CN103045895A

CN103045895A - 一种电接触材料及其制备方法

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Publication number: CN103045895A
Application number: CN2013100175552A
Authority: CN
Inventors: 狄江海
Original assignee: SHANGHAI TOUCH METALS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI TOUCH METALS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明公开了一种电接触材料及其制备方法。所述的电接触材料其特征在于，包括以重量份数计的化学成分为：Cu：30～80重量份、W：15～70重量份、Co：0.1～5重量份。制备方法：将各原料按比例放入机械合金化装置进行合金化，并加入保护剂；将合金化后的粉末放入成型模具进行压制成型；将毛坯在氢气保护条件下烧结；将烧结后的毛坯放入热挤压机进行挤压，得到棒材；将棒材进行拉拔或轧制，得到丝材或板材；将丝材或板材冲压制备触点。采用本发明制成的复合材料既具有铜良好的导电和导热性能，同时也具有钨的高强度、高硬度、低膨胀系数等特性，产品能够在中高压开关电器的触头材料领域得到广泛应用。

Description

一种电接触材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电接触材料及其制备方法，属于电接触材料技术领域。

背景技术

电触头是各种仪器仪表、电器开关中不可缺少的接触元件。近年来，我国超高压输电系统所用的断路器，核聚变工程中的保护开关，人造卫星上的继电器，大型电子计算机中的连接器，现代轧钢系统中的电气设备等，都对触头材料提出了更高的要求。电触头材料一般分为三类。

1、纯金属材料，如银、铜、金、铂、钨等。纯银电触头的接触电阻小，工作温度较高。纯铜电触头的很容易氧化，现在很少使用。纯金电触头比较软，金属损耗大，使用场合较少。纯铂电触头的接触电阻稳定，但是铂金属昂贵。纯钨电触头耐磨性及耐电弧腐蚀性都较好，但是表面会生产不导电的氧化膜，需要很大的接触力才能破碎这种膜，可用在大功率用电器上。

2、金属合金材料，如银合金、金合金、铂合金、钨合金等。银合金常见的有银金合金和银钯合金，银合金不仅耐大气腐蚀，且易于切削加工。金合金中的金镍合金抗熔焊和桥转移特性好。金铂和金锆合金高温时不易氧化。铂铱合金触头性能优异，使用寿命长。

3、金属陶瓷材科

一般的金属陶瓷触头由两相组成，一相起骨架作用，一相起导电和导热作用。

(1)银氧化镉触头——历史上使用效果最好的触头材料，耐电磨损、抗熔焊和接触电阻低而稳定。但是具有毒性，现在已被部分国家禁止使用。这种材料具有这些优良性能的原因是：

1)在电弧作用下氧化镉分解，从固态升华到气态(分解温度约为900℃)，蒸发，起着吹弧作用，并清洁触头表面；

2)氧化镉分解时吸收大量的热，有利于电弧的冷却与熄灭；

3)弥散的氧化镉微粒能增加熔融材料的粘度，减少金属的飞溅损耗；

4)铜蒸气一部分重新与氧结合形成固态氧化镉，沉积在触头表面，阻止触头的焊接。

(2)银钨触头——具有银单质和钨单质各自的优点。钨含量影响耐电弧磨损和抗熔焊性能，且随钨含量的增高导电率下降很快。银钨触头的接触电阻随着工作时间的增加会不断增加，很不稳定。高温也会使触头表面生成不导电的膜。

(3)铜钨触头——与银钨触头相似，但其表面更易形成钨酸铜(CuWO₄)膜，接触电阻增大。

①电触头材料

铜钨复合材料替代原来纯Cu和Cu合金触头作为传统高压开关电器的电触头已经有十几年的历史，在铜钨制品中占有很大份额，其应用场合一般在空气或其它介质中。国家标准(GB8320-1987)对铜钨电触头产品的使用性能要求规定：密度应不小于其理论密度的96％；产品尺寸应满足一定的精度要求；铜钨电触头产品的微结构中，W、Cu两相要均匀分布，具有较少的气孔、夹杂，并具有一定的力学性能等。

表1铜钨电触头的物理力学性能

Table l The physical and mechanical properties of W-Cu contact

20世纪80年代后期，随着真空开关和电子器件的不断发展，铜钨复合材料作为真空开关的触头和集成电路、微波器件中的散热元件也得到了较为广泛的应用，并由此发展了真空铜钨材料体系。在真空铜钨触头材料中，除常规的铜钨触头材料牌号外还发展了高钨低铜类钨铜制品，如CuW₉₀、CuW₈₅等，几种主要真空铜钨材料的牌号及其气体含量、导电性能和硬度如表2所示。

