重新启动真空加热炉，快速升温至1350℃后，开始化铜，化铜完成后降低温度至1100-1200℃，保温20-60分钟，最后关闭加热系统，冷却到室温，得到复合材料坯；

（4）在真空或惰性气氛保护下对复合材料坯加热至300～1050℃，并保温0.5～10小时，进行退火处理，得到退火后的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料。

本发明提供的铜基真空电触头复合材料的设计原则是：在导电的铜基体相上均匀分布一个中等熔点的金属相A以及一个高熔点的陶瓷相B，此外，所选择的组成相之间可在特定条件下形成轻度冶金结合，以增强复合材料中不同相之间的结合力。

本发明的基本原理是针对Cu-Cr合金是目前公认的最佳的中压真空开关用电触头材料的特点，选择常温下热导率和电导率很高的富Cu固溶体相作为复合材料的基体相，选择富Cr的固溶体相作为金属型第二相，并选择比富Cr固溶体相的熔点和临界击穿电场更高但高温下热导率相差不大的B₄C化合物作为陶瓷型第二相来共同增强铜基体，旨在使铜基复合材料的机械性能、抗熔焊性能和开断能力得到综合提高。为了达到较好的增强效果，本发明铜基复合材料中的富Cr固溶体相的质量百分比含量不低于5％，陶瓷相的质量百分比不低于1％。

本发明的制备工艺的选取是由于陶瓷相的密度比两个金属相低很多，采用熔铸等工艺很难获得微观结构均匀的复合材料，因此，本发明提供一种基于烧结－溶渗的粉末冶金工艺。

本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料和传统的具有两相结构的Cu-Cr合金触头材料相比，具有更高的机械强度、更高的耐电压能力和开断能力，无论是原始的复合材料坯还是退火工艺处理后的复合材料坯经过适当的机械加工后即可用于中高压真空开关。

附图说明

图1：本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的制备工艺流程图；

图2：本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的微观结构示意图；

图3：本发明实施例1制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的金相照片；

图4： 本发明实施例1制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的扫描电镜组织图。

具体实施方式

本发明所使用原料是：（1）Cu粉：纯度≥99％，氧含量≤450ppm，粉末粒度为－200目；

（2）Cr粉：纯度≥99％，氧含量≤800ppm，粉末粒度为－140目；（3）Cu棒：纯度≥99％，氧含量≤450ppm；（4）B₄ C粉：纯度≥95％，粉末粒度为－140目。

本发明所使用的设备室：（1）混粉机；（2）真空加热炉，均为粉末冶金常规设备。

实施例1

组成配比：Cu 5.00 kg，占质量百分比50%；

          Cr 4.71 kg，占质量百分比47.1%；

          B₄C 0.29kg, 占质量百分比2.9%。

（1）按上述化学配比，称取4.71kg铬粉和0.29kg碳化硼粉末混合均匀，再混入0.5kg的铜粉，用混粉机混粉8小时；

（2）将混合粉装入坩埚内敦实、压平，坩埚放置于真空加热炉中，抽真空至≤5x10^-2Pa后，加热至1000℃，保温10小时，得到烧结后的复合粉体，开炉冷却；

（3）将4.5kg铜棒置于坩埚内，再次启动真空加热炉，快速升温至1350℃，开始化铜，化铜完成后降低温度至1100℃，保温60分钟，最后关闭加热系统，得到复合材料坯；

（4）在真空下对复合材料坯加热至300℃，并保温10小时，进行退火处理，得到退火后的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料。

本实施例制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的微观组织如图1、图3和图4所示，其中，B₄C主要以三种方式存在：一部分B₄C是在铬骨架烧结中，由于铬颗粒的相互团聚，附着在铬表面的B₄C被包裹在铬颗粒中，另一部分在铬颗粒表面，少部分B₄C在渗铜过程中，随铜进行流动，最终在铜中形成独立的B₄C颗粒。

