CN1057345C - 铜基无银无镉低压电工触头合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种铜基无银无镉低压电工触头合金材料，是一种无镉污染，无贵金属银的触头材料，可以使用到家用电器和低压电器产品上，替代原有的银基低压电工触头材料和铜基含镉低压电工触头材料，其导电第一相核心组元是铜，第二相骨架组元是金钢石，其特征在于第三相添加组元是起到改善电接触表面液相和固相附着力，减少接触表面及触头基体裂纹的形成与扩展最终达到降低电弧浸蚀的非镉和镉氧化物的金属元素或非金属元素；本发明既达到铜基低压电工触头材料的不用白银，其性能又能达到现行指标及相适应的电器标准，而且在不含镉，减少环境污染，符合我国电器产品发展趋势，适应世界工业发达国家的实际要求，真正达到以铜代银不用镉，减少环境污染的双重目标。
Description
本发明属于低压电器行业和家用电器行业的电工触头材料技术领域，具体的说是一种铜基无银无镉低压电工触头合金材料。是一种节银无镉污染的新型电工触头材料。
已有技术的概况：
(1).银基低压电工触头：以白银材料为主要成份，白银材料由于具有良好的导电性，导热性，接触电阻小，抗氧化能力强等特性，广泛应用于低压电器行业做电工触头材料。通过熔炼，粉末冶金和复合技术等不同工艺制成的银合金材料或复合材料，既保持了银材料原先的良好性能，又具有耐磨性，抗电弧熔焊的性能，目前在空气开关，断路器，按能器，继电器，温控器，家用电器等大量面广的低压电器中大量用作电工触头材料，随着国民经济的发展，低压电器不断增多，白银耗用量逐年增加，我国以及全世界的白银资源短缺而且价格昂贵，制约了银基低压电工触头材料发展数量。
(2).铜基低压电工触头：目前很多资料报导铜基无银低压电工触头材料技术，其中以专利号为ZL94102452.0公开的技术为代表，以其独特配方和工艺，不含白银材料，成功地应用到低压电器行业的电工触头材料。受到我国电器行业和逐步应用，而且逐步受到世界上有识人士关注和重视，铜基低压电工触头材料的开发和应用，的确是在世界性的节约贵金属银，这一前沿研究领域中取得了可喜的成果。但是，铜基低压电工触头材料在进一步的推广应用中受到阻力和障碍。该产品的配方中采用0.1-2镉(重量百分比)，在装配到各类低压电器电工触头中，使用过程每接触一次或分断一次，都不可避免出现电弧，在电弧的瞬间高温高压下，触头材料中的镉迅速氧化成氧化镉蒸气，其蒸气压的体积为固态金属镉的1万倍，迅速积聚到电器的部件上，迅速挥发到空间，造成严重的空气污染。在我国以及全世界都已将防止镉环境污染列为环境保护的重要内容，我国和全世界的电工触头行业专家和学者都清楚地认识到：研究不采用白银材料和不采用镉都是触头行业的世界性大课题。
A.国外从60年代开始研究银基低压电工触头中取代镉材料的触头，到70年代全面推广使用。
B.我国从70年代末开始研究取代银基低压电工触头镉材料的触头材料，到80年代中，在CJ20交流按能器上，全面推广应用银氧化锡触头取代银氧化镉触头。电流等级从25A-630A.到90年代初，在CJ40交流按能器上再次全面推广应用银氧化锡触头取代银氧化镉触头，并由国家八个部委联名盖章禁止老一代的CJ10交流按能器生产和销售，其中原因之一是CJ10产品是应用了银氧化镉触头。
C.我国的民用的单极或双极的小型断路器，在70年代末是采用银氧化镉触头，到80年代中已全部被银氧化锌触头或银纤维石墨触头所取代。
D.日本国从70年代初已强制规定日本国内销售或外国进口家用电器产品及部分工业电器产品中不准使用银氧化镉触头材料。基本上已完成不含镉的触头材料的推广应用，与此同时日本人将大量的含镉的触头材料制造技术转让到中国来。中国人得到的是落后的有严重环境污染的技术。
E.美国，加拿大，澳州及欧州的先进的工业国家，从80年代开始逐步限制使用都禁止在家用电器及工业电器中使用含镉的触头材料，以达到保护该国环境和电器产品的环境安全性。80年代初我国从西德引进的AEG-ME系列空气框架式自动开关的制造技术，该产品已经使用银氯化锌触头材料，能在3200A 1万V条件下可靠工作。此例子说明外国人已从小到家用电器大到高等级大电流电器上不再使用含镉的触头触头材料。银氯化锌触头同样取代银氯化镉应用到大电流的低压开关上。讲明一个道理：用其它金属材料完全可以成功地取代镉，制造出不含镉的触头材料。根据德国人的经验，中国人在自行设计的DW173200框架式自动开关上成功应用自己生产的银氧化锌触头。通过3200A 1万V的型式试验。
