CN1232994C - 铜基复合电接触材料 - Google Patents

Abstract

一种铜基复合电接触材料，属于新材料技术领域。组分如下：导电陶瓷1～15%，石墨0.1～3%，Mo、W之一或者其组合1～10%，Ni 0.2～4%，铜余量，重量百分比。本发明的中低压电器用铜基复合电接触材料具有良好的导电和导热性，较好的灭弧性、抗熔焊性、抗电侵蚀及抗粘结性，且具有低电阻率、温升小、性能价格比高等优点，可用于在大范围内替代现有银基材料。

Description

铜基复合电接触材料

(一)技术领域

本发明涉及一种用于中低负载领域的铜基复合电接触材料，属于电工新材料技术领域。

(二)背景技术

电触头是中低压电器的关键元件之一，在现有技术中，电接触元件制造材料以银基电接触材料为主，主要有银一金属氧化物、银基假合金、银基合金三大类。这是因为银具有高导电性、高导热性和良好的机械加工性，在大气条件下不氧化，能保持低而稳定的接触电阻等性质。但是银是一种昂贵的稀有金属，资源紧缺，而银基电接触材料中含银量高达60-95％，是电器工业中消耗银最多的领域。为了降低成本，减少银的消耗量，研究开发价格便宜，性能可靠的电接触材料具有重要意义。这方面的工作主要集中在铜基电接触材料的研究上。铜具有和银差不多的导电能力，其熔点、热容量和机械性能要高于银，因而适合用于电接触材料。不足的是金属铜在空气中保存和使用时，在氧气、水蒸气以及电弧的作用下，很容易在表面形成导电性很差的氧化层，导致接触电阻不稳定。此外金属铜的抗电烧蚀和抗熔焊能力也比较低。因此需要在铜中添加其它元素和化合物形成合金或者复合材料以改善其物化性能，使其满足中低压电器产品的要求。目前已经有多项关于铜基电接触材料的专利，如在铜中添加碳纤维、石墨、金刚石、碳化硼、镉、稀土金属、单一的氧化物和卤化物等。虽然这些方案有效的改善了铜基材料的电性能和机械性能，但是仍然没有做到触头材料抗氧化性、抗熔焊性、抗电烧蚀以及机械性能的优化组合，性能和银基材料相比还有不小差距。因此限制了铜基材料的应用范围，影响了其推广应用。

(三)发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种低电阻率、导热导电性好、抗电烧蚀和抗熔焊能力强、机械加工性好的新型铜基复合电接触材料。

本发明的铜基复合电接触材料组分如下，均为重量百分比：

导电陶瓷                    1～15％，

石墨                        0.1～3％，

Mo、W之一或其组合         1～10％，

Ni                         0.2～4％，

铜                         余量。

其中上述导电陶瓷是一种复合陶瓷化合物，其化学式为：Re_1-xA_xT_1-yC_yO_z。

Re为La，Pr，Sm，Eu，Y稀土元素的一种或者其组合。

A为Ba、Sr、Ca元素一种或者其组合，0≤x≤0.5。

T为Cu，Ni、Co、Mn、Fe过渡元素一种或者其组合。

C为Bi、Sb、Mo、W元素一种或者其组合，0≤y≤0.3。

O为氧元素，2≤z≤4。

导电陶瓷化合物利用本领域常规的高温固相反应合成，即在高温下烧结进行化合反应生成导电陶瓷化合物。也可以通过水热法、化学共沉淀法或者溶胶-凝胶法进行制备。

本发明的新型铜基复合电接触材料最佳配比(重量比)为：导电陶瓷8％，石墨1％，Mo 2％，W 1％，Ni 2％，铜86％，其中导电陶瓷组成是：La_0.6Y_0.07Sr_0.33Ni_0.55Fe_0.4W_0.05O₃。

本发明的铜基复合电接触材料可利用常规粉末冶金方法制造，其简单的工艺流程为：称取合适配比的导电陶瓷、石墨、Mo、W、Ni、Cu粉；在保护气氛下进行机械球磨混粉；混合均匀的粉末在10～150Mpa压力下压结成型；在保护气氛下，800～1050℃温度下烧结0.5～3小时；将烧结后的材料在300～500Mpa下进行复压，制得铜基复合电接触材料。此外，本材料也可以利用银基电接触材料常用的热挤压方法进行制备。

本发明采用导电陶瓷化合物作为主要添加物。导电陶瓷化合物具有电阻率小、熔点和分解温度高，硬度大，不氧化，在电弧作用下不易分解的特性。将其均匀的分散在铜基基体中，可以使制得的复合材料弥散硬化，克服金属铜硬度不够的缺点，提高材料抗电弧烧蚀和抗熔焊的能力。触头使用过程中高硬度的导电陶瓷在闭合力和瞬间电弧的作用下，可穿透触头表面的氧化物薄层，保证触头的导通性。另外由于导电陶瓷电阻率很低，使用过程中，触头温升很小，可进一步降低触头的损耗。除了导电陶瓷外，本材料还添加少量石墨、Mo、W、Ni元素。石墨与金属的附着力很低，添加石墨能提高复合材料的抗熔焊性，并且在电弧作用下可以生成还原气体一氧化碳，防止触头表面氧化。添加Mo、W金属可以提高材料硬度及耐摩擦和抗电烧蚀性，在电弧作用下氧化形成的少量MoO₃、WO₃熔点低，可以吸收燃弧能量，并能改善导电陶瓷和铜的浸润性，进一步提高触头的抗电烧蚀能力和温度特性，延长触头使用寿命。Ni可与铜形成机械性能良好的合金，减少冷态时铜的氧化率，降低触头的接触电阻，降低温升。

