CN105177346A - 一种钨铜电接触材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钨铜电接触材料及其制备方法。本发明提供的钨铜电接触材料，由以下质量百分比的组分组成，钨35.0～90.0％，碳化钛1.0～5.0％，镍0.05～1.0％，氯化铈或氯化镧0.05～1.0％，余量为铜。所述钨铜电接触材料中，TiC可以对W-Cu基体起到弥散增强的作用，Ni作为润湿活化剂，可以提高Cu-W的润湿能力，CeCl3或LaCl3则在Ni的作用下，起到连接Cu-W两相的作用，从而增强Cu-W两相界面，提高Cu-W的粘附强度；各组分协同作用，使材料具有高强度、高导电性的特点。本发明同时提供一种上述钨铜电接触材料的液相烧结方法，从而可以降低材料的气孔率，提高致密性。

Description

一种钨铜电接触材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种钨铜电接触材料及其制备方法。
背景技术
电接触材料在仪器仪表、电器开关中具有重要的作用。高压输变电向大容量超高压发展，低压配电系统与控制系统对自动化水平、灵敏程度要求的提高以及电子工业产品的更新换代，都对电接触材料提出了新的要求。理想的电接触材料必须具备良好的物理性能、力学性能、电接触性能、化学性能和加工性能。
早期的电接触材料多采用纯钨、纯钼、纯铜及贵金属银，这些材料的导电性、强度及高温性能往往难以兼顾，不能全面满足航空、航天、微电子、电力、交通运输等领域的高速发展对电接触材料的要求。钨铜电接触材料是由高熔点、高硬度的金属钨和高塑性、高导性的金属铜所组成的两相复合材料，其综合了钨和铜各自的特性，具有高的高温强度、高的导电导热性、好的抗电蚀性、较高的硬度、低的热膨胀系数等优点。
专利CN103943383A公开了耐烧蚀的电磁继电器触点及制造方法，其由80～95％的铜和余量的钨组成，将钨粉和铜粉混合熔炼而成。但已有研究表明，CuW合金组织中W颗粒在烧结过程中会发生聚集长大现象，形成孤立孔隙，且出现较大的富铜区；在开断电流时，电击穿主要发生在富铜区域和Cu/W相界面上，电弧的能量得不到有效的分散，造成触头的表面产生软化、喷溅、流动、裂纹等现象。
专利CN101515513B公开了一种制备TiC/CuW合金触头材料的制备方法，其按照质量比1:0.5％～1.5％的比例分别称取钨粉和TiC粉末，另按钨粉、TiC粉总质量的5％～8％称取诱导铜粉，钨粉、TiC粉、诱导铜粉经混料、模压制成钨压坯；将熔渗金属铜块与钨压坯叠置，依次通过对钨压坯骨架的烧结、对钨压坯骨架的熔渗，制备了添加TiC相的CuW材料，该材料对电弧具有一定的分散作用，有助于提高CuW触头材料的耐电弧烧蚀性。但该材料由于Cu、W两相界面薄弱，粘附强度不高，且存在局部气孔，导致材料的导电率和硬度难以得到进一步的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种钨铜电接触材料，从而解决现有钨铜电接触材料中Cu、W两相界面薄弱，粘附强度不高的技术问题，赋予材料更高的导电率和硬度。
本发明的第二个目的是提供上述钨铜电接触材料的制备方法，解决现有钨铜电接触材料制备过程中气孔较多，致密度较低的技术问题。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种钨铜电接触材料，由以下重量百分比的组分组成：钨(W)35.0～90.0％，碳化钛(TiC)1.0～5.0％，镍(Ni)0.05～1.0％，氯化铈(CeCl3)或氯化镧(LaCl3)0.05～1.0％，余量为铜。
本发明提供的钨铜电接触材料中，TiC可以对W-Cu基体起到弥散增强的作用，Ni作为润湿活化剂，可以提高Cu-W的润湿能力，CeCl3或LaCl3则在Ni的作用下，起到连接Cu-W两相的作用，从而增强Cu-W两相界面，提高Cu-W的粘附强度；通过Cu-W组成比例的改变，以及TiC、Ni、CeCl3或LaCl3，三种组分的协同作用，可以依据不用的应用环境调整钨铜电接触材料的导电率和硬度，扩大材料的应用范围。
在要求较高硬度或较高导电率的场合，上述的钨铜电接触材料，作为优选方案，由以下重量百分比的组分组成：钨35.0～55.0％，碳化钛1.0～5.0％，镍0.75～1.0％，氯化铈或氯化镧0.75～1.0％，余量为铜。
上述的钨铜电接触材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的钨粉，碳化钛粉，镍粉，氯化铈粉或氯化镧粉，铜粉，混合均匀，得到混合料；
2)将步骤1)所得混合料压制成型，得到毛坯；
3)将步骤2)所得毛坯在保护气氛下进行烧结，即得。
本发明提供的钨铜电接触材料的制备方法采用粉末冶金液相烧结法，W粉末在液相烧结中形成W骨架；TiC粉末弥散到W-Cu基体中提高材料的抗熔焊性；Ni粉起到提高润湿性和流体流动性的作用，CeCl3或LaCl3可起到烧结熔剂的作用，在提高两相粘附强度的同时，可降低Cu-Ni合金熔体的粘度，从而起到降低烧结温度的作用。
本发明提供的钨铜电接触材料的制备方法可避免传统固相烧结带来的致密度偏低的问题；避免采用熔渗法容易出现的W聚集或Cu聚集而造成金相组织不合格的问题；采用该制备方法得到的钨铜电接触材料致密度≥98.0％，导电率为26～65％IACS，硬度为102～265HBS。
