EP0349515A2 - Matériau composite à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités, procédés de fabrication de ce matériau et organe de contact s'en composant - Google Patents

Matériau composite à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités, procédés de fabrication de ce matériau et organe de contact s'en composant Download PDF

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EP0349515A2
EP0349515A2 EP89870101A EP89870101A EP0349515A2 EP 0349515 A2 EP0349515 A2 EP 0349515A2 EP 89870101 A EP89870101 A EP 89870101A EP 89870101 A EP89870101 A EP 89870101A EP 0349515 A2 EP0349515 A2 EP 0349515A2
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copper
composite material
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reinforcing component
electric contacts
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Armand Davin
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/025—Composite material having copper as the basic material

Definitions

  • the present invention relates to copper-based composite materials for highly stressed electrical contacts. It also relates to methods of manufacturing such materials, as well as to highly stressed electrical contact members produced from this composite material.
  • the electrical contact members must have not only a high electrical conductivity, but also good mechanical resistance, in particular to compression, both at ambient temperature and at high temperature. These conditions relate in particular to the tools used in spot welding, such as electrodes or rollers, which must at the same time admit high current densities without overheating excessively and withstanding the high pressures imposed to ensure welding.
  • the electrical contact members must have as wide a metallurgical inertia as possible with respect to the metal constituting the parts with which they are brought into contact. Spot welding of bare steel sheets does not pose any major problems in this regard. On the other hand, in the increasingly frequent case of welding of galvanized sheets, there is a diffusion of zinc in the copper alloy; this leads to rapid degradation of the contact member as a result of the formation, at the end of this member, of various copper-zinc alloys whose electrical conductivity is poor and whose mechanical properties are poor.
  • copper alloys have long been used containing small amounts of certain hardening elements, in particular cadmium, chromium or zirconium.
  • the mechanical resistance of these alloys at room temperature is increased compared to that of pure copper, either thermally, namely by precipitation hardening, or mechanically, namely by work hardening.
  • the mechanical resistance when hot is poor, however, and the electrical conductivity is significantly reduced by the presence of the hardening elements.
  • these alloys are very sensitive to the degradation resulting from the diffusion of zinc during the assembly by resistance of galvanized sheets.
  • Copper alloys hardened by dispersion of inert oxides such as zinc or aluminum oxides are also known. These alloys are manufactured by fusion, atomization in powder, internal oxidation of powders, consolidation by extrusion and cold work hardening by drawing.
  • the alumina dispersion guarantees remarkable stability of the mechanical properties when hot.
  • the electrical conductivity of this alloy is however lower than that of copper.
  • this type of material does not provide a remedy for the problem of contamination of the contact member by zinc from a galvanized sheet.
  • the object of the present invention is to provide alloys and composite materials based on copper which do not have the aforementioned drawbacks in terms of mechanical, electrical and metallurgical properties. Another object of the invention is to propose methods of manufacturing these alloys and these composite materials. Finally, the present invention also relates to a method for improving the metallurgical inertia of a copper contact member with respect to zinc or a zinc alloy originating from a galvanized part.
  • a copper-based composite material for highly stressed electrical contacts is characterized in that it contains at least one reinforcing component dispersed in the copper matrix.
  • the reinforcement component can take various forms; a composite material according to the invention may moreover contain several reinforcing elements and / or components having different shapes.
  • this reinforcing component can consist of one or more oxides stable with respect to copper, such as yttrium (Y2O3) or aluminum (Al2O3) oxides, which form a dispersion hardening in the copper matrix.
  • Y2O3 yttrium
  • Al2O3 aluminum
  • the proportion of these oxides is preferably between 2% and 5% by volume, but it can be between 1 and 10% by volume without departing from the scope of the invention; these latter values mark markedly the limits beyond which the effects of the dispersion of oxides are no longer clearly perceptible.
  • the copper-based alloys thus hardened by oxide dispersion have a high resistance to recrystallization, a high mechanical resistance to hot, as well as a very high electrical conductivity, close to that of pure copper.
