CN105938763A - 添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种添加La2O3‑MoSi2弥散强化铜基触头材料及制备方法，材料配方包括以下组分，以质量百分含量计：La2O3 0.008‑1％；MoSi2 0.1‑10％；铜余量。材料制备方法如下：按照比例将MoSi2粉体、La2O3粉末和电解铜粉，进行弥散强化，细化后粒度达到≤1μm；将制备的粉体封装至包套内压制成形；将压制成形的坯料真空烧结；将烧结后的坯料加热进行热挤压成板材或丝材；然后轧制或拉拔所需形状，最后制成触头材料。本发明的触头材料组织稳定性好，具有良好的热稳定性、抗电弧烧蚀的性能，抗高温蠕变性能好。

Description

添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料及制备方法。
背景技术
电触头是各种开关类电气元件,如接触器、断路器、继电器和仪器仪表等诸多电器的重要关键功能性接触材料,高压输变电大容量超高压电力传输发展，低压配电系统与控制系统对自动化水平、灵敏度要求的不断提高以及电子工业产品的更新换代，都对触头材料提出新的要求。触头材料在服役过程中要经受电弧、电场、磁场、热、力及气氛的共同复杂作用，实现电流的传导功能。触头材料实现电流的导通是一个动态的过程，即由分断到闭合导通或由闭合到分断，在这一过程中，由于电流的有无和大小的不同，动态过程产生电弧，电弧与触头材料的相互作用，触头材料在大多数场合下为被烧损材料，烧损过程会发生非常复杂的冶金、物理及化学反应。这就对触头材料提出了基本性能要求，一是触头材料具有良好的导电和导热性能，二是要有低的接触电阻和温升，三是抗熔焊和抗环境耐腐蚀性，四是耐电磨损性好，五是具有一定的抗氧化性。
目前，触头材料一般采用银及银合金材料，主要有银氧化物、银石墨、银镍、银钨、银碳化钨和银铜等合金，这类材料银消耗量大，提高了制造和使用成本，在使用过程中，存在着诸如耐电弧烧损差、易氧化、易硫化、易磨损和温升高等缺陷，影响元件的使用寿命。虽然银氧化镉触头材料具有良好的使用性能，但是，在生产制造和使用中产生镉的气体，对人体危害极大，污染环境。
纯铜作为触头材料虽具有良好的电学性能，但使用中会因强度下降，抗变形能力低而失效，而且铜表面易生成不导电的氧化膜，导致接触电阻越来越大，从而产生温升过高。
近年来，国内的众多科研院所和高等院校以及触头行业的科技工作者一直致力于开发性能可靠，工艺简单，价格低廉的少银和无银触头材料，一段时间以来，经过不懈的努力，人们公认为，铜及铜合金是触头材料领域银基材料的比较合适的替代品，这是由于铜和银的导电性能非常接近，电阻率略高于银。经过专利检索可知,目前国内外铜基触头材料的研究方向主要是在铜基体中加入金属氧化物、金刚石、氮化物和碳化物等，来实现触头材料的基本性能，取得了相应的进展。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料及制备方法，从而提高触头机械强度、抗氧化性、耐腐蚀和温升低等性能。
本发明所采用的技术如下：一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料,配方包括以下组分，以质量百分含量计：La2O3 0.008-1％；MoSi2 0.1-10％；铜余量。
本发明还具体如下技术特征：
1、如上所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料,配方优选包括以下组分，以质量百分含量计：La2O3 0.008-0.064％；MoSi2 1-8％；铜余量。
2、如上所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料的制备方法，如下：按照比例将粒度为≤74μm，纯度为≥99.8％，的MoSi2粉体、粒度≤1μm，纯度≥99.9％的La2O3粉末和粒度≤74μm，纯度≥99.8％的电解铜粉，进行弥散强化，细化后粒度达到≤1μm；将制备的粉体封装至包套内压制成形；将压制成形的坯料真空烧结；将烧结后的坯料加热进行热挤压成板材或丝材；然后轧制或拉拔所需形状，最后制成触头材料。
3、如上所述的进行弥散强化时采用的高能行星式球磨机参数：转速200r/min，球料比20:1，选用不锈钢球作为磨料，钢球直径为20mm和10mm各50％，采用惰性气体保护，球磨20h。
4、如上所述的将制备的粉体封装至包套内压制成形时施加150MPa-280MPa的压力，保压2min。
5、如上所述的将压制成形的坯料在850℃-1000℃的温度范围内，真空烧结4h。
6、如上所述的将烧结后的坯料加热至900℃±20℃进行热挤压成板材或丝材。
本发明以Cu作为导电第一组元，通过添加高熔点(Tm，2030℃)、高硬度(HV≥10GPa)、高温抗氧化(抗氧化温度达1700℃)、耐蚀性和导电性良好(电阻率为21.5μΩ·cm)，热膨胀系数低(8.1x10-6K-1)的第二组元MoSi2，起到触头材料的抗熔焊性、提高机械强度、抗氧化性、耐腐蚀和温升低等作用。添加高熔点(Tm，2315℃)稀土氧化物第三组元La2O3，促使组织晶粒细化，增加触头材料的抗氧化性。通过添加La2O3-MoSi2实现对铜弥散强化。
本发明的有益效果是：
本发明提高触头了触头材料的再结晶温度，组织稳定性好。再结晶温度越高材料的组织稳定性越好，从而触头材料的硬度高，导电性也越好，再结晶的温度由400℃左右提高到900℃以上。
本发明触头材料软化温度高，即硬度随温度升高略有下降，这是本发明触头材料的一大特点，触头材料具有良好的热稳定性，抗高温蠕变性能好。
本发明的触头材料具有高屈服强度和高抗拉强度，高温强度高。屈服强度接近抗拉强度，在高温下更加突出。
本发明的触头材料传导率高，抗电弧烧蚀性能好。由于La2O3-MoSi2弥散触头材料的颗粒含量少，且细小分布，所以能够保持铜基体的高导电性和高导热性。又由于高硬度的MoSi2弥散分布材料之中，高的化学活性La2O3细化晶粒，使材料具有良好的抗电弧烧蚀的性能。
本发明的触头材料具有硬度高，抗磨损能力强。由于MoSi2硬质点本身既能承受机械载荷，又能阻止铜基体的塑性变形，从而在承受磨损时能够有效降低铜基体与摩擦副的对偶粘附力，使磨损抗力提高。由于La2O3-MoSi2呈弥散分布在触头材料之中，细化了触头材料的晶粒，促进晶界增多，加大晶界曲折，裂纹扩展路径增长，阻耐位错运动，当裂纹扩展到细小的球状La2O3颗粒时被阻止，裂纹通过“Z”字型或跨接的方式继续扩展，在断裂过程中需要吸收更多的能量，提高了触头材料的韧性。
具体实施方式
下面举例对本发明做进一步解释：
实施例1
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.008％，
MoSi2 1.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.67g/cm3
硬度：HV112
电阻率：2.75μΩ·cm
抗拉强度：312MPa。
实施例2
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.016％，
MoSi2 2.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.62g/cm3
硬度：HV147
电阻率：2.94μΩ·cm
抗拉强度：362MPa。
实施例3
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.024％，
MoSi2 3.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.55g/cm3
硬度：HV139
电阻率：3.02μΩ·cm
抗拉强度：349MPa。
实施例4
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.032％，
MoSi2 4.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.51g/cm3
硬度：HV121
电阻率：3.19μΩ·cm：
抗拉强度：285MPa。
实施例5
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.040％，
MoSi2 5.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.46g/cm3
硬度：HV135
电阻率：3.45μΩ·cm
抗拉强度：296MPa。
实施例6
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.048％，
MoSi2 6.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.40g/cm3
硬度：HV118
电阻率：3.90μΩ·cm
抗拉强度：285MPa。
实施例7
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.056％，
MoSi2 7.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.36g/cm3
硬度：HV109
电阻率：4.23μΩ·cm
抗拉强度：279MPa。
实施例8
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.064％，
MoSi2 8.00％，
Cu余量。
触头材料性能参数：密度：8.32g/cm3
硬度：HV103
电阻率：4.45μΩ·cm
抗拉强度：272MPa。
实施例9
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 0.01％，
MoSi2 0.1％，
Cu余量。
实施例10
触头材料的配方成分重量百分含量为：La2O3 1％，
MoSi2 10％，
Cu余量。
实施例11
一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料的制备方法，如下：
(1)制备高能球磨弥散强化高导电铜基复合材料
按照上述配方比例将粒度为≤74μm，纯度为≥99.8％，的MoSi2粉体、粒度≤1μm，纯度≥99.9％的La2O3粉末和粒度≤74μm，纯度≥99.8％的电解铜粉，进行弥散强化，细化后粒度达到≤1μm；
(2)高能行星式球磨机参数
转速200r/min，球料比20:1，选用不锈钢球作为磨料，钢球直径为Φ20mm和Φ10mm各50％，采用Ar气保护，球磨20h；
(3)冷等静压
将步骤(2)制备的粉体封装至包套内，施加150MPa-280MPa的压力，保压2min，压制成形；
(4)烧结
将步骤(3)压制成形的坯料在850℃-1000℃的温度范围内，真空烧结4h；
(5)热挤压
将步骤(4)烧结后的坯料加热至900℃±20℃进行热挤压成板材或丝材；
(6)轧制或拉拔
将挤压的板材轧制到需要的厚度或将丝材拉拔至需要的直径，制成触头材料。

