CN103352159A - 铜-钛硅碳复合触头材料及其无压烧结制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜-钛硅碳复合触头材料，所述复合触头材料由包括如下体积百分数的组分制备而成：20-70%钛硅碳粉,余量为铜粉。本发明提供的复合触头材料导电性和导热性好，重量轻，成本低，节省战略资源W，材料组织均匀，基体与增强相之间结合紧密；具有很高的物理性能、力学性能和电接触性能。本发明还公开了制备上述铜-钛硅碳复合触头材料的无压烧结制备方法及其用途。
Description
技术领域
本发明涉及铜基电触头材料领域，特别涉及一种铜-钛硅碳（Cu-Ti3SiC2）复合触头材料及其无压烧结制备方法和用途。
背景技术
钛硅碳（Ti3SiC2）是一种新型三元层状碳化物陶瓷材料，其晶体结构属六方晶系。高纯度的Ti3SiC2材料由美国Barsoum教授（J Am Ceram Soc，1996，79(7):1953）在1996年首次合成。由于Ti3SiC2晶体中存在Ti-C键和Ti-Si键，并且Ti-Si键在平行于Si层的区域内形成不定域电子，类似金属中的自由电子，因而Ti3SiC2具有良好的导电、导热性；而其类似石墨的层状结构又使材料具有一定的塑性和可加工性。因此Ti3SiC2具有陶瓷与金属的双重特性，且密度低、熔点高、高温稳定性和耐磨性好，这些优良性能是触头材料中高熔点组元的理想选择。
电触头是真空开关的核心部件，担负着接通、承载和分断电流的任务，其性能直接影响着传导系统工作的可靠性、稳定性和精确性。电触头的性能主要取决于制作该触头的触头材料。目前，用来制作真空接触器触头的材料主要有银基触头材料和铜基触头材料两大类。银基触头材料性能较好，但因使用了贵金属银而使成本大大提高，国外主要用于较重要的真空接触器中，国内很少使用。
目前，国内使用的真空接触器触头材料主要为Cu-W、Cu-WC、Cu-WC-W等铜基触头材料，这些材料虽可在一定程度上满足使用需要，但都有各自的缺点，有进一步改进的必要。Cu-W触头材料的截流值较高、抗熔焊能力较差；Cu-WC触头材料中由于WC的存在，在开断小电流时能延长电弧熄灭的时间，抗熔焊性能也好，但其分断能力和电寿命较Cu-W触头材料差；Cu-WC-W触头材料的性能介于前两者之间。在这种背景条件下，迫切需要研发一种综合性能更好的新型真空触头材料。
与现有真空接触器触头材料中大量使用的高熔点组元WC相比，Ti3SiC2的电阻率更低，有利于提高复合材料的导电率，降低截流值；Ti3SiC2的弹性模量和热胀系数比WC更接近于金属，在与铜复合时两组元具有更好的相容性；Ti3SiC2的熔点、热导率和比热都高于WC，与铜复合得到的触头材料具有更高的导热率、更低的电弧烧损率；Ti3SiC2具有很好的抗氧化性和自润滑性，对于改善触头材料的表面膜电阻特性和抗熔焊性能十分有利；此外Ti3SiC2的密度远低于WC，使复合材料的重量显著降低，有利于真空开关的轻量化，同时原材料成本也更低，并节省了宝贵的战略资源钨。由此可见，铜-钛硅碳复合触头材料可在多方面改善现有触头材料的性能。
到目前为止，关于Ti3SiC2材料的制备与性能，国内外已经开展了较多研究，但是在其与金属的复合材料制备及工业应用方面所做的工作仍然有限，仅能查阅到数篇关于Ti3SiC2/Cu复合材料的论文和两份相关专利。周延春等人（Materials Science and Technology,2004,20(5):661-665.）对Ti3SiC2/Cu复合材料的基本性能进行了研究，结果表明Ti3SiC2对于Cu是一种有效的增强相，对铜基体的电学性能和热学性能影响较小，有利于制备高强度和高电导率的材料。发明专利“一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺”（申请号200810136996.3）和“一种Ti3SiC2多层复合结构电触头材料及其制备工艺”（申请号200810136997.8）公开了两种含有Ti3SiC2的触头材料及其制备工艺，但两专利所涉及材料均为层状结构，均以纯Ti3SiC2为表层，以铜基合金或银基合金为基体层，应用对象都是低压电器的触头。而本发明所述的材料是由Ti3SiC2与Cu两相所组成的均匀复合材料，应用对象主要为真空接触器触头，与上述两专利有着本质的不同。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种铜-钛硅碳复合触头材料，该材料具有良好的导电性和导热性，重量轻，物理性能、力学性能和电接触性能高。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种铜-钛硅碳复合触头材料的无压烧结制备方法。
