CN103386484B - 铜-钛硅碳复合触头材料及其热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，节省战略资源钨，材料的致密度接近100%，组织均匀，基体与增强相之间结合紧密，缺陷极少；具有极佳的物理性能、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方法及用途。

Description

铜-钛硅碳复合触头材料及其热压烧结制备方法和用途
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）复合触头材料及其热压烧结制备方法和用途。
背景技术
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。
钛硅碳（Ti3SiC2）是一种新型三元层状碳化物陶瓷材料，由于它具有陶瓷与金属的双重特性而在许多领域都显示出良好的应用前景。Ti3SiC2具有较高的电导率、热导率、可机械加工、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。
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。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热压烧结制备方法。
本发明要解决的第三个技术问题是提供所述铜-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：
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；所述铜粉纯度大于99.5%，粒度为100-400目。
优选所述铜-钛硅碳复合触头材料的热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，进行热压烧结，得到铜-钛硅碳复合触头材料。
优选地，步骤2)所述烧结条件为在真空、氩气或氮气保护下以10-40℃/min的升温速率升至900-1100℃，在10-30MPa压强下，热压烧结0.5-3小时。
优选地，步骤2)所述模具为石墨模具。
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)利用热压烧结工艺制备的铜-钛硅碳复合触头材料，可使材料的致密度接近100%，复合材料组织均匀，基体与增强相之间结合紧密，缺陷极少，见图1和图2所示；复合触头材料的物理性能、力学性能和电接触性能高。
附图说明
图1是实施例4热压烧结工艺制备的铜-钛硅碳复合触头材料的表面微观形貌图；
图2是实施例4热压烧结工艺制备的铜-钛硅碳复合触头材料的断口微观形貌图。
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94%，粉末粒度为15μm。
2.铜粉：本实施例中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7:3的体积比配料，称取钛硅碳粉54.23g，铜粉45.77g，在无水乙醇介质中滚筒球磨24h，烘干后称取混合粉料30g放入石墨模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氩气保护的热压炉中，以30℃/min的速率升温至1020℃，在30MPa的压强下保温150min。
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516MPa，电阻率0.285μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为3.12A。
实施例2
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20μm。
2.铜粉：本实施例中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放入石墨模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氩气保护的热压炉中，以30℃/min的速率升温至1050℃，在30MPa的压强下保温150min。
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1195MPa，电阻率0.242μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为2.24A。
实施例3
1.钛硅碳粉：本实施例中所用钛硅碳粉纯度为93%，粉末粒度为10μm。
2.铜粉：本实施例所用为市售纯度大于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放入石墨模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氩气保护的热压炉中，以20℃/min的速率升温至1020℃，在25MPa的压强下保温120min。
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1260MPa，电阻率0.228μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为1.95A。
实施例4
1.钛硅碳粉：本实施例中所用钛硅碳粉纯度为96%，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放入石墨模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氮气保护的热压炉中，以30℃/min的速率升温至1000℃，在20MPa的压强下保温90min。
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1357MPa，电阻率0.162μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为1.68A。
实施例5
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2μm。
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24h，烘干后称取混合粉料30g放入石墨模具中，在8MPa压强下预压成型，将模具放入流动氩气保护的热压炉中，以35℃/min的速率升温至950℃，在30MPa的压强下保温120min。
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1072MPa，电阻率0.143μΩ*m，以该材料所制真空接触器的平均截流值为1.84A。
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。
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(30/70) 3.12
实施例2 Cu-Ti3SiC2(40/60) 2.24
实施例3 Cu-Ti3SiC2(50/50) 1.95
实施例4 Cu-Ti3SiC2(60/40) 1.68
实施例5 Cu-Ti3SiC2(70/30) 1.84
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，说明了本发明利用热压法制备的铜-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、图2可以看出，铜-钛硅碳复合触头材料由明显的两相组成，其中颜色较浅的相为Cu基体，而颜色较深的相为Ti3SiC2，材料中气孔等缺陷极少。通过图1可以看出，Ti3SiC2颗粒均匀分布在铜基体中；通过图2可以看出，钛硅碳颗粒与铜基体结合良好，钛硅碳主要以穿晶方式断裂。

Claims (2)

1.一种铜-钛硅碳复合触头材料在制备真空电触头领域的应用，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；
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；
所述铜-钛硅碳复合触头材料的制备步骤如下：
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，进行热压烧结，得到铜-钛硅碳复合触头材料；
步骤2)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900-1100℃，在10-30MPa压强下，热压烧结0.5-3小时。
2.根据权利要求1所述的一种铜-钛硅碳复合触头材料在制备真空电触头领域的应用，其特征在于：步骤2)所述模具为石墨模具。
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