CN104103434B

CN104103434B - 一种低压电器用铜基电接触复合材料及其温压成形工艺

Info

Publication number: CN104103434B
Application number: CN201310129661.XA
Authority: CN
Inventors: 耿浩然; 牟振; 赵德刚; 冯沙沙; 左敏
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: CN104103434A

Abstract

本发明涉及一种铜基电接触复合材料，特别涉及采用温压成形工艺制备铜基电接触复合材料的方法。本发明的铜基电接触复合材料是由以下重量配比的材料组成：0.5-4%铋，0.5-4%碳化钨，0.05-0.8%富镧混合稀土，0.02-1%硬脂酸锌，其余为铜及其它不可避免的杂质。本发明材料通过混合、粉末温压、惰性气氛保护下预烧、真空或者氮气保护烧结的制备方法制成。本发明以铜为基体，主要原材料资源丰富，材料的导电导热性、抗熔焊性、抗电弧烧蚀及摩擦性能可与银基相媲美，能满足电触头等制件对材料的基本要求，并具有突出的抗电弧烧蚀性能、良好的抗氧化性、优良的自润滑性和耐磨性。

Description

一种低压电器用铜基电接触复合材料及其温压成形工艺

技术领域

本发明涉及一种铜基电接触复合材料，特别涉及采用温压成形工艺制备铜基电接触复合材料的方法。

背景技术

电接触材料可用做电器开关、仪器仪表等仪器的电触头、电接触器类材料,担负着接通与分断电流的任务,因此,其性能优劣直接影响着电器开关和仪器仪表的可靠运行和使用寿命。研究表明，电触头在开闭过程中产生的电弧烧损现象极其复杂，在电弧能量、接触压力和环境因素的综合作用下，触头表面发生加热、熔化、汽化、流动和凝固等物理冶金过程，导致触头表面产生软化、喷溅、流动和裂纹等现象。因此，要求触头材料除具有良好的物理性能外，还具有优良的力学性能及化学稳定性。目前，在高端中低压电器产品中，电接触元件仍然以银基复合材料为主。但银资源有限，价格昂贵且用以电接触材料难以回收利用，故研发代银电接触材料很有价值。铜的导电性与银接近导热性良好，储量大，价格远低于银，故金属铜成为最佳的替代银材料。但是金属铜存在自身缺陷，易氧化且氧化产物电阻很大，作为电接触材料，会使接触电阻骤然上升，尤其在电接触器分断和闭合过程中，电弧烧蚀严重，触头材料寿命大大缩短。

公开号为CN100345230中国专利，公开了一种铜基电接触复合材料及其制备方法，其组成为：锡1-5％，碳化硼1-4％，富镧或富铈混合稀土0.2-1％，其余为铜。上述材料虽然具有良好的导电性、抗熔焊性能、抗氧化性、耐磨性和导电性，但其抗电弧烧蚀性能还有待提高，影响了电接触的使用性能。

温压成形工艺是一种制备高密度、高强度、高精度和低成本粉末冶金制品的成形技术，其主要特点包括以下几个方面：（1）材料密度高，性能好；（2）生产成本较低；(3)成形压力小、脱模力小及弹性后效应小；(4)压坯密度分布均匀。在温压成形工艺中，润滑剂的使用具有重要的作用，因此，针对具体材料体系和压制工艺，选择合适的润滑剂是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价格低廉、导电率高、接触电阻低且稳定、抗熔焊性能佳、抗氧化性能及力学性能良好，特别是具有较好抗电弧烧蚀性的低压电器用铜基电接触复合材料。

本发明采用温压成形工艺制备铜基电接触材料，与通常采用的二次压制、二次烧结工艺相比，制件的抗熔焊性等性能达到进一步改善，材料制备工艺得到简化，产品成本更低。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明的低压电器用铜基电接触复合材料是由以下重量配比的材料组成：0.5-4%铋，0.5-4%碳化钨,0.05-0.8%富镧混合稀土，0.02-1%硬脂酸锌，其余为铜及其它不可避免的杂质。

