CN1159485A - 铜基粉末合金电触头材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种铜基粉末合金电触头材料，其技术特征是在铜合金中混入适量高熔点、高硬度晶体微粉，从而改变了电接触界面的导电机制。用该材料制成的电工触头，可广泛用于各类交直流接触器、继电器和空气开关等低压电器中。其实测电接触温升与银合金电触头相当，抗熔焊性能、灭弧指标、抗电弧烧损能力及电寿命均优于银合金电触头，是银合金电触头的廉价替代品。
Description
本发明提出一种低成本优性能的铜基粉沫合金电触头材料。
目前常规电触头一直延用银基合金材料，近年来，为减少银金属的消耗，人们不断寻求以铜代银的技术途经。众所周知，铜金属表面易生成氧化铜，对于抗氧化性能好的铜合金(例如铜镉合金等)，其外表面仍然不可避免生成氧化膜，特别是在电接触界面更易产生氧化，使其接触电阻越来越大并产生过高的导电温升，因而不可用于电触头材料。既使在铜合金中再添加某些抗氧化改性元素(例如石墨碳元素)也不能消除界面氧化膜的产生。目前已有的铜石墨合金电触头，因存在电接触的氧化障碍，只能用于弱电流控制电路中，而不能广泛地推广使用。由此看来，力图以静态改性方式完全消除界面氧化膜的设想是一种不可行的技术路线。
本发明的目的在于提出一种动态改性方式，采取主动攻克电接触界面导电障碍的技术路线，在合金体中混入适量改性媒质，利用电接触瞬间的自身能量，改变电接触界面的导电机制，从而大幅度降删电阻，改善电接触性能，使已知的常规铜合金转变成具有优良电接触性能的电触头材料。
上述改性媒质，系采用高熔点、高硬度的晶体微粒研磨粉。例如：碳化硼(B4C)微粉、金刚石(C)微粉和碳化硅(SiC)微粉等。
在常规铜合金中混入上述改性媒质的作用机理说明如下：适量混入改性媒质的铜合金材料，其物理性能和电性能均发生了质的变化，由于掺入的改性媒质系高熔点、高硬度晶体微粒，它不仅改善了合金表面硬度和耐电弧烧损能力，更关键的是改变了电接触界面的导电机制，硬质微粒均匀分布于合金表面，当电触头的动静界面相互接触时，由于机械压力的存在，使得分布于界面上的硬质晶体微粒相互刺穿对应界面上的金属氧化膜，从而破坏了电绝缘障碍，使得电流顺畅地通过，因为硬质微粒相互交错刺入对应接触面，使得电接触界面呈现凸凹吻合的曲面接触，变常规电触头平面点接触形式为曲面吻合点接触形式，相对增大了电流导通截面，有效地降低了接触电阻。另外合金元素(例如镉元素等)在电接触瞬间具有抗熔焊、抑制表面氧化和还原氧化铜等作用，另外做为碳化物的改性媒质，在被电弧高温分解燃烧的瞬间也产生还原氧化铜的作用，基于上述的互补改性条件，使得含有改性媒质的铜合金成为综合性能优良的电触头材料。
关于改性媒质的合理选择说明如下：就电接触界面改性机理的本质而言，凡具有高熔点、高硬度的晶体微粒材料，原则上都可充当改性媒质。本专利提出如下三种微粉磨料做为代表性改性媒质材料：
1.碳化硼(B4C)微粉：材质硬度大，混合分散性好，耐分解温度高，价格便宜，电接触改性作用好，被电弧高温分解时产生硼吸氧剂可强制接触面的氧化铜脱氧还原，清除导电障碍，进一步降低接触电阻及温升，因此碳化硼可做为铜基合金改性媒质的首选主体材料。
2.金刚石(C)微粉，材质硬度和耐分解温度最高，电接触改性作用良好，缺点是混合分散性差，易产生聚积现象，被电弧高温分解燃烧时只产生一氧化碳或二氧化碳，不产生强吸氧剂，因而对界面氧化铜的还原作用不如碳化硼，且价格昂贵，是碳化硼微粉的几十倍，因此一般可不添加，或仅微量添加，用于改性媒质的抗烧损补强。
3.碳化硅(SiC)微粉，材质硬度和耐分解温度稍低于碳化硼，价格便宜，电接触改性作用稍次于碳化硼，缺点是被电弧高温分解时析出硅元素影响电接触性能，因此不做为推荐的改性媒质材料，只特别指明为碳化硼的可替代材料。
关于铜基粉沫合金电触头材料的制造方法简要描述如下：通过称量配粉→密封混拌→压制成型→无氧烧结→精压整形→二次烧结等工艺过程，制成电触头的原料型材或触头制品。原料型材为一次产品，可供应专业生产线或生产厂再加工：通过热压挤出→切断成型→冲压精整等工艺流程，制成各类不同型号规格的电触头制品。
关于材料组分配比实施例及有关说明如下：
基本组分含量(重量％)为：碳化硼0.3-4.0％，金刚石0-0.4％，余量为已知的铜镉合金。材料基本性能：①密度：8.4(g/cm3)；②硬度：40-60(HB)；③体电阻率：2.40(μΩ·cm)。
关于碳化硼微粉系首选性阶比最佳的改性媒质。但也可用化学性质类似的碳化硅微粉代换，其改性作用不如碳化硼，特别指明可代换材料的目的在于防止发生人为故意性侵权。
关于金刚石微粉除硬度和抗分解温度略高于碳化硼外，其综合改性作用次于碳化硼微粉，且价格昂贵，一般不需添加，或只少量添加做为改性媒质的抗烧损补强。
关于已知的铜镉合金(典型含镉量1％)做为本专利推荐使用的基本组分。就理论而言，可用其它任何具有良导电性的二元或多元铜合金代换，例如：①铜镉银合金，②铜氧化镉合金，③铜锡合金，④铜锌合金，⑤铜石墨合金等。实验证明：使用①项加银铜合金电性能更优，使用②项铜氧化镉合金电性能相当，使用③-⑤项铜合金时电性能稍差。如上特别指明，其目的在于防止故意性专利侵权发生。
用该种铜合金制成的电触头，与现行的铜石墨合金电触头相比较，由于电接触界面的导电机理截然不同，接触电阻及导电温升、灭弧能力及耐烧损性能差别很大，铜石墨合金电触头仅能用于弱电流小负载的控制开关中，而本专利提出的铜基合金电触头则不仅通用于小负载控制开关，而且可用于大电流重负载的功率开关，材料成本仅比现行的铜石墨合金电触头略高，与综合性能相当的银合金电触头相比，材料成本降低十余倍，显然，该专利的技术经济价值相当可观。
该种铜基合金电触头可广泛适用于各类交直流接触器、继电器和空气开关等低压电器中，其实测电接触温升与银合金电触头相当，抗熔焊性能、灭弧指标、抗电弧烧蚀能力及工作寿命均优于银合金电触头，是银合金电触头的廉价替代品。
Claims (3)
1.一种铜基粉沫合金电触头材料，其特征在于基本组分含量(重量％)为：碳化硼微粉(B4C)0.2-4％、金刚石微粉(C)0-0.4％，余量为已知的铜镉合金。
2.如权利要求1所述的电触头材料，其特征在于：其中的碳化硼组分可用等量碳化硅代换。
3.如权利要求1所述的电触头材料，其特征在于其中的已知铜镉合金组分原则上可用其它任何具有良导电性的二元或多元铜合金代换。
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