步骤1)的原料粉末满足粉末冶金的需要即可，为提高液相烧结的效率和获得更高致密度的钨铜电接触材料，作为优选方案，钨粉的粒径为2.0～38.0μm，纯度≥99.9wt％。碳化钛粉的粒径为2.0～38.0μm，纯度≥99.9wt％。镍粉的粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％。氯化铈粉或氯化镧粉的粒径为2.0～5.0μm，纯度≥99.9wt％。铜粉的粒径为0.5～25.0μm，纯度≥99.5wt％。
步骤2)压制成型的压力为200～350MPa。
步骤3)所述保护气氛为Ar气。
步骤3)所述烧结的温度为1200～1450℃，保温时间为2～6h。在此温度范围下，Cu粉为液相，可以促进烧结的致密化，得到高密度的材料。
步骤3)所得电接触材料可根据需要后处理，可以是按照要求进行机械加工，并经检验合格，得到电接触材料成品。
本发明提供的电接触材料的制备方法具有烧结温度低、成本低、效率高的优点，制得的电接触材料具有高强度、高导电性和高抗熔焊性，可满足微电子行业和电子信息行业对高性能电接触铜合金的要求，可用于电阻焊电极、替代银基触头材料、电气开关触桥、焊炬喷嘴、高压开关电器触头等领域，在机械工业、电力、国防工业和电子信息产业具有广泛的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例提供的钨铜电接触材料，由以下重量百分比的组分组成：钨35.0％，碳化钛5.0％，镍0.75％，氯化镧1.0％，余量为铜。
本实施例提供的上述钨铜电接触材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的钨粉，碳化钛粉，镍粉，氯化镧粉，铜粉，采用SZ-100型Y型混粉机将原料充分混合3小时，得到混合料；
2)将步骤1)所得混合料置于GCr15钢制模具内，在Y-630T液压机上压制成型，压制压力控制在200MPa，得到直径20mm的毛坯；
3)将步骤2)所得毛坯放入石墨模具中，通入Ar气作保护气，在JR-50-160型高温烧结炉中，以1200℃的烧结温度进行烧结，保温6h，得到粗品；按要求进行机械加工，经检验合格，即得。
所述W粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述TiC粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Ni粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述LaCl3粉，粒径为2.0～5.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Cu粉，粒径为0.5～10.0μm，纯度≥99.5wt％。
实施例2
本实施例提供的钨铜电接触材料，由以下重量百分比的组分组成：钨55.0％，碳化钛2.5％，镍1.0％，氯化镧0.75％，余量为铜。
本实施例提供的上述钨铜电接触材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的钨粉，碳化钛粉，镍粉，氯化镧粉，铜粉，采用SZ-100型Y型混粉机将原料充分混合3小时，得到混合料；
2)将步骤1)所得混合料置于GCr15钢制模具内，在Y-630T液压机上压制成型，压制压力控制在350MPa，得到直径60mm的毛坯；
3)将步骤2)所得毛坯放入石墨模具中，通入Ar气作保护气，在JR-50-160型高温烧结炉中，以1350℃的烧结温度进行烧结，保温5h，得到粗品；按要求进行机械加工，经检验合格，即得。
所述W粉，粒径为15.0～28.0μm，纯度≥99.9wt％；所述TiC粉，粒径为15.0～28.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Ni粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述LaCl3粉，粒径为2.0～5.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Cu粉，粒径为8.0～15.0μm，纯度≥99.5wt％。
实施例3
本实施例提供的钨铜电接触材料，由以下重量百分比的组分组成：钨35.0％，碳化钛1.0％，镍0.75％，氯化镧1.0％，余量为铜。
本实施例提供的上述钨铜电接触材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的钨粉，碳化钛粉，镍粉，氯化镧粉，铜粉，采用SZ-100型Y型混粉机将原料充分混合3小时，得到混合料；
2)将步骤1)所得混合料置于GCr15钢制模具内，在Y-630T液压机上压制成型，压制压力控制在300MPa，得到直径40mm的毛坯；
3)将步骤2)所得毛坯放入石墨模具中，通入Ar气作保护气，在JR-50-160型高温烧结炉中，以1450℃的烧结温度进行烧结，保温4h，得到粗品；按要求进行机械加工，经检验合格，即得。
所述W粉，粒径为25.0～38.0μm，纯度≥99.9wt％；所述TiC粉，粒径为25.0～38.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Ni粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述LaCl3粉，粒径为2.0～5.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Cu粉，粒径为10.0～25.0μm，纯度≥99.5wt％。
实施例4
本实施例提供的钨铜电接触材料，由以下重量百分比的组分组成：钨75.0％，碳化钛3.5％，镍0.05％，氯化铈0.05％，余量为铜。