F.我国从90年代初开始，吸取世界工业国家的经济发展措施。出口的电工产品不再使用含镉的触头材料，这方面以广东地区出口的家用电器厂商行动最迅速，为了争取到日本，韩国，新加坡，马来西亚，泰国，香港以及西欧国家的订单。能够在国内争取好的不含镉的触头材料，价格高一些都使用，暂时个别品种因为无法生产，只好向美国日本和韩国进口不含镉的触头材料。因为这些国家规定家用电器：如电冰箱，烘干箱等生活关系密切的产品，一旦使用含镉触头，厂商会罚高额的赔偿。
以上无镉触点材料仅仅是在银基触点材料中实现的。
G.由于含镉的原因，我国的铜基低压电工触头材料不能应用到家用电器行业，未能应用许多更新换代产品上。更加直接影响到外商洽谈该产品的出口创外汇或技术向外商转让问题。我国更新换代产品，明文规定不再使用含镉材料的触头。老一代电器产品然用含镉触头材料。但是国家八个部委联名通知全国到全部禁止生产和销售。家用电器产品，出于人身安全要求，不准用含镉触头材料。详见<关于公布机械工业第十七批节能机电产品推广项目及第十六批淘汰落后机电产品项目的通知>的八部委文件--机械科(1996)768号。
H.含镉铜基低压电工触头材料，除了使用过程会造成严重镉环境污染外，在电工合金厂实际生产过程中也会镉粉末的天空排放以及含镉污水排放而造成生产场所的环境污染。
本发明目的是提出一种铜基无银无镉低压电工触头材料。是一种无镉污染产品，是一种无银的节省贵金产品，可以使用到家用电器和低压电器相应的电工触头材料上。替代原有的银基低压电工触头材料，替代铜基含镉低压电工触头材料。本发明可以生产出铆钉形状触头，片状触头，异形触头，可满足各种形状及尺寸设计要求触头材料。
实现本发明目的技术方案为：
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，其导电第一相核心组元是铜，第二相骨架组元是金钢石，其特征在于第三相添加组元是起到改善电接触表面液相和固相附着力，减少接触表面及触头基体裂纹的形成与扩展最终达到降低电弧浸蚀的非镉和镉氧化物的金属元素或非金属元素；所述的第三相添加组元可以是包括有以下元素或元素的组合中的一种，可以是锌，可以是锡与铟的组合，可以是铬，可以是镁，可以是铝与铋的组合，可以是铷与锶的组合，可以是钇与锆的组合，可以是硅与锗的组合，可以是镍，可以是锑，可以是铍与铌的组合，可以是钨与钼的组合，可以是镓与镧的组合；其成份配比(重量百分比)为：第二相骨架组元金钢石为0.2-8，除第三相添加组元外其余为铜。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.1-10锌，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.1-12锡，0.1-10铟，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.1-10铬，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.1-10镁，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.01-5铝，0.01-5铋，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.01-5铷，0.01-5锶，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.01-5钇，0.01-5锆，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.01-5硅，0.01-5锗，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.1-30镍，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.01-10锑，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.01-10铍，0.01-5铌，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.1-10钨，0.1-10钼，铜余量。
本发明铜基无银无镉低压电工触头合金材料，第二相骨架组元和第三相添加组元和第一相核心组元其成份配比还可以(重量百分比)为：0.2-8金钢石，0.01-10镓，0.01-5镧，铜余量。
铜基无银无镉低压电工触头材料的特性：不含白银材料，不含镉，主要导电材料是铜，约占80以上。是触头材料中的核心组元。第二相组元是金钢石，是触头材料中主要起抗电弧浸蚀和抗触头熔焊的作用。第三相组元是一些金属元素或非金属元素，在触头材料中主要是从电接触表面起到表面张力和润湿作用，达到降低电弧浸蚀的目的，或者是从电接触表面受电弧能量作用下形成的液态金属池里，调节触头材料中各组元的分布和流动以及化合物形态控制，达到降低触头熔焊的目的。