本发明要解决的第三个技术问题是提供铜-钛硅碳复合触头材料在电触头领域的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种铜-钛硅碳复合触头材料，所述铜-钛硅碳复合触头材料由包括如下体积百分数的组分制备而成：20-70%钛硅碳粉,余量为铜粉。
优选地，钛硅碳粉为纯度大于90%的粉末，粉末粒度为0.5-20μm；铜粉的纯度大于99.5%，粒度为100-400目。
优选所述铜-钛硅碳复合触头材料的无压烧结制备包括如下步骤：1)将钛硅碳粉和铜粉混合；2)将步骤1)的混合粉末球磨6～48小时，放入模具中，冷压成型；3)将步骤2)冷压成型的坯体进行冷等静压成型；4)将步骤3)冷等静压成型的坯体进行无压烧结，制得铜-钛硅碳复合触头材料。
优选地，步骤2)所述模具为钢模，所述冷压条件为压强50-200MPa。
优选地，步骤3）所述冷等静压为将坯体放入橡胶包套中，在100-300MPa压强下冷等静压成型。
优选地，步骤4）所述烧结的条件为在真空、氩气或氮气保护下以10-40℃/min的升温速率升至1100-1400℃，保温0.5-3小时后降温。
本发明还提供了铜-钛硅碳复合触头材料在制备电触头领域的应用。
本发明的有益效果是：
1)与现有触头材料相比，本发明的复合触头材料导电性和导热性好、重量轻、可节省战略资源钨。
2)本发明所制备的铜-钛硅碳复合触头材料组织均匀，基体与增强相之间结合紧密，如图1所示，复合触头材料的物理性能、力学性能和电接触性能高。
3)无压烧结制备工艺简单，适于批量生产，成本低，易于推广。
附图说明
图1是实施例3无压烧结铜-钛硅碳复合触头材料表面微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步加以说明。
本发明中所用钛硅碳粉为纯度大于90%的高纯钛硅碳粉，粉末粒度为0.5-20μm。
实施例1
1.钛硅碳粉：本实施例中所用钛硅碳粉纯度为98%，粉末粒度为5μm。
2.铜粉：本实施例所用铜粉为市售纯度大于99.5%的高纯铜粉，粉末粒度为200目。
3.将钛硅碳粉与铜粉按照6:4的体积比配料，称取钛硅碳粉43.24g，铜粉58.76g，在无水乙醇介质中滚筒球磨24h，烘干后称取混合粉料30g放入钢模中，在150MPa压强下冷压成型，将冷压成型后的坯体放入橡胶包套中，在250MPa压强下冷等静压成型，再将冷等静压成型后的坯体放入真空/气氛保护烧结炉中，在真空条件下进行无压烧结，以20℃/min的升温速率升至1340℃，保温2小时。
本实施例所制备铜-钛硅碳复合触头材料的性能为：弯曲强度829MPa，电阻率0.382μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为3.36A。
实施例2
1.钛硅碳粉：本实施例中所用钛硅碳粉纯度为95%，粉末粒度为10μm。
2.铜粉：本实施例所用铜粉为市售纯度大于99.5%的高纯铜粉，粉末粒度为100目。
3.将钛硅碳粉与铜粉按照5:5的体积比配料，称取钛硅碳粉33.68g，铜粉66.32g，在无水乙醇介质中滚筒球磨36h，烘干后称取混合粉料30g放入钢模中，在120MPa压强下冷压成型，将冷压成型后的坯体放入橡胶包套中，在200MPa压强下冷等静压成型，再将冷等静压成型后的坯体放入真空/气氛保护烧结炉中，在氮气保护下进行无压烧结，以30℃/min的升温速率升至1300℃，保温1.5小时。
本实施例所制备铜-钛硅碳复合触头材料的性能为：弯曲强度937MPa，电阻率0.327μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为2.81A。
实施例3
1.钛硅碳粉：本实施例中所用钛硅碳粉纯度为91%，粉末粒度为20μm。
2.铜粉：本实施例所用铜粉为市售纯度大于99.5%的高纯铜粉，粉末粒度为400目。
3.将钛硅碳粉与铜粉按照4:6的体积比配料，称取钛硅碳粉25.29g，铜粉74.71g，在无水乙醇介质中滚筒球磨12h，烘干后称取混合粉料30g放入钢模中，在100MPa压强下冷压成型，将冷压成型后的坯体放入橡胶包套中，在180MPa压强下冷等静压成型，再将冷等静压成型后的坯体放入真空/气氛保护烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，以25℃/min的升温速率升至1250℃，保温1小时。