本发明制备的铜基复合电接触材料电阻率低，导热、导电性好，触头接触电阻小而稳定，抗氧化能力强，具有优异的抗电烧蚀和抗熔焊能力，并且价格便宜，无毒无害，加工性能良好，工艺流程简单，可以利用粉末冶金或热挤压工艺制备成型。本发明的材料不用银，可节约大量贵重金属。

中等负载下电性能试验表明本发明的电接触材料具有优异的电性能，可以和银基电接触材料相比拟。因而可以在很大范围内替代现有的银基电接触材料。

(四)具体实施方式

实施例1：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：导电陶瓷8％，石墨1％，Mo 2％，W 1％，Ni 2％，铜86％，其中导电陶瓷组成是：La_0.6Y_0.07Sr_0.33Ni_0.55Fe_0.4W_0.05O₃。

按照上述配比称取导电陶瓷粉、石墨、Mo粉、W粉、Ni粉、铜粉，在保护气氛下进行机械混磨，在100MPa压力下压制成型，然后在惰性气体保护下于980℃烧结2小时，再在400Mpa压力下复压，得到铜基复合电接触材料。

实施例2：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：导电陶瓷6％，石墨0.5％，Mo 5％，Ni 1.5％，铜87％，其中导电陶瓷组成是：La_0.6Pr_0.07Sm_0.1Ca_0.23Cu_0.35Co_0.5Bi_0.05Mo_0.1O₃。材料的制备方法同实施例1。

实施例3：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：导电陶瓷10％，石墨1％，Mo 4％，W 0.5％，Ni0.5％，铜84％，其中导电陶瓷组成是：La_0.95Eu_0.05Fe_0.25Ni_0.75O₃。材料的制备方法同实施例1。

实施例4：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：导电陶瓷5％，石墨1.5％，Mo 1.5％，W 0.5％，Ni0.5％，铜91％，其中导电陶瓷组成是：La_0.85Pr_0.05Sr_0.1Cu_0.15Mn_0.75Bi_0.1O₃。材料的制备方法同实施例1。

实施例5：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：导电陶瓷1％，石墨2％，Mo 3％，W 2％，Ni2％，铜90％，其中导电陶瓷组成是：La_0.8Sm_0.1Ca_0.1Mn_0.95W_0.05O₃。材料的制备方法同实施例1。

实施例6：

按重量百分比，铜基复合电接触材料的组成是：导电陶瓷15％，石墨0.2％，W 1％，Ni 0.8％，铜83％，其中导电陶瓷组成是：La_0.7Eu_0.1Y_0.05Ba_0.15Mn_0.45Fe_0.45Sb_0.05W_0.05O₃。材料的制备方法同实施例1。

实施例7：

如实施例1所述，所不同的是，导电陶瓷组成为：La_0.6Pr_0.07Sm_0.1Ca_0.23Cu_0.35Co_0.5Bi_0.05Mo_0.1O₃。

实施例8：

如实施例1所述，所不同的是，导电陶瓷组成为：La_0.95Eu_0.05Fe_0.25Ni_0.75O₃。

实施例9：

如实施例1所述，所不同的是，导电陶瓷组成为：La_0.85Pr_0.05Sr_0.1Cu_0.15Mn_0.75Bi_0.1O₃。

实施例10：

如实施例1所述，所不同的是，导电陶瓷组成为：La_0.8Sm_0.1Ca_0.1Mn_0.95W_0.05O₃。

用上述实施例中的方法制成的铜基复合电接触材料，加工成触头后，其密度可达8.2～8.9g/cm³，硬度40～60(HB)，电阻率2.1～3.5μΩ·cm。

Claims (1)

1.一种铜基复合电接触材料，其特征是，组分如下：导电陶瓷1～15％，石墨0.1～3％，Mo、W之一或者其组合1～10％，Ni 0.2～4％，铜余量，均为重量百分比；

所述的导电陶瓷是一种复合陶瓷化合物，其化学式为：Re_1-xA_xT_1-yC_yO_z；

Re为La，Pr，Sm，Eu，Y稀土元素的一种或者其组合；

A为Ba、Sr、Ca元素一种或者其组合，0≤x≤0.5；

T为Cu，Ni、Co、Mn、Fe过渡元素一种或者其组合；

C为Bi、Sb、Mo、W元素一种或者其组合，0≤y≤0.3；

O为氧元素，2≤z≤4。