CN1207740C - 电器触点用铜基电接触复合材料 - Google Patents

电器触点用铜基电接触复合材料 Download PDF

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本发明公开一种电器触点用铜基电接触复合材料，其成分重量百分比为：碲1.0～3.0、二硼化钛0.5～3.5、二硼化镧0.5～4.0、钒0.01～10.0、氧化锡1.0～10.0和作为余量的铜组成，二硼化钛和二硼化镧含量之和不超过4。本发明的材料中含有二硼化钛、二硼化镧、氧化锡和钒，这可降低触头的接触电阻，并使直流条件下的材料转移量降低，同时可使触头材料的持久强度提高。碲固溶于铜基体之中形成铜碲合金，可以明显提高基体的抗氧化性，使材料接触电阻低且稳定。二硼化钛和二硼化镧具有较高的导电性和强度，在相对较低的烧结温度下如900℃，与基体铜之间的界面结合强度很好，保证了开关电器的可靠性。钒会固溶于铜基体之中，材料会表现出较高的塑性。

Description

电器触点用铜基电接触复合材料
技术领域：本发明属于电工材料领域，主要是涉及低压开关电器的分断触点材料。
背景技术：众所周知，大多数低压电器触点材料都是银基合金或复合材料。尽管银基材料可保证触头的良好服役特性和电器的可靠工作，却导致了稀贵金属的大量消耗。节银和代替银触头的措施既要保证材料的质量，同时又要价格低廉，这就使人们开始尝试以铜代银。铜作为电接触材料具有许多优越的物理特性：导热性、导电性、热容性、熔点、沸点、熔化潜热和汽化潜热等指标均较高，现在已经有一些铜基触头材料较为接近于工程实际，并取得了一定的应用成果。这种材料以铜为基础材料并含有金属镉和金刚石微粉(尺寸小于2微米)，另外还含有一些碳化物形成元素，例如W、Mo、Nb、V等用以提高材料的抗电弧烧蚀性，以及合金化元素Cd、Zr、Te、La、Ce等以提高材料的抗氧化性能。近期一些专利文献中提出了加入碳化物(WC、VC、TaC等)高熔点材料，以提高基体的强度。这些材料虽然具有较高的耐电弧烧蚀性，较低的体电阻率(2.0～3.8μΩ·cm)，足够高的硬度(HB＝600～650MPa)和抗熔焊性，以及较为稳定的接触电阻，但接触电阻数值却较高，并且表面氧化剧烈，使用温升值较高。同时，在直流条件下，材料的物质转移量也较大，使触头表面易于形成微突起和凹坑，导致触头材料过早地失效。另外，由于金刚石粒子导电性差，与铜基体之间的润湿性较差，特别是在金刚石与基体的相界面上形成碳化物时，使界面结合强度降低，导致触头的持久强度较低，引起重负载(AC4)条件下触头经几个周期的循环操作后，发生快速损坏。这些都会使开关电器的可靠性降低。大量碳化物元素形成的存在，导致材料塑性降低，其与基体的结合强度也难于保证。合金化元素Cd的添加可以提高材料的抗氧化性能和自灭弧性能，但其剧毒性将使其应用受到限制。国际上对于含Cd的银基产品的生产和销售已经开始严格控制。
发明内容：本发明旨在克服现有技术的电触头材料使用寿命和可靠性低以及使用时散发有毒物质的缺陷，提供一种使用寿命和可靠性高而且不污染环境的电器触点用复合材料。本发明材料成分方案如下；以重量百分比计，碲1.0～3.0、二硼化钛0.5～3.5、二硼化镧0.5～4.0、钒0.01～10.0、氧化锡1.0～10.0、铜余量，其中二硼化钛和二硼化镧含量之和不超过4。本发明的材料中含有二硼化钛、二硼化镧、氧化锡和钒，这可降低触头的接触电阻和直流条件下的材料转移量，同时可使触头材料的持久强度提高。这种材料中含有的碲固溶于铜基体之中形成铜碲合金，可以明显提高基体的抗氧化性，使材料接触电阻低且稳定。而且与铜镉合金相比，碲对基体电阻率影响最小。氧化动力学分析与电阻率测试表明，铜碲合金的综合性能更优，可以代替有毒性的铜镉合金。与金刚石相比，添加的二硼化钛和二硼化镧具有较高的导电性和强度，在相对较低的烧结温度下(如900℃)，与基体铜之间的界面结合强度很好，因此触头机械强度上升，尤其是循环载荷作用下的材料持久强度升高，保证了开关电器的可靠性。除此之外，上述材料中所添加的难熔金属元素钒会固溶于铜基体之中，且在铜基体中的分散系数较大，因此在冲击载荷条件下，材料会表现出较高的塑性。氧化锡的添加主要是增强材料的自灭弧能力。氧化锡在电弧作用下分解时，可以在1270K裂解为电离能极高的氧化亚锡多分子链，吸收大量的电弧能量，从而起到促进电弧熄灭的作用。它与碲共同作用，完全可以替代有毒性的金属镉。
利用粉末冶金法可将上述材料制备成触头件。将上述添加组元粉末按一定配比混合；然后将混合粉末压制成坯料并进行烧结；然后再施压，目的是提高材料密度；最终采用退火以消除应力和优化组织。利用本发明所制备出的触头件性能指标如下：密度：8.3～8.8g/cm3；硬度：HB650～800MPa；电阻率：2.3～3.6μΩ·cm；
按上述方法制备出的触头件与标准的触头标样在专用测试台架上进行对比实验，测试交流条件下的电磨损量、出现工作层时触头表面的接触压降U，详细数据列于表1之中(对比样用X表示)。试验条件为：I＝30A，U＝380V，cos＝0.8，开/关循环次数为10000次。电压降为30次测试的平均值。电磨损量为触头对磨损量的平均值。
                             表1  不同组分的电触头材料性能列表
序号                    添加组元(重量百分比)   电磨损量克/106次   接触压降mV
    Te     SnO2     V     LaB2     TiB2
  1     2.1     8.0     无     无     无   15.2   650
  2     1.9     6.0     3.0     1.0     1.2   11.1   540
  3     1.4     4.0     4.0     0.5     1.5   9.9   520
  4     1.4     2.0     2.0     0.5     2.0   8.6   490