本实施例所制备铜-钛硅碳复合触头材料的性能为：弯曲强度779MPa，电阻率0.286μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为2.48A。
实施例4
1.钛硅碳粉：本实施例中所用钛硅碳粉纯度为97%，粉末粒度为15μm。
2.铜粉：本实施例所用铜粉为市售纯度大于99.5%的高纯铜粉，粉末粒度为300目。
3.将钛硅碳粉与铜粉按照3:7的体积比配料，称取钛硅碳粉17.88g，铜粉82.12g，在无水乙醇介质中滚筒球磨12h，烘干后称取混合粉料30g放入钢模中，在100MPa压强下冷压成型，将冷压成型后的坯体放入橡胶包套中，在180MPa压强下冷等静压成型，再将冷等静压成型后的坯体放入真空/气氛保护烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，以25℃/min的升温速率升至1250℃，保温1小时。
本实施例所制备铜-钛硅碳复合触头材料的性能为：弯曲强度579MPa，电阻率0.203μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为2.93A。
本发明所用钛硅碳粉的主要杂质为碳化钛，从理论上来说，碳化钛的存在对电触头的性能会有一定的影响，但由于其含量较少，从实际试验结果来看，对电触头性能的影响不大。另外，在复合材料制备过程中，部分钛硅碳会分解产生碳化钛，但这种碳化钛与原料中的杂质碳化钛有所不同，它们与铜基体润湿性好，结合紧密，故对电触头性能的影响也不大。
将本发明的电触头材料制成真空接触器，与现有几种电触头材料的真空接触器进行电接触性能比较，结果如表一所示。
表一不同电触头材料真空接触器的平均截流值对比表
| 电触头材料 | 平均截流值/A | |
| 实施例1 | Cu-Ti3SiC2(40/60) | 3.36 |
| 实施例2 | Cu-Ti3SiC2(50/50) | 2.81 |
| 实施例3 | Cu-Ti3SiC2(60/40) | 2.48 |
| 实施例4 | Cu-Ti3SiC2(70/30) | 2.93 |
| 对比例1 | Cu-W(20/80) | 5.0 |
| 对比例2 | W-Cu30WC | 4 |
| 对比例3 | Cu-Cr | 4.5 |
通过表一，说明了本发明利用无压法制备的铜-钛硅碳复合触头材料均比目前所用的触头材料的平均截流值低。对于真空接触器来说，较低的截流值可避免电路开断过程中产生大的瞬时电压而损坏电器，因而是触头材料的一个关键的技术指标，表一说明本发明中的铜-钛硅碳复合触头材料比目前所用触头材料的电接触性能更好。
通过图1可以看出，本发明制备的铜-钛硅碳复合触头材料由基体和颗粒增强相组成，其中颜色较浅的连续相为Cu基体，而颜色较深的颗粒为Ti3SiC2及反应形成的TiC。颗粒增强相均匀分布在铜基体中，且与铜基体结合良好。铜-钛硅碳复合触头材料中气孔等缺陷很少。
Claims (7)
1.一种铜-钛硅碳复合触头材料，其特征在于：所述复合触头材料由包括如下体积百分数的组分制备而成：20-70%钛硅碳粉,余量为铜粉。
2.根据权利要求1所述的铜-钛硅碳复合触头材料，其特征在于：所述钛硅碳粉为纯度大于90%的粉末，粉末粒度为0.5-20μm；所述铜粉的纯度大于99.5%，粒度为100-400目。
3.根据权利要求1或2所述铜-钛硅碳复合触头材料，其特征在于制备步骤如下：
1)将钛硅碳粉和铜粉混合；
2)将步骤1)的混合粉末球磨6-48小时，放入模具中，冷压成型；
3)将步骤2)冷压成型的坯体进行冷等静压成型；
4)将步骤3)冷等静压成型的坯体进行无压烧结，制得铜-钛硅碳复合触头材料。
4.根据权利要求3所述的铜-钛硅碳复合触头材料，其特征在于：步骤2）所述模具为钢模，所述冷压条件为压强50-200MPa。
5.根据权利要求3或4所述的铜-钛硅碳复合触头材料，其特征在于：步骤3）所述冷等静压为将坯体放入橡胶包套中，在100-300MPa压强下冷等静压成型。
6.根据权利要求5所述的铜-钛硅碳复合触头材料，其特征在于：步骤4）所述的烧结条件为在真空、氩气或氮气保护下以10-40℃/min的升温速率升至1100-1400℃，保温0.5-3小时后降温。
7.如权利要求1至6任一项所述的铜-钛硅碳复合触头材料在制备电触头领域的应用。
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