CN104966627B - 一种稀土改性b4c增强铜基电触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜基电接触复合材料，具体为一种稀土改性B4C增强铜基电触头材料及其制备方法。该电触头材料由1～10％的稀土盐改性B4C颗粒，1～10％的金属铋颗粒，其余为铜粉组成。本发明材料通过混合、粉末压制、真空烧结的制备方法制成。本发明以铜为基体，将稀土或稀土化合物引入B4Cp/Cu复合材料中，提高B4C‑Cu界面润湿性和界面结合强度，继而提高复合材料的硬度、导电和导热性能等。
Description
技术领域
本发明属于电触头材料技术领域，具体涉及一种稀土改性B4C增强铜基电触头材料及其制备方法。
背景技术
电触头是高、低压电器中的关键元件，担负着接通和分断电流的任务，其性能的好坏直接影响开关和电器运行的可靠性及使用寿命。传统Ag基触头易硫化，易磨损，寿命波动较大。随着开关电器制造水平的不断提高，品种的不断增加，特别是由于节约银等贵金属、保护其枯竭的自然资源的需要，节银电触头材料的研究受到人们的高度重视。我国从上世纪80年代末开始，就兴起了低压电器用铜基电接触复合材料的研究热潮，试图制备出性能良好的铜基电接触材料，能够满足不同低压电器的性能要求。通过对贱金属替代纯Ag的实验研究，人们普遍认为，Cu是替代Ag的最佳材料。
但是Cu用作电触头材料的主要障碍在于表面容易氧化，且氧化物具有极低的电导率，急剧增大了接触电阻，使材料在使用中容易发热，直接影响电接触开关的工作可靠性。此外Cu材料的导电性与强度难以兼顾，即导电率高则强度很低，强度的提高是以损失电导率为代价。因此，Cu及一般的Cu合金难于满足电触头材料的综合要求。因此解决Cu的上述缺点是将其应用于电触头领域的前提。
B4C的硬度(HV)达到3500～4500，是自然界中仅次于金刚石和 氮化硼而排列第三的物质，且具有恒定的高温强度。用其作为增强体添加到Cu中形成B4Cp/Cu复合材料，预期将具有满足电触头材料的优异性能。但是B4C与Cu不润湿，给B4Cp/Cu的制备带来困难，通常需要较高的制备温度。即便如此复合材料组织均匀性也较差，性能远低于理论值。
以往的研究表明，稀土具有特殊的化学结构，在复合材料中引入少量稀土氧化物能改善陶瓷颗粒与铝合金的润湿性，使金属基复合材料具有优异的物理及力学性能。而在陶瓷材料烧结中引入稀土元素，是降低烧结温度、提高材料性能的一种常用方法。但是该方法在B4Cp/Cu复合材料的研究中还少有采用。而通过将稀土或稀土化合物引入B4Cp/Cu复合材料中，提高B4C-Cu界面润湿性和界面结合强度，继而提高复合材料性能的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬度高、导电率高、导热性能良好的铜基电接触材料，通过将稀土或稀土化合物引入B4Cp/Cu复合材料中，从而制备一种改性B4C增强的铜基复合材料。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种稀土改性B4C增强铜基电触头材料，包括：稀土盐改性B4C颗粒1～10wt％，金属铋颗粒1～10wt％，铜粉80～98wt％。
优选的，所述稀土改性B4C增强铜基电触头材料，包括：稀土盐改性B4C颗粒2wt％，金属铋颗粒2wt％，铜粉96wt％。
本发明所述的稀土盐改性B4C颗粒、金属铋颗粒和铜粉的粒径为 5～350μm。
所述的稀土盐为硝酸铈、硝酸镧、硝酸钇或硝酸钕中的一种或几种。
所述的稀土盐改性B4C颗粒通过以下方法制备：以无水乙醇为溶剂，按照稀土盐的浓度为0.1～2mol/L，配置稀土盐溶液，按照B4C粉体与稀土硝酸盐溶液的质量体积比为0.02～0.1g/ml的比例，称取B4C粉体，将稀土硝酸盐溶液保持在20～25℃的恒温，然后加入B4C粉体，搅拌1～3h，洗涤干燥，将干燥后的粉体放入温度为400～1000℃的马弗炉中烧结1～2h，得到稀土盐改性的B4C粉末。
优选的，稀土盐的乙醇溶液的浓度为1mol/L，B4C粉体与稀土硝酸盐溶液的质量体积比0.1g/ml，所述的烧结温度为500℃。
本发明还提供所述稀土改性B4C增强铜基电触头材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按重量百分比称取1～10％的5～350μm稀土盐改性B4C颗粒，1～10％的粒径为5～350μm的金属铋颗粒，80～98％的粒径为5-350μm的铜粉。
2)将称取的稀土盐改性B4C颗粒、铜粉和铋粉加入到球磨机中，其中球料质量比15:1，在氮气保护下，球磨机以200～250r/min的转速，球磨混合2～5h，得到混合粉末。
3)将得到的混合粉末放入磨具中，在压力为300～550Mpa的条件下保压2min，得到预制件。
4)将得到的预制件放入真空烧结炉中，在真空气氛或者氮气保 护下，以200～300℃/h的速率升温至700～1000℃并保温1～3h，然后随炉冷却至室温，得到改性B4C增强铜基电触头材料。
上述制备方法步骤(2)中得到混合粉的粒径5-20μm。
上述制备方法步骤(3)中所述的压力条件为500Mpa。
上述制备方法步骤(4)中以200～300℃/h的速率升温至900℃。
