CN105220004A

CN105220004A - 一种铜基电接触复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105220004A
Application number: CN201510634174.8A
Authority: CN
Inventors: 刘勇; 朱顺新; 李国辉; 田保红; 张毅; 宋克兴; 国秀花
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: CN105220004B

Abstract

本发明公开了一种铜基电接触复合材料及其制备方法，属于金属复合材料制备技术领域。该铜基电接触复合材料由以下质量百分比的组分组成：铬10％～30％、碳化钨1％～5％，余量为铜。本发明的铜基电接触复合材料，致密度高、组织均匀，具有较高的电导率和较好的抗电弧侵蚀性。本发明的制备方法，将铬粉、碳化钨粉和铜粉混合后采用放电等离子烧结工艺制备铜铬碳化钨复合材料；所得复合材料既有铬的高强度、高熔点，又有碳化钨良好的导电性和耐磨性，以及铜的较高导电、导热率；该制备方法可控环保，工艺简单，成本低廉且生产周期短，实现了抗电弧侵蚀性能、抗熔焊能力、强度、导电率性能高的电接触复合材料的制备，适合推广应用。

Description

一种铜基电接触复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属复合材料制备技术领域，具体涉及一种铜基电接触复合材料及其制备方法。

背景技术

电接触材料是开关电器和电子仪器仪表中非常重要的元件，直接起到分断和接通电路的作用以及承受正常工作电流的功能，其性能对开关电器能否正常运行和使用寿命长短有至关重要的作用。铜铬材料早在20世纪七十年代就已经开始应用于真空开关，主要应用于真空中高压大电流，铜铬合金研究居多而对于铜铬复合材料的研究相对较少。含有铜、铬、碳化钨的合金，性能较好，现有技术中，公开号为CN1070432A的“一种耐磨导电合金材料及其制品”公开了一种耐磨导电合金材料，该材料组分的重量含量为2-4％WC，20-70％W，20-50％Cu，0.1-4％Co，还可以加入0.1-1％Ni或0.5-2％Cr，该合金材料具备良好的耐磨性和导电性。

传统的制备铜铬复合材料的主要方法有混粉烧结法、熔渗法、粉末冶金法和内氧化法等。铜铬复合材料虽然兼有铜、铬的优点，但也有相应的缺点。由于纯铜强度较低，一般低于200MPa，导致无论采用熔渗法还是粉末烧结法制备的复合材料，不仅制备过程复杂，周期长而且强度、电导率等性能难以达到使用要求。现有技术中，“复合镀、合金化对铜基电接触材料组织及性能的影响”(牟振，复合镀、合金化对铜基电接触材料组织及性能的影响，济南大学，2014年。)记载了一种铜基电接触材料及其制备方法：将质量百分比为4％的锌粉、0～10％的碳化钨粉、余量为铜粉的混合粉末球磨均匀，时间为30min，球料比为15:1，后在200吨液压机上，压制成坯，压制压力500MPa，保压时间2min，然后在管式炉真空(10Pa)环境下进行烧结，烧结温度为800℃，烧结时间为60min。得到的铜基电接触复合材料的致密度在84～89％之间，材料硬度在35～54HB之间，IACS值在40～51％之间，采用40A阻性交变电流，电压54V，开闭20000次，烧蚀失重在0.2～0.7％之间。该材料是含有锌的铜基材料，其材料的致密度、硬度及导电性能还不能满足使用的要求。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种铜基电接触复合材料，该铜基电接触复合材料致密度高、组织均匀，而且具有较高的电导率和较好的抗电弧侵蚀性。

本发明的第二个目的在于提供一种铜基电接触复合材料的制备方法，解决现有制备方法烧结所需时间过长、耗能大和晶粒容易长大的问题。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种铜基电接触复合材料，由以下质量百分比的组分组成：铬10％～30％、碳化钨1％～5％，余量为铜。

本发明的铜基电接触复合材料，致密度高、组织均匀、而且具有较高的电导率和较好的抗电弧侵蚀性。

所述铜基电接触复合材料，是将铬粉、碳化钨粉与铜粉混合后，将混合粉末进行放电等离子烧结(SPS)制备的。

一种上述的铜基电接触复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取配方量的铬粉、碳化钨粉和铜粉，混合均匀，得混合物；