本实施例制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的各项性能如下所示：

    性能：    密度：7.83 g/cm³；

              硬度：115-118  HB；

              电导率：14.3-15.1 Ms/m (退火前)；

17.4-18.6 Ms/m (退火后)；

              O含量：490 ppm；

          N含量：27 ppm。

实施例2

组成配比：Cu 5.17kg，占质量百分比51.65%；

          Cr 4.57kg，占质量百分比45.7%；

          B₄C 0.265kg, 占质量百分比2.65%。

（1）按上述化学配比，称取4.57kg铬粉和0.265kg碳化硼粉末混合均匀，再混入0.457kg的铜粉，用混粉机混粉8小时；

（2）将混合粉装入坩埚内敦实、压平，坩埚放置于真空加热炉中，抽真空至≤5x10^-2Pa后，加热至1400℃，保温0.5小时，得到烧结后的复合粉体，开炉冷却；

（3）将4.713kg铜棒置于坩埚内，再次启动真空加热炉，快速升温至1350℃，开始化铜，化铜完成后降低温度至1200℃，保温20分钟，最后关闭加热系统，得到复合材料坯；

（4）在真空条件下对复合材料坯加热至1400℃，并保温0.5小时，进行退火处理，得到退火后的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料。

本实施例制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的各项性能如下所示：

性能：    密度：7.76 g/cm³；

              硬度：182-196 HB；

              电导率：14.4-14.5 Ms/m (退火前)；

15.1-15.6 Ms/m (退火后)。

实施例3

组成配比：Cu 6.78 kg，占质量百分比67.8%；

          Cr 3.00 kg，占质量百分比30%；

          B₄C 0.22kg, 占质量百分比2.2%。

（1）按上述化学配比，称取3.00kg铬粉和0.22kg碳化硼粉末混合均匀，再混入0.45kg的铜粉，用混粉机混粉8小时；

（2）将混合粉装入坩埚内敦实、压平，坩埚放置于真空加热炉中，抽真空至≤5x10^-2Pa后，加热至1000℃，保温5小时，得到烧结后的复合粉体，开炉冷却；

（3）将6.33kg铜棒置于坩埚内，再次启动真空加热炉，快速升温至1350℃，开始化铜，化铜完成后降低温度至1150℃，保温30分钟，最后关闭加热系统，得到复合材料坯；

（4）在惰性气氛保护下对复合材料坯加热至1000℃，并保温5小时，进行退火处理，得到退火后的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料。

本实施例制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的各项性能如下所示：

    性能：    密度：7.933 g/cm³；

              硬度：121-128  HB；

              电导率：18.3-19.5 Ms/m (退火前)；

20.1-21.5 Ms/m (退火后)。

实施例4

组成配比：Cu2.90kg，占质量百分比42.6%；

          Cr3.19kg，占质量百分比46.9%；

          B₄C0.71 kg, 占质量百分比10.5%。

（1）按上述化学配比，称取3.19kg铬粉和0.71kg碳化硼粉末混合均匀，再混入0.32kg的铜粉，用混粉机混粉8小时；

（2）将混合粉装入坩埚内敦实、压平，坩埚放置于真空加热炉中，抽真空至≤5x10^-2Pa后，加热至1000℃，保温5小时，得到烧结后的复合粉体，开炉冷却；

（3）将2.58kg铜置于坩埚内，再次启动真空加热炉，快速升温至1350℃，开始化铜，化铜完成后降低温度至1150℃，保温30分钟，最后关闭加热系统，得到复合材料坯；

（4）在惰性气氛保护下对复合材料坯加热至1050℃，并保温5小时，进行退火处理，得到退火后的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料。

本实施例制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的各项性能如下所示：

    性能：    密度：7.36 g/cm³；

              硬度： 240-245 HB；

              电导率： 8.5-10.2 Ms/m (退火前)；

8.8-10.4 Ms/m (退火后)。

Claims (2)

1.一种含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料，其特征在于其化学组成按质量百分比为： 5~50%Cr，1~10.5%B₄C，余量为Cu。

2.根据权利要求1所述的一种含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）在惰性气氛保护下，按5~50%Cr，1~10.5%B₄C的质量配比，将全部的Cr粉、全部的B₄C粉以及占Cr粉重量5~15%的Cu粉混合均匀，得到混合粉末；

（2）将混合粉装入坩埚内敦实、压平，坩埚放置于真空加热炉中，抽真空至≤5x10^-2Pa后，加热至1000~1400℃，并保温0.5~10小时，得到烧结后的复合粉体，开炉冷却；

（3）将铜棒置于坩埚内，重新启动真空加热炉，快速升温至1350℃后，开始化铜，化铜完成后降低温度至1100-1200℃，保温20-60分钟，最后关闭加热系统，冷却到室温，得到复合材料坯；

（4）在真空或惰性气氛保护下对复合材料坯加热至300～1050℃，并保温0.5～10小时，进行退火处理，得到退火后的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料。

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