  • this reinforcing component can consist of one or more elements poorly soluble in copper, such as chromium and zirconium, which give rise to additional hardening by precipitation.
  • this reinforcing component can be constituted by short fibers, made of materials stable with respect to copper, distributed in the copper matrix, such as fibers of Al2O de or silicon carbide (Sic).
  • fibers By short fibers is meant fibers whose diameter is not greater than 50 ⁇ m and whose length is between 0.1 and 2 mm.
  • the proportion of these short fibers in the composite material is between 5 and 25% by volume to ensure high mechanical strength, both at room temperature and at high temperature, as well as very good electrical conductivity.
  • a preferential proportion of 12 to 20% by volume has proved particularly favorable for obtaining a high metallurgical inertia of the composite material with respect to zinc.
  • a composite material according to the invention can contain at the same time a dispersion of oxides and short fibers in a copper matrix.
  • the composite material thus benefits from the combination of hardening of the copper matrix by dispersion of oxides and of its reinforcement by short fibers.
  • the composite materials which have just been described are preferably produced by particular methods which constitute another aspect of the present invention.
  • a mechanical alloy of a copper powder or copper alloy and of at least one reinforcing component is produced.
  • mechanical alloy is meant here the mixture of constituents in the solid state in any suitable device, for example a ball mill or a vibrating mill, for a sufficient time to ensure dispersion.
  • the mixing time is advantageously between 1 h and 48 h, preferably between 4 and 24 h, depending on the particle size of the initial powders.
  • the mixture thus obtained is preferably consolidated by hot extrusion, then stretched for the manufacture of electrical contact members.
  • the principle of mechanical alloying is also applicable; in this case, however, a mixer is used instead of a grinder, so as not to destroy the short fibers.
  • a molten charge of copper or copper alloy is prepared, oxides and / or short fibers are added to it in an appropriate quantity, the molten bath is stirred to ensure the dispersion of said components and said charge is poured into ingots which are then rapidly solidified. In general, the ingots are then extruded and optionally drawn.
  • the copper-based composite materials according to the present invention have excellent mechanical resistance, both at ambient temperature and at high temperature, as well as an extremely high electrical conductivity, often close to that of pure copper.
  • the metallurgical inertia of these materials is also very good, which prolongs their life in appreciable proportions.
  • a major advantage lies in the fact that they make it possible to choose, independently of one another, the copper-based matrix and the reinforcing elements and / or components.
  • the mixture was ground for 24 h in an attritor with carbide balls, under scanning of argon.
  • the quantity of beads used was 10 kg for 2 kg of copper powder; the argon was of the quality known as "welded argon" known under the name N39.
  • the ground powder was poured into copper containers with an outside diameter of 80 mm and a wall thickness of 5 mm; these are closed by copper plugs to maintain the filling.
  • the containers are preheated to 800 ° C for 1 hour in an air oven and extruded with a liner of bars of approximately 13 mm in diameter. After extrusion and at room temperature, the diameter of the bars is 13 mm. The bars were then subjected to cold deformation by shrinking, in 6 passes, causing a reduction in section of about 48%.
  • the resistance of the material to recrystallization was determined by hardness measurements after exposure for 1 h at various temperatures up to 760 ° C.
  • the hardness of the material amounted, after exposure for 1 h at 760 ° C, to 64 Rb.
  • the hardness of a conventional copper alloy C 18200 (Cu - 1% Cr) was only 10 Rb.
  • Example 1 Copper powders and short SiC fibers, 12% by volume, were mixed for 8 h in a vibrating mill. The mixture obtained was consolidated by extrusion and then cold-worked under the same conditions as in Example 1. The thermal stability of the bars obtained was determined as in Example 1.

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Abstract

Matériau composite à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités, contenant au moins un composant de renforcement dispersé dans la matrice du cuivre. Ce composant de renforcement comprend un ou plusieurs oxydes stables vis-à-vis du cuivre, tels que Al2O3 et Y2O3, qui forment de préférence une dispersion durcissante dans la matrice du cuivre. Le composant de renforcement peut également comprendre des fibres courtes constituées de substances stables vis-à-vis du cuivre, telles que Al2O3 et SiC. La teneur en oxydes est comprise entre 1 % et 10 % en volume; la proportion desdites fibres courtes est comprise entre 5 % et 25 % en volume.