本实施例提供的上述钨铜电接触材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的钨粉，碳化钛粉，镍粉，氯化铈粉，铜粉，采用SZ-100型Y型混粉机将原料充分混合3小时，得到混合料；
2)将步骤1)所得混合料置于GCr15钢制模具内，在Y-630T液压机上压制成型，压制压力控制在300MPa，得到直径40mm的毛坯；
3)将步骤2)所得毛坯放入石墨模具中，通入Ar气作保护气，在JR-50-160型高温烧结炉中，以1300℃的烧结温度进行烧结，保温3h，得到粗品；按要求进行机械加工，经检验合格，即得。
所述W粉，粒径为25.0～38.0μm，纯度≥99.9wt％；所述TiC粉，粒径为25.0～38.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Ni粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述CeCl3粉，粒径为2.0～5.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Cu粉，粒径为10.0～25.0μm，纯度≥99.5wt％。
实施例5
本实施例提供的钨铜电接触材料，由以下重量百分比的组分组成：钨90.0％，碳化钛3.0％，镍0.5％，氯化铈0.55％，余量为铜。
本实施例提供的上述钨铜电接触材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取配方量的钨粉，碳化钛粉，镍粉，氯化铈粉，铜粉，采用SZ-100型Y型混粉机将原料充分混合3小时，得到混合料；
2)将步骤1)所得混合料置于GCr15钢制模具内，在Y-630T液压机上压制成型，压制压力控制在300MPa，得到直径60mm的毛坯；
3)将步骤2)所得毛坯放入石墨模具中，通入Ar气作保护气，在JR-50-160型高温烧结炉中，以1350℃的烧结温度进行烧结，保温4h，得到粗品；按要求进行机械加工，经检验合格，即得。
所述W粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述TiC粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Ni粉，粒径为2.0～15.0μm，纯度≥99.9wt％；所述CeCl3粉，粒径为2.0～5.0μm，纯度≥99.9wt％；所述Cu粉，粒径为0.5～10.0μm，纯度≥99.5wt％。
试验例
对实施例1～5的钨铜电接触材料的致密性、导电率和硬度进行性能检测，结果如表1所示。由表1的试验结果可知，本实施例制备的钨铜电接触材料具有较高的致密度，且具有较高的强度和高导电性，可满足微电子行业和电子信息行业对高性能电接触铜合金的要求。
表1实施例1～5的钨铜电接触材料的性能检测结果
配方 致密性 导电率，IACS 硬度，HBS
实施例1 99.1％ 57.0 104
实施例2 98.6％ 50.5 126
实施例3 98.5％ 59.0 115
实施例4 98.2％ 39.5 215
实施例5 98.0％ 27.6 273

Claims (10)

1.一种钨铜电接触材料，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：钨35.0～90.0％，碳化钛1.0～5.0％，镍0.05～1.0％，氯化铈或氯化镧0.05～1.0％，余量为铜。
2.如权利要求1所述的钨铜电接触材料，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：钨35.0～55.0％，碳化钛1.0～5.0％，镍0.75～1.0％，氯化铈或氯化镧0.75～1.0％，余量为铜。
3.一种如权利要求1所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取配方量的钨粉，碳化钛粉，镍粉，氯化铈粉或氯化镧粉，铜粉，混合均匀，得到混合料；
2)将步骤1)所得混合料压制成型，得到毛坯；
3)将步骤2)所得毛坯在保护气氛下进行烧结，即得。
4.如权利要求3所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，钨粉的粒径为2.0～38.0μm。
5.如权利要求3所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，碳化钛粉的粒径为2.0～38.0μm。
6.如权利要求3所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，镍粉的粒径为2.0～15.0μm。
7.如权利要求3所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，氯化铈粉或氯化镧粉的粒径为2.0～5.0μm。
8.如权利要求3所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，铜粉的粒径为0.5～25.0μm。
9.如权利要求3所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，步骤2)压制成型的压力为200～350MPa。
10.如权利要求3所述的钨铜电接触材料的制备方法，其特征在于，步骤3)烧结的温度为1200～1450℃，保温时间为2～6h。
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