CN117840418A - 三明治结构铜基触头材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治结构铜基触头材料的制备方法，步骤包括：步骤1、称取Cu粉末与X粉末，Cu粉末质量百分比为30％‑60％，余量为X粉末；将Cu粉末与X粉末除油及干燥，进行高能球磨，制得Cu‑X复合粉末；步骤2、重新称取Cu粉末，堆叠Cu粉末与Cu‑X复合粉末并平铺于冷压模具中；将冷压模具放入压力机中，冷压成型得到冷压样块体；将冷压样块体放入管式炉中，真空退火，得到三明治结构预制体；步骤3、将三明治结构预制体置入石墨模具，将石墨磨具放入SPS烧结炉中；抽真空烧结，制得三明治结构铜基触头材料。本发明的方法，加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于电触头制备技术领域，涉及一种三明治结构铜基触头材料的制备方法。
背景技术
触头材料是继电器、断路器、接触器等开关电器中重要的接触元件，主要负责电路分断及电流负载，其性能、质量和寿命直接影响设备运行的可靠性。铜基合金以其优异的导电、导热、力学和耐电弧侵蚀性能，在各类中高压断路器领域应用广泛。
然而，传统的粉末冶金法和熔炼法制备的铜基合金，其组织中第二相多以离散或骨架结构随机分布于铜基体中，当第二相含量较高时会严重降低触头的导电、导热和力学性能。特别是多次开断后，反复的电弧侵蚀导致触头表面产生明显的偏析，严重降低触头的服役寿命，制约了其作为电接触材料在高压及特高压断路器中的应用。因此，亟需研究开发一种具有新型组织结构的铜基复合材料，以提高铜基触头的电接触性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种三明治结构铜基触头材料的制备方法，解决了现有技术的铜基复合材料组织结构所限，导致铜基触头的电接触性能不可靠、使用寿命短的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种三明治结构铜基触头材料的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、制备Cu-X复合粉末，X表示第二相，
称取Cu粉末与X粉末，质量合计为100％，其中Cu粉末的质量百分比为30％-60％，余量为X粉末；将Cu粉末与X粉末先进行除油再干燥处理，随后加入研磨介质，在氮气保护下进行高能球磨，制得Cu-X复合粉末；
步骤2、制备三明治结构预制体，
重新称取Cu粉末，分别一层一层堆叠Cu粉末与Cu-X复合粉末并平铺于冷压模具中；再将冷压模具放入压力机中，设置冷压成型参数，冷压成型得到冷压样块体；随后将冷压样块体放入管式炉中，在真空条件下退火，得到三明治结构预制体；
步骤3、利用等离子热压烧结法(SPS)，制备三明治结构铜基触头材料，
将三明治结构预制体置入石墨模具，将石墨磨具放入SPS烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺；运行工艺直至烧结结束，制得三明治结构铜基触头材料。
本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明方法制备的三明治结构铜基触头材料，第二相成分和三明治结构厚度可控，可在触头基体中形成贯通的铜导电通路，同时三明治结构中的Cu-X复合层，可显著延缓由反复电弧侵蚀造成的表面偏析过程，增强触头的导电、导热、力学和耐电弧侵蚀性能，延长铜基触头的服役寿命。本发明制备的三明治结构铜基触头材料在保证使役性能的同时，其制备过程具有加热均匀，升温速度快，烧结温度低，烧结时间短，生产效率高等优势，实现批量化大规模生产，对实际应用有较强的指导意义。
具体实施方式
本发明三明治结构铜基触头材料的制备方法，在铜基触头材料中的第二相(X)为Cr、W、Mo中的一种，按照以下步骤实施：
步骤1、制备Cu-X复合粉末，X表示第二相，
称取Cu粉末与X粉末，质量合计为100％，其中Cu粉末的质量百分比为30％-60％，余量为X粉末；将Cu粉末与X粉末先进行除油再干燥处理，随后加入研磨介质，研磨介质为铜、铬、钨、钼球中的一种，控制球料比为10-20：1，加入无水乙醇，设置转速为900r/min，在氮气保护下进行高能球磨，制得Cu-X复合粉末；