Description

  • La présente invention concerne des matériaux composites à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités. Elle porte également sur des procédés de fabrication de tels matériaux, ainsi que sur des organes de contact électrique fortement sollicités réalisés à partir de ce matériau composite.
  • On sait que le cuivre et les alliages de cuivre sont les métaux le plus largement utilisés pour la fabrication d'éléments conducteurs de l'électricité, à cause précisément de leur excellente conductibilité électrique et aussi de leur prix de revient relativement modéré.
  • Dans de nombreuses applications, les organes de contact électrique doivent présenter non seulement une conductibilité électrique élevée, mais également une bonne résistance mécanique, en particulier à la compression, aussi bien à la température ambiante qu'à haute température. Ces conditions concernent notamment les outils utilisés dans la soudure par points, tels que les électrodes ou les roulettes, qui doivent en même temps admettre de fortes densités de courant sans s'échauffer exagérément et supporter les pressions élevées imposées pour assurer la soudure.
  • De plus, les organes de contact électrique doivent présenter une inertie métallurgique aussi large que possible à l'égard du métal constituant les pièces avec lesquelles ils sont mis en contact. La soudure par points de tôles d'acier nues ne pose à cet égard pas de problèmes majeurs. En revanche, dans le cas de plus en plus fréquent de la soudure de tôles galvanisées, il se produit une diffusion de zinc dans l'alliage de cuivre; cela conduit à une dégradation rapide de l'organe de contact par suite de la formation, à l'extrémité de cet organe, de divers alliages cuivre-zinc dont la conductibilité électrique est mauvaise et dont les propriétés mécaniques sont médiocres.
  • Pour la fabrication d'organes de contact électrique fortement solli­cités tels que ceux qui viennent d'être mentionnés, on utilise depuis longtemps des alliages de cuivre contenant de faibles quantités de certains éléments durcissants, notamment le cadmium, le chrome ou le zirconium. La résistance mécanique de ces alliages à la température ambiante est augmentée par rapport à celle du cuivre pur, soit par voie thermique, à savoir par durcissement par précipitation, soit par voie mécanique, à savoir par écrouissage. La résistance mécanique à chaud est cependant médiocre, et la conductibilité électrique est sensiblement réduite par la présence des éléments durcissants. Enfin, ces alliages sont très sensibles à la dégradation résultant de la diffusion de zinc lors de l'assemblage par résistance de tôles galvanisées.
  • On connaît également des alliages de cuivre durcis par dispersion d'oxydes inertes tels que des oxydes de zinc ou d'aluminium. Ces alliages sont fabriqués par fusion, atomisation en poudre, oxydation interne des poudres, consolidation par extrusion et écrouissage à froid par étirage. La dispersion d'alumine garantit une remarquable stabilité des propriétés mécaniques à chaud. La conductibilité élec­trique de cet alliage est cependant plus faible que celle du cuivre. De plus, ce type de matériau n'apporte pas de remède au problème de la contamination de l'organe de contact par le zinc provenant d'une tôle galvanisée.
  • La présente invention a pour objet de proposer des alliages et des matériaux composites à base de cuivre qui ne présentent pas les incon­vénients précités en matière de propriétés mécaniques, électriques et métallurgiques. Un autre objet de l'invention est de proposer des pro­cédés de fabrication de ces alliages et de ces matériaux composites. Enfin, la présente invention porte également sur un procédé pour améliorer l'inertie métallurgique d'un organe de contact en cuivre à l'égard du zinc ou d'un alliage de zinc provenant d'une pièce galvanisée.
  • Conformément à l'invention, un matériau composite à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités, est caractérisé en ce qu'il contient au moins un composant de renforcement dispersé dans la matrice de cuivre.
  • Dans le cadre de l'invention, le composant de renforcement peut prendre diverses formes; un matériau composite conforme à l'invention peut d'ailleurs contenir plusieurs éléments et/ou composants de renforcement présentant des formes différentes.
  • Selon une première forme de réalisation, ce composant de renforcement peut être constitué par un ou plusieurs oxydes stables vis-à-vis du cuivre, tels que les oxydes d'yttrium (Y₂O₃) ou d'aluminium (Al₂O₃), qui forment une dispersion durcissante dans la matrice du cuivre.
  • La proportion de ces oxydes est de préférence comprise entre 2 % et 5 % en volume, mais elle peut être comprise entre 1 et 10 % en volume sans sortir du cadre de l'invention; ces dernières valeurs marquent sensiblement les limites au-delà desquelles les effets de la dispersion d'oxydes ne sont plus nettement perceptibles. Les alliages à base de cuivre ainsi durcis par dispersion d'oxydes présentent une résistance élevée à la recristallisation, une haute résistance mécanique à chaud, ainsi qu'une conductibilité électrique très élevée, proche de celle du cuivre pur.
  • Selon une autre forme de réalisation, ce composant de renforcement peut être constitué par un ou plusieurs éléments peu solubles dans le cuivre, tels que le chrome et le zirconium, qui donnent lieu à un durcissement supplémentaire par précipitation.