Claims (7)

1.一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料,其特征在于，配方包括以下组分，以质量百分含量计：La2O3 0.008-1％；MoSi2 0.1-10％；铜余量。
2.根据权利要求1所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料,其特征在于，配方包括以下组分，以质量百分含量计：La2O3 0.008-0.064％；MoSi2 1-8％；铜余量。
3.根据权利要求1所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料的制备方法，其特征在于，方法如下：按照比例将粒度为≤74μm，纯度为≥99.8％，的MoSi2粉体、粒度≤1μm，纯度≥99.9％的La2O3粉末和粒度≤74μm，纯度≥99.8％的电解铜粉，进行弥散强化，细化后粒度达到≤1μm；将制备的粉体封装至包套内压制成形；将压制成形的坯料真空烧结；将烧结后的坯料加热进行热挤压成板材或丝材；然后轧制或拉拔所需形状，最后制成触头材料。
4.根据权利要求3所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料的制备方法，其特征在于，进行弥散强化时采用的高能行星式球磨机参数：转速200r/min，球料比20:1，选用不锈钢球作为磨料，钢球直径为20mm和10mm各50％，采用惰性气体保护，球磨20h。
5.根据权利要求3所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料的制备方法，其特征在于，将制备的粉体封装至包套内压制成形时施加150MPa-280MPa的压力，保压2min。
6.根据权利要求3所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料的制备方法，其特征在于，将压制成形的坯料在850℃-1000℃的温度范围内，真空烧结4h。
7.根据权利要求3所述的一种添加La2O3-MoSi2弥散强化铜基触头材料的制备方法，其特征在于，将烧结后的坯料加热至900℃±20℃进行热挤压成板材或丝材。
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