步骤2、制备三明治结构预制体，
重新称取Cu粉末，按照单层的Cu-X复合粉末与Cu粉末质量比为1-3：1，分别一层一层堆叠Cu粉末与Cu-X复合粉末并平铺于直径为38mm的冷压模具中；再将冷压模具放入压力机中，设置冷压成型参数(冷压成型的压力30-50MPa并保压10min)，冷压成型得到冷压样块体；随后将冷压样块体放入管式炉中，在真空条件下退火，退火温度为400-600℃，保温时间为0.5-2h，得到三明治结构预制体；
步骤3、利用等离子热压烧结法(SPS)，制备三明治结构铜基触头材料，
将三明治结构预制体置入直径为40mm的石墨模具，将石墨磨具放入SPS烧结炉中，抽真空并输入烧结工艺，分别设定烧结压力、烧结温度、升温速率和保压时间，(SPS参数设置：烧结压力40-90MPa，烧结温度为900-1100℃，升温速率为20-60℃/min，保压时间为20-60min)；运行工艺直至烧结结束，制得三明治结构铜基触头材料。
实施例1
制备三明治结构Cu-Cr触头材料，包括以下步骤：
步骤1、分别称取30g的Cu粉末和60g的Cr粉末，分别进行除油后，再分别用去离子水清洗，各自放入烘箱并在50℃条件下烘干；
将Cu粉末和Cr粉末放入高能球磨罐中，加入铬球作为研磨介质，并控制球料比10：1，加入无水乙醇，设置转速为900r/min，在氮气保护下进行高能球磨，制得Cu-Cr复合粉末；
步骤2、重新称取30g的Cu粉末，进行除油后，用去离子水清洗，放入烘箱并在50℃条件下烘干；将烘干的Cu-Cr复合粉末平均分成30份且每份3g，将本步骤烘干的Cu粉末平均分成30份且每份1g；
将得到的一份Cu粉末平铺于直径为38mm的冷压模具中，随后将一份Cu-Cr复合粉末平铺于Cu粉末之上；反复重复，向上层层叠加，总共将30份Cu粉末和30份Cu-Cr复合粉末交错平铺于直径为38mm的冷压模具中；将冷压模具放入压力机中，随后在30MPa压力下保压10min，冷压成型为冷压样块体；
将得到的冷压样块体放入管式炉中，设置温度为500℃，保温1h，在真空条件下退火，得到三明治结构预制体。
步骤3、将退火后的三明治结构预制体，置入直径为40mm的石墨模具中，再将该石墨模具放入SPS烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺，其中烧结压力为80MPa，烧结温度为950℃，升温速率为50℃/min，保温保压时间为40min；运行工艺直至烧结结束，制得三明治结构Cu-Cr触头材料。
本实施例制备的成品，密度为7.93g/cm3，电导率为29％IACS，硬度为85HB，完全符合相关技术要求。
实施例2
制备三明治结构Cu-W触头材料，包括以下步骤：
步骤1、分别称取30g的Cu粉末和60g的W粉末，分别进行除油后，再分别用去离子水清洗，各自放入烘箱并在50℃条件下烘干；
将Cu粉末和W粉末放入高能球磨罐中，加入钨球作为研磨介质，并控制球料比20：1，加入无水乙醇，设置转速为900r/min，在氮气保护下进行高能球磨，制得Cu-W复合粉末；
步骤2、重新称取30g的Cu粉末，进行除油后，用去离子水清洗，放入烘箱并在50℃条件下烘干；将烘干的Cu-W复合粉末平均分成30份且每份3g，将烘干的Cu粉末平均分成30份且每份1g；将得到的一份Cu粉末平铺于直径为38mm的冷压模具中，随后将得到的一份Cu-W复合粉末平铺于Cu粉末之上；反复重复，总共将30份Cu粉末和30份Cu-W复合粉末交错平铺于直径为38mm的冷压模具中；再将冷压模具放入压力机中，随后在50MPa压力下保压10min，冷压成型为冷压样块体；
然后，将得到的冷压样块体放入管式炉中，设置温度为600℃，保温1.5h，在真空条件下退火，得到三明治结构预制体；
步骤3、将退火后的三明治结构预制体，置入直径为40mm的石墨模具中，再将该石墨模具放入SPS烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺，其中烧结压力为90MPa，烧结温度为1070℃，升温速率为30℃/min，保温保压时间为60min；运行工艺直至烧结结束，制得三明治结构Cu-W触头材料。
本实施例制备的成品，密度为12.12g/cm3，电导率为58％IACS，硬度为122HB，完全符合相关技术要求。
实施例3