2)将步骤1)所得混合物置于模具中，在真空或保护气氛下进行放电等离子烧结，烧结温度为850～1000℃，施加压力为20～50MPa，烧结保温时间为3～10min，后冷却即得。

步骤1)中，所述铬粉的粒度为35～150μm；所述碳化钨粉的粒度为10～50μm；所述铜粉的粒度为300～500目。

所述铬粉是由粒径范围为50～200μm、中位粒度为100μm的原料铬粉经球磨制得的；所述碳化钨粉是由粒径范围为30～80μm、中位粒度为50μm的原料碳化钨粉经球磨制得的；所述球磨的转速为400r/min，球磨的时间为10～20h，球料质量比为15:1。所述球磨为高能球磨。通过对铬粉和碳化钨粉的球磨，使得原料粒径尺寸配比均匀、合理，有利于气孔的减少，使得致密度增加，有利于烧结。

步骤1)中，所述混合为球磨混合，所述球磨混合所用磨球为紫铜球，球料质量比为10:1。采用紫铜球进行球磨混合，保证粉料不发生团聚现象，易于混合均匀。

步骤2)中，所述模具为石墨模具。

步骤2)中，将所得混合物置于模具中时，在模具垫片与混合物之间垫一层石墨纸。为便于烧结后产品的取出，可在模具垫片与原料混合物之间垫一层石墨纸以保证烧结后顺利脱模，并且还能够保护样品表面的平整，同时延长模具的使用寿命。

步骤2)中，所述放电等离子烧结过程中，将烧结炉腔抽真空到5Pa时开始加热，以100℃/s的速度到650℃，保温1～3min后，再以100℃/s的速度升温至烧结温度850～1000℃。

步骤2)中，所述保护气氛为氩气。

所得铜基电接触复合材料经冷挤压变形、热挤压变形或轧制变形加工成电接触元件。

本发明的铜基电接触复合材料的制备方法，将微米级的铬粉、碳化钨粉和铜粉混合后，采用放电等离子烧结工艺制备铜铬碳化钨复合材料；所得铜基复合材料既有铬的高强度、高熔点，又有碳化钨良好的导电性和耐磨性，以及铜的较高导电、导热率；该制备方法可控环保，工艺相对简单，生产成本相对低廉而且生产周期短，实现了抗电弧侵蚀性能、抗熔焊能力、强度、导电率性能高的电接触复合材料的制备，适合推广应用。

本发明的铜基电接触复合材料的制备方法中，为了防止铜晶粒的长大，通过放电等离子烧结工艺(SPS)制备铜铬碳化钨复合材料。SPS的特点在于其烧结过程不仅具有热压烧结的焦耳热和加压造成塑性变形促进烧结，而且还在颗粒间产生直流脉冲电压，使颗粒间产生放电，激发等离子体，等离子体的高速运动伴随着极高的温度，促进粉末颗粒原子的扩散，短时间内即可完成烧结，避免晶粒长大。此外，脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速运动，可以使得粉末吸附的气体逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化，同时也促进烧结。

进一步的，将铬粉和碳化钨粉进行高能球磨，增加了铬和碳化钨的表面积，有利于和铜粉充分结合。

与传统工艺过程相比，本发明的制备方法极大地缩短了复合材料的生产周期，细化了晶粒，同时也保证了铬和碳化钨颗粒与铜基体的良好的结合，可简单快速制备出组织中孔洞较少的铜基电接触复合材料。试验证明，本发明所得铜基电接触复合材料的致密度为95.2％～96％，材料硬度为79～83HV，电导率为54.3％～56％IACS，将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量损失率为0.30％～0.76％；该铜基电接触复合材料致密度高、组织均匀，而且具有较高的电导率和较好的抗电弧侵蚀性。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例的铜基电接触复合材料，由以下质量百分比的组分组成：铬20％、碳化钨3％，余量为铜。

本实施例的铜基电接触复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取粒径范围为50～200μm、中位粒度为100μm的原料铬粉和粒径范围为30～80μm、中位粒度为50μm的原料碳化钨粉，分别置于高能球磨机罐中，按照球料质量比为15:1的比例加入研磨球进行球磨，球磨机的转速400r/min，球磨时间为15h，分别得到粒度为35～150μm的铬粉和10～50μm的碳化钨粉；