  • Selon encore une autre forme de réalisation, ce composant de ren­forcement peut être constitué par des fibres courtes, constituées de matériaux stables vis-à-vis du cuivre, réparties dans la matrice de cuivre, telles que des fibres de Al₂O₃ ou de carbure de silicium (Sic).
  • Par fibres courtes, il faut entendre des fibres dont le diamètre n'est pas supérieur à 50 µm et dont la longueur est comprise entre 0,1 et 2 mm.
  • Avantageusement, la proportion de ces fibres courtes dans le matériau composite est comprise entre 5 et 25 % en volume pour assurer une résistance mécanique élevée, tant à la température ambiante qu'à haute température, ainsi qu'une très bonne conductibilité électrique. Une proportion préférentielle de 12 à 20 % en volume s'est avérée particu­lièrement favorable à l'obtention d'une inertie métallurgique élevée du matériau composite à l'égard du zinc.
  • Comme on l'a déjà indiqué plus haut, un matériau composite conforme à l'invention peut contenir en même temps une dispersion d'oxydes et de fibres courtes dans une matrice de cuivre. Le matériau composite bénéficie ainsi de la combinaison du durcissement de la matrice de cuivre par dispersion d'oxydes et de son renforcement par les fibres courtes.
  • Les matériaux composites qui viennent d'être décrits sont de préférence réalisés par des procédés particuliers qui constituent un autre aspect de la présente invention.
  • Suivant un premier mode de mise en oeuvre, on réalise un alliage mécanique d'une poudre de cuivre ou d'alliage de cuivre et d'au moins un composant de renforcement.
  • Par alliage mécanique, on entend ici le mélange de constituants à l'état solide dans tout appareil approprié, par exemple un broyeur à boulets ou un broyeur vibrant, pendant une durée suffisante pour assurer la dispersion.
  • Dans le cas d'un alliage durci par dispersion d'oxydes, la durée de mélange est avantageusement comprise entre 1 h et 48 h, de préférence entre 4 et 24 h, selon la granulométrie des poudres initiales.
  • Le mélange ainsi obtenu est de préférence consolidé par extrusion à chaud, puis étiré en vue de la fabrication d'organes de contact électrique.
  • Pour préparer un matériau contenant des fibres courtes, le principe de l'alliage mécanique est également applicable; dans ce cas cependant, on utilise un mélangeur au lieu d'un broyeur, afin de ne pas détruire les fibres courtes.
  • Suivant un autre mode de mise en oeuvre, on prépare une charge fondue de cuivre ou d'alliage de cuivre, on lui ajoute les oxydes et/ou les fibres courtes en quantité appropriée, on agite le bain fondu pour assurer la dispersion desdits composants et on coule ladite charge en lingotins dont on provoque ensuite la solidification rapide. En général, les lingotins sont ensuite extrudés et éventuellement étirés.
  • Les matériaux composites à base de cuivre conformes à la présente invention possèdent une excellente résistance mécanique, tant à la température ambiante qu'à haute température, ainsi qu'une conductibilité électrique extrêmement élevée, souvent proche de celle du cuivre pur. L'inertie métallurgique de ces matériaux est également très bonne, ce qui prolonge leur durée de vie dans des proportions sensibles.
  • En ce qui concerne les procédés de fabrication de ces alliages et matériaux composites, conformément à l'invention, un avantage majeur réside dans le fait qu'ils permettent de choisir, indépendamment l'un de l'autre, la matrice à base de cuivre et les éléments et/ou composants de renforcement.
  • Les exemples qui suivent montrent le niveau des propriétés des matériaux conformes à l'invention.
    • Exemple 1.
  • On a mélangé 2 kg de poudre de cuivre et 30 g de poudre de Y₂O₃ pen­dant 5 h dans un mélangeur ayant la forme d'un cube mobile, de manière à créer une répartition sensiblement uniforme des particules.
  • Après cette opération, le mélange a été broyé pendant 24 h dans un attritor avec des billes de carbure, sous balayage d'argon. La quantité de billes utilisée était de 10 kg pour 2 kg de poudre de cuivre; l'argon était de la qualité dite "argon de soudure" connue sous la dénomination N39.
  • La poudre broyée a été versée dans des conteneurs en cuivre d'un diamètre extérieur de 80 mm et d'une épaisseur de paroi de 5 mm; ces derniers sont fermés par des bouchons en cuivre permettant de maintenir le remplissage.
  • Les conteneurs sont préchauffés à 800 °C pendant 1 h, dans un four à l'air, et extrudés avec chemise en barres d'environ 13 mm de diamètre. Après extrusion et à la température ambiante, le diamètre des barres est de 13 mm. Les barres ont ensuite subi une déformation à froid par rétreinte, en 6 passes, provoquant une réduction de section d'environ 48 %.
  • La résistance du matériau à la recristallisation a été déterminée par des mesures de dureté après une exposition pendant 1 h à diverses températures allant jusque 760 °C. La dureté du matériau s'élevait, après exposition pendant 1 h à 760 °C, à 64 Rb. Dans les mêmes conditions d'exposition, la dureté d'un alliage de cuivre conventionnel C 18200 (Cu - 1 % Cr) n'était que 10 Rb.
    • Exemple 2.
  • Des poudres de cuivre et des fibres courtes de SiC, à raison de 12 % en volume, ont été mélangées pendant 8 h dans un broyeur vibrant. Le mélange obtenu a été consolidé par extrusion et ensuite écroui à froid dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1. La stabilité thermique des barres obtenues a été déterminée comme dans l'exemple 1.
  • Dans ces conditions, on a observé que la dureté rémanente du matériau, après 1 h à 760 °C, était de 70 Rb.