本发明的有益效果为：采用稀土盐改性B4C颗粒，提高B4C颗粒和Cu的结合强度，进而提高其补强效果，制备出制备新型的铜基电触头材料。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，本发明的铜基电触头材料具有致密度高、硬度大、导电和导热性能优良等特点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。
实施例1
本发明实施例材料的组分重量比配比为：2％铋、2％稀土盐改性B4C颗粒，其余为铜。
具体采用以下步骤制备：
(1)以无水乙醇为溶剂，按照稀土盐的浓度为1mol/L，配置稀 土盐溶液，按照B4C粉体的质量与稀土硝酸盐溶液的体积比为1g：10ml的比例，称取B4C粉体，将稀土硝酸盐溶液保持在25℃的恒温，然后加入B4C粉体，搅拌1h，洗涤干燥，将干燥后的粉体放入温度为500℃的马弗炉中烧结1h，得到稀土盐改性的B4C粉末。
(2)将稀土盐改性B4C颗粒、铜粉和铋粉按比例进行球磨混粉，球磨时间为2小时，球料比为15:1；
(3)将混合均匀的粉末放入磨具中，在压力为500MPa的条件下压制，保压时间为2分钟；
(4)将预制件在真空气氛或者氮气保护下进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为2小时。
经以上工艺过程，制成铜基电触头材料经检测，具备性能：①密度：7.95g/cm3；②电导率：38.308Ms/m；③硬度：179HB。
实施例2
本发明实施例材料的组分重量比配比为：2％铋、1％稀土盐改性B4C颗粒，其余为铜。
制备方法及工艺参数同实施例1。
制成铜基电触头材料经检测，基本性能：①密度：7.78g/cm3；②电导率：38.924Ms/m；③硬度：131HB。
实施例3
本发明实施例材料的组分重量比配比为：2％铋、3％稀土盐改性B4C颗粒，其余为铜。
制备方法及工艺参数同实施例1。
制成铜基电触头材料经检测，基本性能：①密度：7.11g/cm3；②电导率：28.984Ms/m；③硬度：142HB。
实施例4
本发明实施例材料的组分重量比配比为：1％铋、2％稀土盐改性B4C颗粒，其余为铜。
制备方法及工艺参数同实施例1。
制成铜基电触头材料经检测，基本性能：①密度：7.21g/cm3；②电导率：29.562Ms/m；③硬度：124HB。
实施例5
本发明实施例材料的组分重量比配比为：3％铋、2％稀土盐改性B4C颗粒，其余为铜。
制备方法及工艺参数同实施例1。
制成铜基电触头材料经检测，基本性能：①密度：7.19g/cm3；②电导率：28.19Ms/m；③硬度：116HB。
实施例6
本发明实施例材料的组分重量比配比为：2％铋、2％稀土盐改性B4C颗粒，其余为铜。
本组采用实施例1步骤(1)和步骤(2)同样的工艺步骤和参数。不同在于将混合均匀的粉末放入磨具中，在压力为350MPa的条件下压制，保压时间为2分钟；将预制件在真空气氛或者氮气保护下进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为2小时。
制成铜基电触头材料经检测，基本性能：①密度：7.12g/cm3； ②电导率：26.102Ms/m；③硬度：121HB。
实施例7
本发明实施例材料的组分重量比配比为：2％铋、2％稀土盐改性B4C颗粒，其余为铜。
本组采用实施例1步骤(1)和步骤(2)同样的工艺步骤和参数。不同在于将混合均匀的粉末放入磨具中，在压力为450MPa的条件下压制，保压时间为2分钟；将预制件在真空气氛或者氮气保护下进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为2小时。
制成铜基电触头材料经检测，基本性能：①密度：7.39g/cm3；②电导率：29.72Ms/m；③硬度：154HB。
Claims (4)
1.稀土改性B4C增强铜基电触头材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取1～10％的5～350μm稀土盐改性B4C颗粒，1～10％的粒径为5～350μm的金属铋颗粒，80～98％的粒径为5～350μm的铜粉；
(2)将称取的稀土盐改性B4C颗粒、铜粉和铋粉加入到球磨机中，其中球料质量比15:1，在氮气保护下，球磨机以200～250r/min的转速，球磨混合2～5h，得到混合粉末；
(3)将得到的混合粉末放入磨具中，在压力为300～550MPa的条件下保压2min，得到预制件；
(4)将得到的预制件放入真空烧结炉中，在真空气氛或者氮气保护下，以200～300℃/h的速率升温至700～1000℃并保温1～3h，然后随炉冷却至室温，得到改性B4C增强铜基电触头材料。
2.根据权利要求1所述的稀土改性B4C增强铜基电触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中得到混合粉的粒径5～20μm。
3.根据权利要求1所述的稀土改性B4C增强铜基电触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的压力条件为500MPa。
4.根据权利要求1所述的稀土改性B4C增强铜基电触头材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中以200～300℃/h的速率升温至900℃。
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