2)按配方量取步骤1)球磨所得铬粉、碳化钨粉和400目的铜粉，在Y型混料机内充分混合均匀，得混合物；

3)将步骤2)所得混合物置于石墨模具内(石墨模具垫片与混合物之间放置一层石墨纸)，然后放入放电等离子烧结炉内，抽真空到5Pa时开始加热，以100℃/s的速度到650℃，保温2min后，再以100℃/s的速度升温至950℃，施加压力为30MPa，保温8min，随炉冷却后，取出即得所述铜基电接触复合材料。

将实施例1制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试，测得致密度为96％，硬度为82HV，电导率为56％IACS；将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量烧蚀率为0.34％。

实施例2

本实施例的铜基电接触复合材料，由以下质量百分比的组分组成：铬10％、碳化钨1％，余量为铜。

1)取粒径范围为50～200μm、中位粒度为100μm的原料铬粉和粒径范围为30～80μm、中位粒度为50μm的原料碳化钨粉，分别置于高能球磨机罐中，按照球料质量比为15:1的比例加入研磨球进行球磨，球磨机的转速400r/min，球磨时间为10h，分别得到粒度为35～150μm的铬粉和10～50μm的碳化钨粉；

2)按配方量取步骤1)球磨所得铬粉、碳化钨粉和300目的铜粉，在Y型混料机内充分混合均匀，得混合物；

3)将步骤2)所得混合物置于石墨模具内(石墨模具垫片与混合物之间放置一层石墨纸)，然后放入放电等离子烧结炉内，抽真空到5Pa时开始加热，以100℃/s的速度到650℃，保温1min后，再以100℃/s的速度升温至850℃，施加压力为20MPa，保温5min，随炉冷却后，取出即得所述铜基电接触复合材料。

将实施例2制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试，测得致密度为95.2％，硬度为79HV，电导率为54.3％IACS；将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量烧蚀率为0.42％。

实施例3

本实施例的铜基电接触复合材料，由以下质量百分比的组分组成：铬30％、碳化钨5％，余量为铜。

1)取粒径范围为50～200μm、中位粒度为100μm的原料铬粉和粒径范围为30～80μm、中位粒度为50μm的原料碳化钨粉，分别置于高能球磨机罐中，按照球料质量比为15:1的比例加入研磨球进行球磨，球磨机的转速400r/min，球磨时间为20h，分别得到粒度为35～150μm的铬粉和10～50μm的碳化钨粉；

2)按配方量取步骤1)球磨所得铬粉、碳化钨粉和500目的铜粉，在Y型混料机内充分混合均匀，得混合物；

3)将步骤2)所得混合物置于石墨模具内(石墨模具垫片与混合物之间放置一层石墨纸)，然后放入放电等离子烧结炉内，抽真空到5Pa时开始加热，以100℃/s的速度到650℃，保温1min后，再以100℃/s的速度升温至1000℃，施加压力为50MPa，保温10min，随炉冷却后，取出即得所述铜基电接触复合材料。

将实施例1制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试，测得致密度为95.7％，硬度为83HV，电导率为55.6％IACS；将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量烧蚀量为0.76％。

对比例1

a)取粒径范围为50～200μm、中位粒度为100μm的原料铬粉和粒径范围为30～80μm、中位粒度为50μm的原料碳化钨粉，分别置于高能球磨机罐中，按照球料质量比为15:1的比例加入研磨球进行球磨，球磨机的转速400r/min，球磨时间为20h，分别得到粒度为35～150μm的铬粉和10～50μm的碳化钨粉；

b)按配方量取步骤a)球磨所得铬粉、碳化钨粉和400目的铜粉，在Y型混料机内充分混合均匀，得混合物；

c)将步骤b)中混合物置于模具中冷压压制成型，压制压力控制在250MPa，得毛坯；

d)将步骤c)所得毛坯在氩气气氛条件下进行烧结，烧结温度为950℃，烧结时间为3h，后冷却，即得所述铜基电接触复合材料。

将铜基电接触复合材料进行机械加工检验等即可得到铜基电触头复合材料成品。

将制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试，测得致密度为95.8％，硬度为81.3HV，电导率为55.3％IACS；将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量烧蚀率为0.98％。