Claims (10)

1. Matériau composite à base de cuivre pour contacts électriques fortement sollicités, caractérisé en ce qu'il contient au moins un composant de renforcement dispersé dans la matrice de cuivre.
2. Matériau composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit composant de renforcement comprend un ou plusieurs oxydes stables vis-à-vis du cuivre.
3. Matériau composite suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits oxydes forment une dispersion durcissante dans la matrice du cuivre.
4. Matériau composite suivant l'une ou l'autre des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la teneur en oxydes est comprise entre 1 et 10 % en volume.
5. Matériau composite suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit composant de renforcement comprend un ou plusieurs éléments peu solubles dans le cuivre.
6. Matériau composite suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit composant de renforcement comprend des fibres courtes constituées de substances stables vis-à-vis du cuivre.
7. Matériau composite suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la proportion desdites fibres courtes est comprise entre 5 et 25 % en volume.
8. Matériau composite suivant l'une ou l'autre des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdites fibres courtes sont constituées de Al₂O₃ et/ou de SiC.
9. Procédé de fabrication d'un matériau composite suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on réalise un alliage mécanique d'une poudre de cuivre ou d'alliage de cuivre et d'au moins un composant de renforcement, et en ce que l'on consolide le mélange obtenu en le soumettant à une opération d'extrusion à chaud.
10. Procédé de fabrication d'un matériau composite suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on prépare une charge fondue de cuivre ou d'alliage de cuivre, en ce qu'on lui ajoute le ou les composants de renforcement en quantité appropriée, en ce que l'on agite le bain fondu pour assurer la dispersion desdits composants de renforcement et en ce que l'on coule ladite charge en lingotins dont on provoque ensuite la solidification rapide.
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