CN106282643A - 一种铜基电接触复合材料及其真空热压工艺 - Google Patents

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耿浩然
肖振
贾鹏
罗宏
冷金凤
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Abstract

本发明涉及一种中低压电器开关用的铜基电接触复合材料，特别涉及采用真空热压烧结工艺制备铜基电接触复合材料的方法。本发明的铜基复合材料是由以下重量配比的材料组成：0.5-4%铋，0.5-4%碳化钨，0.05-0.6%稀土钇，0.5-2.5%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质。本发明材料通过制备合金粉、配料、混合、真空热压烧结的制备方法制成，采用真空热压烧结工艺，具有一次烧结成型、工艺简单的优点，且制备的材料致密度高，综合性能优异。本发明以铜为基体，主要原材料资源丰富，材料的导电导热性、抗熔焊性、抗电弧烧蚀、抗氧化性及耐磨性可与银基电接触材料相媲美，能满足电触头等制件对材料的基本要求。

Description

一种铜基电接触复合材料及其真空热压工艺
技术领域
本发明涉及一种中低压电器开关用的铜基电接触复合材料，特别涉及采用真空热压烧结工艺制备铜基电接触复合材料的方法。
背景技术
弱电接触元件是仪器仪表的关键部件，对仪器仪表的寿命和工作可靠性起着重要作用，为了保证弱电触头工作可靠性，国内外普遍采用贵金属银及其合金材料制作。近年来，为了减少银金属的损耗，人们不断寻求新的节银、代银技术途径。铜的电和导热性质上与银最相近，所以，铜是作为导电材料, 代替银的最合适元素，但是铜作为电接触材料的主要障碍在于铜基材料表面在大气环境条件下容易氧化, 且其氧化物（CuO和Cu2O）具有很低的电导率，急剧增大了元件的接触电阻，使材料在使用中容易发热, 直接影响电开关的工作可靠性和寿命，使铜及一般的铜合金难于作为接触材料应用。另外，一般铜合金尚不能满足电触头元件综合电性能方面的要求。目前已有的铜-石墨复合导电材料因电接触表面存在较严重的氧化问题，所以其应用得到限制，仅在真空开关控制电路中得到成功应用。由于低压开关较小的开关力，这使电触头表面生成的氧化膜不易被破坏，由于其的存在，使接触元件导电性恶化。另外，现在的银触头中主要添加金属镉作为低熔点组元，以提高抗熔焊性等性能，但镉组元有很大的毒性，国际上已经禁止使用。
公开号为CN104103434的中国发明专利公开了一种低压电器用铜基电接触复合材料及其温压成形工艺，其组成为：0.5-4%铋，0.5-4%碳化钨，0.05-0.8%富镧混合稀土，0.02-1%硬脂酸锌，其余为铜及其它不可避免的杂质。上述材料虽然具有良好的导电导热性、抗熔焊性和抗氧化性，但是其抗电弧侵蚀和导电性以及综合性能有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种价格低廉、资源丰富、导电率及导热率高、接触电阻低且稳定、抗熔焊性能佳、抗氧化性能及力学性能良好、并易加工制备的铜基电接触复合材料，以替代原材料价格高的银基点接触材料。本发明的另一目的在于提供上述材料的一种制备成型方法。
本发明是通过以下措施来实现的：
本发明的一种铜基电接触复合材料，是由以下重量百分比的材料组成，0.5-4%铋，0.5-4%碳化钨，0.05-0.6%稀土钇，0.5-2.5%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质。
本发明的一种铜基电接触复合材料，其优选组成为：2%铋、2%碳化钨、0.2%钇、1%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质。
本发明的一种铜基电接触复合材料及其真空热压工艺，其具体步骤为：
（1）首先，将稀土钇和铜制成钇含量为0.05-0.6%的钇-铜合金粉，按照所述成分配比，将粒度为100-400目的铜-钇合金粉、铋粉、碳化钨粉、氧化钇粉进行球磨混粉1-3小时，球磨机转速为每分钟150-300转。
（2）将上述混合均匀的粉末进行真空热压烧结。压力为20-50MPa，烧结温度为750-950℃，保温时间为1-3小时。在达到预定的温度时施加压力，当降温到300-500℃时卸压。升温速率为5-15℃/min，冷却到200℃后取样。整个烧结过程保持炉内真空度低于1×10-2Pa。
本发明的制备方法中，球磨所用料球为刚玉球，球料比为15:1。
本发明选用铜作为材料基体，金属铜与银相比价格低廉，且资源较丰富，其导电导热性、抗熔焊性、电流蚀及耐磨性均可与银媲美，能满足电接触材料基体的要求。考虑到接触材料力学性能、综合接触电性能等要求，在铜基体中添加了适量的碳化钨、氧化钇等组元，以提高材料的抗熔焊性等电性能，并获得良好的耐磨性，添加稀土钇以改善抗氧化性能，添加铋以改善材料的抗电弧烧蚀性。
本发明的铜基电接触复合材料主要应用于中低电负载的电源开关、继电器、直流接触器、空气开关等低压电器中。本发明材料的抗熔焊性能强，耐氧化性能、灭弧性能好，耐磨性能良好，电接触性能和银基电接触材料相近，是低中压开关中常用的银合金电接触材料的廉价替代品。采用本发明的真空热压烧结制备方法制备的上述复合材料，材料的致密度高，材料具有优良的电性能和力学性能，且制备工艺简单，可以一次烧结成型。
具体实施方式
实施例1：
本实施：例材料的组成重量配比为：2%铋，2%碳化钨，0.05%稀土钇，1%氧化钇，余量为铜。
按照组成配比和制备工艺步骤，首先，将稀土钇和铜制成钇含量为0.05%、粒度为100-400目的铜-钇合金粉，再加入粒度为200目的铋粉进行球磨混合，球磨时间为2小时，球磨所用料球为的玛瑙球，球料比为15:1；然后加入2%的碳化钨和1%的氧化钇进行机械混粉；混合均匀后用真空热压炉烧结成型，压制压力为20MPa，烧结温度为800℃，保温时间为2小时。在达到最高温度时施加压力，降温到400℃时卸压。升温速率在400℃前为10℃/min，400℃后为5℃/min，冷却到200℃后取样。整个烧结过程保持炉内真空度低于1×10-2Pa。经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：致密度99.38%；电阻率 2.59μΩ•cm；硬度55（HB）；400℃大气环境条件下氧化20h的氧化增重 1.60mg/cm2(纯铜的为5mg/cm2)。
实施例2：
本实施例材料的组成重量配比为：2%铋，2%碳化钨，0.2%稀土钇，1%氧化钇，余量为铜。
按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热压烧结。经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：致密度99.43%；电阻率 2.70μΩ.cm；硬度61（HB）；400℃大气环境条件下氧化20h的氧化增重 1.18mg/cm2(纯铜的为5mg/cm2)。
实施例3：
本实施例材料的组成重量配比为：2%铋，2%碳化钨，0.6%稀土钇，1%氧化钇，余量为铜。
按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热压烧结。经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：致密度99.26%；电阻率 3.40μΩ.cm；硬度65（HB）；400℃大气环境条件下氧化20h的氧化增重 1.76mg/cm2(纯铜的为5mg/cm2)。
实施例4：
本实施例材料的组成重量配比为：2%铋，4%碳化钨，0.2%稀土钇，1%氧化钇，余量为铜。
按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热压烧结。经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：致密度98.56%；电阻率 3.60μΩ.cm；硬度70（HB）；400℃大气环境条件下氧化20h的氧化增重 1.95mg/cm2(纯铜的为5mg/cm2)。
实施例5：
本实施例材料的组成重量配比为：2%铋，2%碳化钨，0.2%稀土钇，2%氧化钇，余量为铜。
按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热压烧结。经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：致密度99.02%；电阻率 3.25μΩ.cm；硬度63（HB）；400℃大气环境条件下氧化20h的氧化增重 1.36mg/cm2(纯铜的为5mg/cm2)。
实施例6：
本实施例材料的组成重量配比为：2%铋，2%碳化钨，0.2%稀土钇，1%氧化钇，余量为铜。
按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉。混合均匀后同样用真空热压炉烧结成型，压制压力为20MPa，烧结温度为800℃，保温时间为1小时。其余制备工艺步骤及参数均与实施例1相同。经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：致密度97.52%；电阻率 3.56μΩ.cm；硬度56（HB）；400℃大气环境条件下氧化20h的氧化增重 2.16mg/cm2(纯铜的为5mg/cm2)。
实施例7：
本实施例材料的组成重量配比为：2%铋，2%碳化钨，0.2%稀土钇，1%氧化钇，余量为铜。
按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉。混合均匀后同样用真空热压炉烧结成型，压制压力为20MPa，烧结温度为950℃，保温时间为2小时。其余制备工艺步骤及参数均与实施例1相同。经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：致密度99.50%；电阻率 2.65μΩ.cm；硬度55（HB）；400℃大气环境条件下氧化20h的氧化增重 1.26mg/cm2(纯铜的为5mg/cm2)。