三明治结构Cu-Mo触头材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、分别称取30g的Cu粉末和60g的Mo粉末，分别进行除油后，再分别用去离子水清洗，各自放入烘箱并在50℃条件下烘干；
将Cu粉末和Mo粉末放入高能球磨罐中，加入钨球作为研磨介质，并控制球料比15：1，加入无水乙醇，设置转速为900r/min，在氮气保护下进行高能球磨，制得Cu-Mo复合粉末；
步骤2、重新称取30g的Cu粉末，进行除油后，用去离子水清洗，放入烘箱并在50℃条件下烘干；将烘干的Cu-Mo复合粉末平均分成30份且每份3g，将本步骤烘干的Cu粉末平均分成30份且每份1g；将得到的一份Cu粉末平铺于直径为38mm的冷压模具中，随后将得到的一份Cu-Mo复合粉末平铺于Cu粉末之上；反复重复，总共将30份Cu粉末和30份Cu-Mo复合粉末交错平铺于直径为38mm的冷压模具中；将冷压模具放入压力机中，随后在50MPa压力下保压10min，冷压成型为冷压样块体；然后，将得到的冷压样块体放入管式炉中，设置温度为550℃，保温1h，在真空条件下退火，得到三明治结构预制体。
步骤3、将退火后的三明治结构预制体，置入直径为40mm的石墨模具中，再将该石墨模具放入SPS烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺，其中烧结压力为90MPa，烧结温度为1050℃，升温速率为40℃/min，保温保压时间为60min；运行工艺直至烧结结束，制得三明治结构Cu-Mo触头材料。
本实施例制备的成品，密度为9.44g/cm3，电导率为56％IACS，硬度为162HB，完全符合相关技术要求。
本发明制备的三明治结构铜基触头材料，可用于中高压断路器中，其三明治增强结构可形成贯通的铜导电通路，提高铜基触头的电导率，增强触头的力学性能和抗电弧侵蚀性能，延长触头材料的服役寿命。
Claims (7)
1.一种三明治结构铜基触头材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、制备Cu-X复合粉末，X表示第二相，
称取Cu粉末与X粉末，质量合计为100％，其中Cu粉末的质量百分比为30％-60％，余量为X粉末；将Cu粉末与X粉末先进行除油再干燥处理，随后加入研磨介质，在氮气保护下进行高能球磨，制得Cu-X复合粉末；
步骤2、制备三明治结构预制体，
重新称取Cu粉末，分别一层一层堆叠Cu粉末与Cu-X复合粉末并平铺于冷压模具中；再将冷压模具放入压力机中，设置冷压成型参数，冷压成型得到冷压样块体；随后将冷压样块体放入管式炉中，在真空条件下退火，得到三明治结构预制体；
步骤3、利用等离子热压烧结法，制备三明治结构铜基触头材料，
将三明治结构预制体置入石墨模具，将石墨磨具放入SPS烧结炉中；抽真空并输入烧结工艺；运行工艺直至烧结结束，制得三明治结构铜基触头材料。
2.根据权利要求1所述的三明治结构铜基触头材料的制备方法，其特征在于：所述的铜基触头材料中的第二相为Cr、W、Mo中的一种。
3.根据权利要求1所述的三明治结构铜基触头材料的制备方法，其特征在于：所述的高能球磨的参数为，研磨介质为铜、铬、钨、钼球中的一种，控制球料比为10-20：1，加入无水乙醇，设置转速为900r/min。
4.根据权利要求1所述的三明治结构铜基触头材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，按照单层的Cu-X复合粉末与Cu粉末质量比为1-3：1实施堆叠。
5.根据权利要求1所述的三明治结构铜基触头材料的制备方法，其特征在于：所述的冷压成型参数为，冷压成型的压力30-50MPa并保压10min。
6.根据权利要求1所述的三明治结构铜基触头材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，退火温度为400-600℃，保温时间为0.5-2h。
7.根据权利要求1所述的三明治结构铜基触头材料的制备方法，其特征在于：所述的SPS烧结工艺的参数是，烧结压力为40-90MPa，烧结温度为900-1100℃，升温速率为20-60℃/min，保压时间为20-60min。
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