表2国内外部分真空触头用铜钨材料的成分及性能

Table2Components and properties of vacuum contact

*带#的表示含有其他添加剂。

②电加工电极用铜钨复合材料

早期的电火花加工常用铜和铜合金作为加工电极。由于铜耐电弧腐蚀性较差，导致铜电极材料消耗大，且随着电极的消耗，电极外形发现变化，导致产品的加工精度很差。因而，现在采用的铜钨材料做电极，解决了电极消耗大的问题。

③电子封装及热沉用铜钨复合材料

铜钨两相复合材料具有较高的导热性和低的热膨胀系数，在大功率器件中被视为一种很好的热沉材料。同时，铜钨复合材料具有与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数，故作为嵌块、连接件和散热元件得到了迅速应用。

铜钨复合材料的相对致密度最高可达到99％以上，采用纯度较高的粉末原料，对铜钨材料的质量和性能有着更高的要求，不仅要求纯度高且应组织均匀、漏气率低、导热性很好及热膨胀系数小，故须严格控制生产工艺和产品质量。

铜钨复合材料的塑性较低，变形加工较为困难，过去国内外对这方面的研究较少，但近年来在这方面的工作有所突破。

传统的铜钨合金的制备一般采用熔渗法和液相烧结方法，但是由于铜钨互不相溶，其烧结性能较差，难以实现完全的烧结致密化，铜含量愈低相对密度愈低。另外形成均匀化的微观结构或灵活地调整铜钨复合材料的成分，对于传统粉末冶金方法而言也十分困难。尽管采用超细且铜弥散分布的粉末，能较大地改善铜钨/钼系的烧结性能，获得较理想的材料，但高温液相烧结会造成铜的大量挥发，无法控制铜含量。

添加Fe、Pd等元素的活化烧结也能取得较好的效果，活化剂的加入与Cu、Mo、W形成了固溶体，虽然提高了力学性能和烧结性能，但显著降低了材料的导热导电性能，这对要求高导电导热性的微电子材料来说是不利的。因此该方法所制备的材料只适用于导电、导热性能要求不高的场合。探索新的制备技术以获得组织和微结构更加合理，性能更为优异的新型铜钨材料仍是该材料开发研究中一个十分重要的课题。

铜钨复合材料体系虽然已经过多年的研究开发，其产品也已日趋成熟。但对于低钨含量的复合材料研究目前仍然是空白，低钨含量的铜钨复合材料的性能、钨在合金内部的存在状态及钨含量对该复合材料性能的影响也没有相关报道。由于高钨铜钨/钼复合材料需要使用熔渗法进行制备，其制备工艺条件苛刻，低钨复合材料的制备工艺与其的差异也需要系统研究。

I.H.Moon等发现对于低Cu的CuW材料来说，加入Co改进材料的烧结性能的效果比Ni好，但在高Cu的CuW材料中两者活化烧结剂的效果都不显著。对于低Cu合金来说，在W粒子的表面能形成W6Co7金属间化合物。I.H.Moon等加入的活化剂含量均小于0.5％。

杨晓红等研究了Fe元素对Cu/W间的润湿行为，采用了座滴法研究在氩气气氛下和真空条件下，Cu-Fe合金在W基板上的润湿行为和Fe元素对Cu/W界面结合状态的影响。结果表明：向Cu中添加Fe元素能降低Cu液和W板之间的浸润角，且其润湿角随温度升高而降低。Cu/W之间的浸润性在真空条件下比在氩气气氛下好，在1300℃时，Fe含量为1.2％时，真空条件下接触角为0.7°，而在氩气气氛下的接触角为47.5°。添加元素能促进Cu/W界面处元素的扩散，而在CuFe/W界面处形成了扩散层，改善了Cu液和W基板的浸润性，使Cu/W界面原来的机械结合变为冶金结合，提高了结合强度。

谢健全等研究了在Cu基体中加入W、Ni和C元素来改善材料性能，采用粉末冶金的压制、烧结，复压工艺研制，得到的触头材料相对密度≥97％，

电阻率≤2.45μΩ·cm，硬度HB≥950MPa。与现在已经使用的Ag-ZnO₂对比，发现两者的物理机械性能、温升和通断性能相当，而使用Cu基体大大节约了成本。

李大圣等研究了电场和元素Cr对Cu/W润湿性的影响，发现元素Cr可以显著降低Cu/W之间的接触角，当Cr含量达到4％时，接触角由最大的44.3°降低到14.6°。外加电场也可以降低Cu/W之间的接触角，但降低程度不及元素Cr明显。