Claims (7)

1.一种铜基电接触复合材料及其真空热压工艺。
2.根据权利要求1所述一种铜基电接触复合材料，其特征在于以下重量百分比的材料组成：0.5-4%铋，0.5-4%碳化钨，0.05-0.6%稀土钇，0.5-2.5%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述一种铜基电接触复合材料，其优选组成为：2%铋，2%碳化钨，0.2%稀钇土，1%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述一种铜基电接触复合材料及其真空热压工艺，其特征在于采用以下步骤：
（1）首先，将稀土钇和铜制成钇含量为0.05-0.6%的铜-钇合金粉，按照所述成分配比，将粒度为100-400目的铜-钇合金粉、铋粉、碳化钨粉、氧化钇粉进行球磨混粉1-3小时，球磨机转速为每分钟150-300转；
（2）将上述混合均匀的粉末进行真空热压烧结，压力为20-50MPa，烧结温度为750-950℃，保温时间为1-3小时，在达到预定温度时施加压力，当降温到300-500℃时卸压，升温速率为5-15℃/min，冷却到200℃后取样，整个烧结过程保持炉内真空度低于1×10-2Pa。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述的铜-钇合金粉采用100-200目的粒度。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中，所述的球磨机采用高能行星式球磨机，且所用料球为刚玉球，球料比为15:1。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中，所述的压制压力为20-50MPa，烧结温度为750-950℃，保温时间为1-3小时。
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