本发明复合材料优选组成为：2%铋、2%碳化钨、0.08%富镧混合稀土，0.4%硬脂酸锌，其余为铜及其它不可避免的杂质。

本发明复合材料的制备方法采用以下步骤：

（1）将稀土材料和铜按照配比熔化，然后采用雾化法制成稀土—铜粉末颗粒；将200-400目铋粉、200-400目碳化钨、200-400目稀土—铜粉、硬脂酸锌混合，进行球磨混粉，球磨时间为0.5-6小时，球磨所用料球为6mm和8mm轴承钢球，球料比为15：1；球磨优选采用高能行星式球磨机；

（2）将混合均匀的粉末进行在一定的温度下成形，温度为120℃-150℃，压强为400-800MPa，保压时间为2-10分钟；

（3）将冷压成形件在氩气体保护下预烧，预烧温度300-550℃，预烧时间为0.5-2小时，然后在真空气氛下烧结，烧结温度为750-950℃，保温时间为0.5-5小时。

本发明采用了温压成形技术，与一次冷压成形相比，材料的密度得到很大提高，与复压复烧相比，降低了产品成本。通过对温压所用润滑剂的优选和工艺参数的调整，确定采用硬脂酸锌作为润滑剂及其最佳温压温度。选用铜作为基体，铜与银比较价格低廉，且资源较丰富，其导电导热性、抗熔焊性、电流蚀及摩擦特性均可与银媲美，能满足电接触材料基体的要求。考虑到触头材料力学、电接触性能等要求，采用低熔点金属铋替代有毒金属镉，作为息弧组元；加入稀土元素改善抗氧化性能和综合性能；加入碳化钨的主要依据是熔融铜对碳化钨具有较好的润湿性，触头材料在工作状态下，碳化钨的存在使局部熔池粘度增大，有效地阻止了材料的喷溅和转移，从而提高材料的抗电弧烧蚀性能。

该种铜基电接触复合材料主要应用于中低负载的电源开关，继电器、直流接触器、空气开关等低压电器中，本发明材料抗熔焊性能和耐氧化性好，导电性与银基电接触材料相近，抗电弧烧蚀性能优于原含碳化硼铜基及银基电接触材料，是中低压电器中使用的银合金电接触材料的廉价替代品。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例材料的组成重量配比为：2%铋、2%碳化钨、0.08%富镧混合稀土、0.4%硬脂酸锌，其余为铜。采用以下步骤制备：

（1）将富镧混合稀土材料和铜按照配比熔化，然后用雾化法制成稀土—铜粉末颗粒，将稀土—铜粉末（200-400目）与铋粉（200-400目）、碳化钨（200-400目）、硬脂酸锌按配比进行球磨混粉，球磨时间为1.5小时，球料比为15：1；

（2）将混合均匀的粉末温压成形，温压温度120℃，压强为500MPa，保压时间为2分钟；

（3）将温压成形件先在氩气体保护下预烧结，预烧结温度为400℃，时间为30分钟，然后进行真空烧结，烧结温度为800℃，保温时间为1小时；

经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。

本材料基本性能：①密度：8.32（g/cm³）；②电阻率：2.23（μΩ.cm）③硬度：44（HB）。

实施例2

本发明实施例材料的组成重量配比为：2%铋、0.5%碳化钨、0.08%富镧混合稀土、0.4%硬脂酸锌，其余为铜。

本组采用实施例1同样的工艺步骤和参数。

本材料基本性能：①密度：8.26（g/cm³）；②电阻率：2.10（μΩ.cm）③硬度：38（HB）。

实施例3

本发明实施例材料的组成配比为：2%铋（200-400目）、4%碳化钨（200-400目）、0.08%富镧混合稀土、0.4%硬脂酸锌，其余为铜。采用以下步骤制备：

本组采用与实施例1步骤（1）和步骤（2）相同工艺步骤和参数，然后将试样放入高温电阻炉中，首先在氩气保护气氛下预烧30分钟，然后在真空下进行烧结，烧结温度为850℃，保温时间为1.5小时。

本材料基本性能：①密度：8.26（g/cm³）；②电阻率：3.75（μΩ.cm）③硬度：50（HB）。

实施例4

本发明实施例材料的组成配比为：2%铋（200-400目）、0.08%富镧混合稀土、0.4%硬脂酸锌，其余为铜。采用以下步骤制备：

（1）将富镧混合稀土材料和铜按照配比熔化，然后用雾化法制成稀土—铜粉末颗粒，将稀土—铜粉末（200-400目）与铋粉、硬脂酸锌按配比进行球磨混粉，球磨时间为1小时，球料比为15：1；