刘高峰等研究了Ni、Cr、Al、、Fe、Ti元素对CuW材料的热变形和退火处理的性能变化的影响。结果表明，热变形后经450℃退火处理，含活化元素Ni、Cr、Fe、Ti、Al的CuW复合材料的电导率有所提高，其中添加Cr、Ti的CuW材料变形后具有较高的电导率和硬度。未含活化元素的CuW材料热变形后的组织中W颗粒烧结颈部分发生断裂，形成更小的W颗粒并离散分布于Cu相中，而添加活化元素Ni、Cr、Fe、Ti后，Cu/W界面实现了冶金结合，提高了界面结合强度，减少了CuW材料组织中W颗粒烧结颈发生断裂的现象，使Cu、W两相分布更为匀。添加Al的CuW材料，烧结时Al液的存在阻碍了W烧结颈的形成，后期压缩变形过程中，W颗粒的烧结颈在压力下容易断裂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有电接触材料的缺陷，提供一种既材料中各相分布均匀，又保持优良物理性能的电接触材料。

为了达到上述目的，本发明提供了一种电接触材料，其特征在于，包括以重量份数计的化学成分为：Cu：30～80重量份、W：15～70重量份、Co：0.1～5重量份。

本发明还提供了一种电接触材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)：将各原料按比例放入机械合金化装置进行合金化，并加入保护剂；

2)：将合金化后的粉末放入成型模具进行压制成型，得到毛坯；

3)：将步骤2)得到的毛坯在氢气保护条件下烧结；

4)：将烧结后的毛坯放入热挤压机进行挤压，得到棒材；

5)：将步骤4)得到的棒材进行拉拔或轧制，得到丝材或板材；

6)：将步骤5)得到的丝材或板材冲压制备触点。

优选地，所述步骤1)中的保护剂为乙醇，加入量为200-2000mL。

优选地，所述步骤2)中压制成型的条件为：压强10-50MPa。

优选地，所述步骤3)中的烧结为：以0.5℃-2℃/min的升温速率慢速升温至700℃-900℃，保温0.5-2小时；然后加压至100-300MPa，保压0.5-5分钟；再快速升温至500℃-750℃，保温0.5-2小时。

采用本发明制成的复合材料既具有铜良好的导电和导热性能，同时也具有钨的高强度、高硬度、低膨胀系数等特性，产品能够在中高压开关电器的触头材料领域得到广泛应用。通过直流阻抗负载下触点材料的质量转移测试，按照本发明提供的方法制作的材料，电寿命能提高30％。

附图说明

图1为实施例1制备的电接触材料CuWCo的显微组织图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

1、配制混合粉末，各原料的重量比为：30重量份Cu，69.9重量份W，0.1重量份Co。各原料的纯度均大于99.95％，颗粒大小为1～20微米。

2、机械合金化，将混合粉末放入高能滚动球磨机中，并加入400ml乙醇保护，球磨6小时。

3、将上述混合物压制成型，压强为10MPa，得到毛坯。

4、将毛坯进行第一次烧结，分阶段以1℃/min的速率慢速升温，保温时间2小时，保温温度900℃，随炉降温后取出，升温及保温过程都进行氢气保护。

5、将得到的毛坯进行复压，压强为250MPa，保压时间3分钟。

6、将得到的毛坯进行第二次烧结，以2℃/min快速升温至900℃，保温2小时，随炉降温后取出，得到烧结坯。

7、将烧结坯进行热挤压，烧结坯加热时使用木炭覆盖减少表面氧化，升温至750℃保温2小时，然后挤压成带材。

8、将上述带材拉拔成所需尺寸。

9、将得到的材料冲压成电触头。

10、性能测试：根据GB/T 228-2002标准，采用AG-X100KN型材料实验机进行抗拉强度测试，抗拉强度为316.2MPa。采用7502型涡流导电仪进行相对电导测试，相对电导为65IACS。使用电寿命试验机进行电寿命次数测试，电寿命次数为31000次。

图1为上述制备的CuWCo材料的显微组织图，由图可见，W相分布均匀，无明显偏析。

实施例2

1、配制混合粉末，各原料的重量比为：40重量份Cu，59重量份W，1重量份Co。各原料的纯度均大于99.95％，颗粒大小为1～20微米。

2、机械合金化，将混合粉末放入高能滚动球磨机中，并加入500ml乙醇保护，球磨6小时。

3、将上述混合物压制成型，压强为30MPa，得到毛坯。

5、将得到的毛坯进行复压，压强为280MPa，保压时间3分钟。

6、将得到的毛坯进行第二次烧结，快速升温至900℃，保温2小时，随炉降温后取出，得到烧结坯。

7、将烧结坯进行热挤压，烧结坯加热时使用木炭覆盖减少表面氧化，升温至750℃保温2小时，然后挤压成棒材。

8、将上述棒材拉拔成所需尺寸。

9、将得到的材料冲压成电触头。

10、性能测试：根据GB/T 228-2002标准，采用AG-X100KN型材料实验机进行抗拉强度测试，抗拉强度为330.5MPa。采用7502型涡流导电仪进行相对电导测试，相对电导为62.2IACS。使用电寿命试验机进行电寿命次数测试，电寿命次数为38000次。