本发明通过第二相组元金钢石粉的加入，除了起主要抗电弧浸蚀和抗触头熔焊的作用。还具有高熔点特性，分散到铜基合金中，起到强化骨架作用，使触头材料在电接触和电弧作用下仍然具有较高硬度和较高熔点。而且电阻率不高，导热性能好，与铜合金相结合，保证了触头材料在实际使用中电寿命试验中对耐磨提要求，分断试验中对抗熔焊要求。进一步的研究，还证明金钢石粉是一种理想的还原剂，不管呈单质状态的碳还是在电弧作用燃烧后转化为-氧化碳，都是较强的还原剂，可以将电接触表面生成的氧化铜还原成氧化亚铜或金属单质铜，保证了触头材料表面洁净表面和良好的导电性。符合电器型式试验的温升要求。
本发明第三相组元的加入，起到改善电接触表面液相和固相附着力，减少电接触表面及触头基体裂纹的形成与扩展最终达到降低电弧浸蚀的目的，从而使本发明触头材料有较好电寿命性能。第三相组元和第四相组元的加入，通过调节电接触表面液态金属池里触头材料各组元的分布和流动以及化合物形态控制，可改变电按能表面的形貌和金属蒸气的喷溅以及电弧喷溅程度，从而使本发明触头材料有较好的分断抗熔焊性。
本发明的产品理化性能如下：
密度不小于8.2×103(kg/m3
电阻率不大于3.5
硬度HB硬态不小于500Mpa
硬度HB硬态不小于300Mpa
本发明的应用范围：
本发明铜基无银无镉低压电工触头材料，是一种无镉污染产品，是一种无银的节省贵金产品，可以使用到家用电器和低压电器相应的电工触头材料上。替代原有的银基低压电工触头材料，替代铜基低压电工触头材料。本发明可以生产出铆钉形状触头，片状触头，异形触头，可满足各种形状及尺寸设计要求触头材料。
本发明触头材料。既达到铜基低压电工触头材料的不用白银，其性能又能达到现行指标及相适应的电器标准。而且在不含镉，减少环境污染，符合我国电器产品发展趋势，适应世界工业发达国家的实际要求。真正达到以铜代银不用镉。减少环境污染的双重目标。
Claims (1)
1.一种铜基无银无镉低压电工触头合金材料，其导电第一相核心组元是铜，第二相骨架组元是金钢石，其特征在于第三相添加组元是起到改善电接触表面液相和固相附着力，减少接触表面及触头基体裂纹的形成与扩展最终达到降低电弧浸蚀的非镉和镉氧化物的金属元素或非金属元素；所述的第三相添加组元是包括有以下元素或元素的组合中的一种：是锌，其成份配比(重量百分比)为金钢石0.2-8％，锌0.1-10％，铜余量；或者是锡与铟的组合，其成份配比(重量百分比)为，金钢石0.2-8％，锡0.1-12％，铟0.1-10％，铜余量；或者是铬，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，铬0.1-10％，铜余量；或者是镁，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，镁0.1-10％，铜余量；或者是铝与铋的组合，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，铝0.01-5％，铋0.01-5％，铜余量；或者是铷与锶的组合，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，铷0.01-5％，锶0.01-5％，铜余量；或者是钇与锆的组合，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，钇0.01-5％，锆0.01-5％，铜余量；或者是硅与锗的组合，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，硅0.01-5％，锗0.01-5％，铜余量；或者是镍，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，镍0.1-30％，铜余量；或者是锑，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，锑0.01-10％，铜余量；或者是铍与铌的组合，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，铍0.01-10％，铌0.01-5％，铜余量；或者是钨与钼的组合，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，钨0.1-10％，钼0.1-10％，铜余量；或者是镓与镧的组合，其成份配比(重量百分比)为：金钢石0.2-8％，镓0.01-10％，镧0.01-5，铜余量。
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