  5     0.4     12.0     无     无     无   21.3   680
  6     1.8     1.0     1.0     1.0     1.5   10.0   470
  7     0.8     1.5     无     无     无   16.2   760
  8     2.6     无     0.01     无     无   15.1   1210
  9     1.7     0.5     0.5     0.5     2.5   11.7   530
  10     3.1     无     7.0     无     3.0   10.8   640
  11     1.2     2.0     5.0     无     无   14.8   700
  12     1.5     1.0     6.0     4.5     无   27.5   920
  13     4.2     无     8.0     无     无   20.9   840
  14     0.6     无     无     无     3.0   16.0   810
  15     0.8     2.0     2.0     2.0     无   13.4   520
  16     1.4     1.0     无     无     无   14.2   580
  17     2.9     1.0     无     1.0     无   14.1   590
  18     0.8     无     无     无     0.3   20.6   740
  19     2.1     无     6.0     0.2     无   15.0   760
  20     2.1     1.0     4.0     1.0     1.0   13.3   600
  21     2.2     2.0     无     2.0     0.5   10.3   510
  22     1.8     3.0     10.0     4.0     0.5   22.7   750
  23     1.7     5.0     无     0.5     4.0   22.8   790
  24     3.2     无     无     0.5     3.5   18.2   690
  X     1.1     无     无     无     无   12.9   720
试验表明，当添加组元的含量低于上述组份含量下限时，这些组元对基体材料的服役性能没有较大贡献；而当添加组元的含量高于上述组份含量上限时，将导致触头性能的急剧恶化。与表1中对比材料相比，组元的添加可降低触头材料的接触电阻，有效提高材料的耐电弧烧蚀性和抗熔焊性，强化铜碲合金基体，还可使材料的强度保持持久。
具体实施方式一：它由碲1.0～3.0、二硼化钛0.5～3.5、二硼化镧0.5～4.0、钒0.01～10.0、氧化锡1.0～10.0和作为余量的铜组成，其成分配比是重量百分比，二硼化钛和二硼化镧含量之和不超过4。
具体实施方式二：它由碲1.0～2.0、二硼化钛0.5～2、二硼化镧0.5～2.5、钒0.01～5.0、氧化锡1.0～5.0和作为余量的铜组成，其成分配比是重量百分比，二硼化钛和二硼化镧含量之和不超过4。
具体实施方式三：它由碲2.1～3.0、二硼化钛2.1～3.5、二硼化镧2.6～4.0、钒5.1～10.0、氧化锡5.1～10.0和作为余量的铜组成，其成分配比是重量百分比，二硼化钛和二硼化镧含量之和不超过4。
具体实施方式四：它由碲1.4、二硼化钛2.0、二硼化镧0.5、钒2.0、氧化锡2.0和作为余量的铜组成，其成分配比是重量百分比。本实施方式为最佳实施方式，利用本实施方式制备出的触头件与对比样件在直流条件下的耐烧蚀和物质转移量实验如表2所示，对比样件成分的重量百分比是铜为98.9、碲为1.1，试验条件为：I＝100A，U＝400V，开/关循环次数为10000次，(+)表示质量增加，(一)表示质量减少。
           表2  本实施方式的材料和对比材料在直流条件下性能对比
材料       闭合磨损量克/百万次       断开磨损量克/百万次
  动触头-阳极   静触头-阴极   动触头-阳极   静触头-阴极
  对比材料   +4.1   -4.9   -1.2   -4.4
  发明材料   +0.2   -0.3   -0.5   -1.6
由表中可见，本发明所提出的触头材料的磨损量相对于对比材料极低，从而证明本发明的本材料具有较高的耐电弧烧蚀性，工作面接触压降(即接触电阻)较低，直流条件下的电物质转移量极低。试验结果表明，与对比样相比，本发明所提供的触头材料可提高电器开关的可靠性和使用寿命。

Claims (4)

1、一种电器触点用铜基电接触复合材料，其特征是它由碲1.0～3.0、二硼化钛0.5～3.5、二硼化镧0.5～4.0、钒0.01～10.0、氧化锡1.0～10.0和作为余量的铜组成，其成分配比是重量百分比，二硼化钛和二硼化镧含量之和不超过4。
2、根据权利要求1所述的电器触点用铜基电接触复合材料，其特征是它由碲1.0～2.0、二硼化钛0.5～2、二硼化镧0.5～2.5、钒0.01～5.0、氧化锡1.0～5.0和作为余量的铜组成，其成分配比是重量百分比。
3、根据权利要求1所述的电器触点用铜基电接触复合材料，其特征是它由碲2.1～3.0、二硼化钛2.1～3.5、二硼化镧2.6～4.0、钒5.1～10.0、氧化锡5.1～10.0和作为余量的铜组成。
4、根据权利要求1所述的电器触点用铜基电接触复合材料，其特征是它由碲1.4、二硼化钛2.0、二硼化镧0.5、钒2.0、氧化锡2.0、铜为余量，其成分配比是重量百分比。
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