实施例3

1、配制混合粉末，各原料的重量比为：50重量份Cu，46重量份W，4重量份Co。各原料的纯度均大于99.95％，颗粒大小为1～20微米。

3、将上述混合物压制成型，压强为50MPa，得到毛坯。

5、将得到的毛坯进行复压，压强为300MPa，保压时间3分钟。

8、将上述带材轧制成所需尺寸。

9、将得到的材料冲压成电触头。

10、性能测试：根据GB/T 228-2002标准，采用AG-X100KN型材料实验机进行抗拉强度测试，抗拉强度为346.1MPa。采用7502型涡流导电仪进行相对电导测试，相对电导为58.4IACS。使用电寿命试验机进行电寿命次数测试，电寿命次数为42000次。

实施例4

1、配制混合粉末，各原料的重量比为：60重量份Cu，38重量份W，2重量份Co。各原料的纯度均大于99.95％，颗粒大小为1～20微米。

3、将上述混合物压制成型，压强为10MPa，得到毛坯。

5、将得到的毛坯进行复压，压强为300MPa，保压时间3分钟。

8、将上述棒材轧制成所需尺寸。

9、将得到的材料冲压成电触头。

10、性能测试：根据GB/T 228-2002标准，采用AG-X100KN型材料实验机进行抗拉强度测试，抗拉强度为358.4MPa。采用7502型涡流导电仪进行相对电导测试，相对电导为55.5IACS。使用电寿命试验机进行电寿命次数测试，电寿命次数为47000次。

实施例5

1、配制混合粉末，各原料的重量比为：70重量份Cu，27重量份W，3重量份Co。各原料的纯度均大于99.95％，颗粒大小为1～20微米。

3、将上述混合物压制成型，压强为20MPa，得到毛坯。

5、将得到的毛坯进行复压，压强为270MPa，保压时间3分钟。

8、将上述带材轧制成所需尺寸。

9、将得到的材料冲压成电触头。

10、性能测试：根据GB/T 228-2002标准，采用AG-X100KN型材料实验机进行抗拉强度测试，抗拉强度为370MPa。采用7502型涡流导电仪进行相对电导测试，相对电导为50.5IACS。使用电寿命试验机进行电寿命次数测试，电寿命次数为52000次。

实施例6

1、配制混合粉末，各原料的重量比为：80重量份Cu，15重量份W，5重量份Co。各原料的纯度均大于99.95％，颗粒大小为1～20微米。

3、将上述混合物压制成型，压强为50MPa，得到毛坯。

5、将得到的毛坯进行复压，压强为250MPa，保压时间3分钟。

8、将上述棒材拉拔成所需尺寸。

9、将得到的材料冲压成电触头。

10、性能测试：根据GB/T 228-2002标准，采用AG-X100KN型材料实验机进行抗拉强度测试，抗拉强度为379.4MPa。采用7502型涡流导电仪进行相对电导测试，相对电导为48IACS。使用电寿命试验机进行电寿命次数测试，电寿命次数为55000次。

Claims

1.一种电接触材料，其特征在于，包括以重量份数计的化学成分为：Cu：30～80重量份、W：15～70重量份、Co：0.1～5重量份。

2.权利要求1所述的电接触材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3)：将步骤2)得到的毛坯在氢气保护条件下烧结；

4)：将烧结后的毛坯放入热挤压机进行挤压，得到棒材；

5)：将步骤4)得到的棒材进行拉拔或轧制，得到丝材或板材；

6)：将步骤5)得到的丝材或板材冲压制备触点。

3.如权利要求2所述的电接触材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的保护剂为乙醇，加入量为200-2000mL。

4.如权利要求2所述的电接触材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中压制成型的条件为：压强10-50MPa。

5.如权利要求2所述的电接触材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的烧结为：以0.5℃-2℃/min速率慢速升温至700℃-900℃，保温0.5-2小时；然后加压至100-300MPa，保压0.5-5分钟；再快速升温至750-900℃，保温0.5-2小时。