（2）混合均匀后利用温压成形机，温压温度120℃压制成形，其中压制压力为450MPa，保压时间为2分钟；

（3）将试样放入高温电阻炉中，首先在氩气保护气氛下预烧30分钟，然后在真空下进行烧结，烧结温度为840℃，保温时间为1小时。

本材料基本性能：①密度：8.22（g/cm³）；②电阻率：2.25（μΩ.cm）③硬度：45（HB）。

实施例5

本发明实施例材料的组成配比为：2%铋（200-400目）、0.5%碳化钨（200-400目）、0.08%富镧混合稀土、0.05%硬脂酸锌，其余为铜。

采用以下步骤制备：

步骤（1）采用实施例1中步骤（1）相同的工艺参数；

（2）将混合均匀的粉末温压成形，温压温度130℃，压强为400MPa，保压时间为1分钟；

（3）将温压成形件先在氩气体保护下预烧结，预烧结温度为450℃，时间为30分钟，然后进行真空烧结，烧结温度为800℃，保温时间为2小时；

经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。

本材料基本性能：①密度：8.12（g/cm³）；②电阻率：2.89（μΩ.cm）③硬度：37（HB）。

实施例6

本发明实施例材料的组成配比为：2%铋（200-400目）、0.5%碳化钨（200-400目）、0.08%富镧混合稀土、1%硬脂酸锌，其余为铜。

采用与实施例1相同的工艺步骤和参数。

经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。

本材料基本性能：①密度：8.21（g/cm³）；②电阻率：2.77（μΩ.cm）③硬度：39（HB）。

对比测试例：

本发明实施例1-4的复合材料与一次冷压成形制品的密度进行对比，结果如表1所示。将本发明实施例1-4的复合材料与银基电接触材料进行电接触抗电弧烧蚀测试，测试条件为：阻性交流电流40A，电压54V，起弧频率52次/分钟，试验次数20000次。实验结果如表1所示。由表1对比可以看出，（1）与普通冷压相比，温压成形工艺所制备的电接触材料密度提高了0.3-0.4g/cm³；（2）添加碳化钨及其他组元所制备的铜基电接触材料，在抗电弧烧蚀性能方面（烧损质量、试验后接触电阻）优于未添加碳化钨和所对比的银基电接触材料。

表1.各试样的密度、电弧烧蚀后质量损失及接触电阻

试样种类	温压1	温压2	温压3	温压4	冷压	银基
							密度（g/cm³）	8.32	8.26	8.26	8.22	7.92	—
质量损失(g)	0.019	0.025	0.022	0.057	—	0.026
							接触电阻(Ω)	2.1×10^-3	3.4×10^-3	2.9×10^-3	3.2×10^-3	—	2.3×10^-3

Claims

1.一种铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：具体步骤为，（1）首先，称取以下重量百分比的材料，0.5-4%铋，0.5-4%碳化钨,0.05-0.8%富镧混合稀土，0.02-1%硬脂酸锌，其余为铜；（2）将稀土材料和铜按照配比熔化，然后采用雾化法制成稀土—铜粉末颗粒；将200-400目铋粉、200-400目碳化钨、200-400目稀土—铜粉和硬脂酸锌混合，进行球磨混粉，混粉时间为0.5-6小时，球磨采用高能行星式球磨机；（3）将混合均匀的粉末进行在一定的温度下成形，温度为120℃-150℃，压强为400-800MPa，保压时间为2-10分钟；（4）将温压成形件在氩气体保护下预烧，预烧温度300-550℃，预烧时间为0.5-2小时，然后在真空气氛下烧结，烧结温度为750-950℃，保温时间为0.5-5小时。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述材料的重量百分比为，0.8-3.5%铋，0.7-3.5%碳化钨,0.1-0.7%富镧混合稀土，0.04-1%硬脂酸锌，其余为铜。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：球磨所用料球为6mm和8mm的钢球，球料比为15:1。