对比例2

a)取粒径范围为50～200μm、中位粒度为100μm的原料铬粉和粒径范围为30～80μm、中位粒度为50μm的原料碳化钨粉，分别置于高能球磨机罐中，按照球料质量比为15:1的比例加入研磨球进行球磨，球磨机的转速400r/min，球磨时间为10h，分别得到粒度为35～150μm的铬粉和10～50μm的碳化钨粉；

b)按配方量取步骤a)球磨所得铬粉、碳化钨粉和300目的铜粉，在Y型混料机内充分混合均匀，得混合物；

c)将步骤b)中混合物置于模具中冷压压制成型，压制压力控制在200MPa，得毛坯；

d)将步骤c)所得毛坯在氩气气氛条件下进行烧结，烧结温度为850℃，烧结时间为2h，后冷却，即得所述铜基电接触复合材料。

将制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试，测得致密度为95.3％，硬度为78.2HV，电导率为54.1％IACS；将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量烧蚀率为1.01％。

对比例3

b)按配方量取步骤a)球磨所得铬粉、碳化钨粉和500目的铜粉，在Y型混料机内充分混合均匀，得混合物；

c)将步骤b)中混合物置于模具中冷压压制成型，压制压力控制在300MPa，得毛坯；

d)将步骤c)所得毛坯在氩气气氛条件下进行烧结，烧结温度为1000℃，烧结时间为5h，后冷却，即得所述铜基电接触复合材料。

将制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试，测得致密度为95.7％，硬度为82.6HV，电导率为55.8％IACS；将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量烧蚀率为1.13％。

实验例

本实验例对实施例1-3和对比例1-3所得铜基电接触复合材料的性能进行检测。将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元件，在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后，质量烧蚀率如表1所示。

表1实施例1-3和对比例1-3所得铜基电接触复合材料的质量损失统计结果

对象	试验前(g)	试验后(g)	质量损失量(mg)	质量烧蚀率(％)
					实施例1	0.6548	0.6526	2.2	0.34
实施例2	0.6729	0.6701	2.8	0.42
					实施例3	0.6352	0.6304	4.8	0.76
对比例1	0.6814	0.6747	6.7	0.98
					对比例2	0.6433	0.6368	6.5	1.01
对比例3	0.6219	0.6149	7.0	1.13

从表1可以看出，实施例1-3所得铜基电接触复合材料与对比例相比，质量损失量更小，质量烧蚀率更低；同时与对比例相比，本发明采用的放电等离子体烧结的制备方法，缩短了生产周期，能耗只有传统工艺(对比例1-3)的1/3～1/5，大大节省了能源，降低了生产成本，是一种制备复合材料的新方法，具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种铜基电接触复合材料，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：铬10％～30％、碳化钨1％～5％，余量为铜。

2.一种如权利要求1所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述铬粉的粒度为35～150μm；所述碳化钨粉的粒度为10～50μm；所述铜粉的粒度为300～500目。

4.根据权利要求3所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：所述铬粉是由粒径范围为50～200μm、中位粒度为100μm的原料铬粉经球磨制得的；所述碳化钨粉是由粒径范围为30～80μm、中位粒度为50μm的原料碳化钨粉经球磨制得的。

5.根据权利要求4所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：所述球磨的转速为400r/min，球磨的时间为10～20h，球料质量比为15:1。

6.根据权利要求2所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述混合为球磨混合，所述球磨混合所用磨球为紫铜球，球料质量比为10:1。

7.根据权利要求2所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述模具为石墨模具。

8.根据权利要求2或7所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，将所得混合物置于模具中时，在模具垫片与混合物之间垫一层石墨纸。

9.根据权利要求2所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述放电等离子烧结的升温程序为：将烧结炉腔抽真空到5Pa时开始加热，以100℃/s的速度到650℃，保温1～3min后，再以100℃/s的速度升温至烧结温度850～1000℃。

10.根据权利要求2所述的铜基电接触复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述保护气氛为氩气。