CN101345141A

CN101345141A - 一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺

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Publication number: CN101345141A
Application number: CNA2008101369963A
Authority: CN
Inventors: 倪树春; 王英杰; 刘新志; 严久江; 何肖冰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2009-01-14

Abstract

本发明的目的在于提供一种高强、高导电、高导热、耐氧化、抗熔焊，耐电弧烧损、具有自润滑性能的Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料及其制备工艺。Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料由以下三层物质构成：第一层(表层)为厚度为3～1000μm的Ti₃SiC₂；第二层(基体)为铜基或银基合金；第三层(焊接层)为厚度为0.03～0.10mm钎料。本发明一种Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料，通过Ti₃SiC₂/铜(银)基合金/钎料三层结构的合理配置，以Ti₃SiC₂为表层，不但强度高，而且具备良好的导电性、导热性，抗熔焊、耐电弧烧蚀、耐腐蚀、抗热震、抗氧化尤其高温抗氧化性等优良特性。

Description

一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺

(一)技术领域

本发明涉及粉末冶金技术，具体说就是一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺。

(二)背景技术

近年来，国内外不断推出各种系列的新型塑壳式断路器和小型高分断路器，这些新型的断路器体积更小，分断能力却大幅度提高。新型断路器除了采用一系列新的限流技术以提高分断能力外，对所用电触头的抗熔焊，耐电弧烧损以及电寿命都提出了更高的要求。

目前公开的专利和正在应用的触头材料中，一类是以银为主成分的银基电触头材料，另一类是以铜为主成分的银基电触头材料。以银为主成分的银基电触头材料电性能好，成本高，但在某些工况条件下性能也不能满足高档新型电器产品的特殊要求。以铜为主成分的铜基电触头材料成本低，电性能虽能满足使用要求，但仍有待提高。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种高强、高导电、高导热、耐氧化、抗熔焊，耐电弧烧损、具有自润滑性能的Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺。

本发明的目的是这样实现的：所述的Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料由以下三层物质构成：

第一层(表层)为厚度为3～1000μm的Ti3SiC2；

第二层(基体)为铜基或银基合金；

第三层(焊接层)为厚度为0.03～0.10mm钎料。

本发明还有以下技术特征：

(1)本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的Ti3SiC2是由纯度大于93％的Ti3SiC2粉末制成，Ti3SiC2粉末粒度为0.01～50μm。

(2)本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的铜基合金为纯铜或者含有重量百分比为0.01～50％的金刚石、石墨、银、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、铝、铬、铌、锡、锌、钨、钒、氧化锡、氧化镉、氧化铟中的一种或其中几种混合。

(3)本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的银基合金为纯银或者含有重量百分比为0.01～50％的钨、钼、铜、镍、氧化镉、氧化锌、氧化锡、氧化铟、碳化钨、金刚石、石墨中的一种或几种的混合。

(4)本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的钎料含有重量百分比为3.5-4.5％的锡、0-31％的银、1.5-17％的锌、0-5.2％的磷、余量为铜。

本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺，其制备工艺如下：

(1)铜基或银基合金按粉末冶金法，经混粉、压制、烧结、挤压、轧制成所需规格的板材。

(2)钎料以熔炼法、轧制成厚度为0.05～0.15mm的带材。

(3)对铜基(或银基)合金板材进行单面处理，使表面粗糙度为2.5～13μm Ra。

(4)采用刷覆或等离子喷涂的方式将Ti3SiC2金属陶瓷粉喷涂到上述处理过的板材上。

(5)将上述板材在真空度100～5×10^-4Pa、温度800～900℃下保温10～90min。获Ti3SiC2/铜(银)合金复合材料板材。

(6)将上述Ti3SiC2/铜(银)基复合板材经酸洗后，采用热敷法将Ti3SiC2/铜(银)基复合板材的铜(银)基面与钎料带材复合，获Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材。

(7)Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材在真空或者保护气氛下进行时效处理，处理温度400～500℃，处理时间1～5小时。

(8)将时效处理后的板材轧制至规定尺寸，并按触头尺寸进行机械加工。

本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，通过Ti3SiC2/铜(银)基合金/钎料三层结构的合理配置，以Ti3SiC2为表层，不但强度高，而且具备良好的导电性、导热性，抗熔焊、耐电弧烧蚀、耐腐蚀、抗热震、抗氧化尤其高温抗氧化性等优良特性。特别是该材料的超低磨擦系数和自润滑性，是电接触材料不可或缺的特性之一。铜(银)基合金、钎料的合理配置则可以降低成本，可广泛应用于低压电器用触头材料，如断路器和接触器触头。

(四)具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料由以下三层物质构成：

第一层(表层)为厚度为3～1000μm的Ti3SiC2；

第二层(基体)为铜基或银基合金；

第三层(焊接层)为厚度为0.03～0.10mm钎料。

这三层结构通过刷覆、烧结、时效处理等工艺方法制备而成。

Ti3SiC2属六方晶体结构，共棱的TiC八面体被由Si原子形成的Si层所分隔开来，形成特殊的纳米尺度层片状结构。这种结构赋予它象石墨一样具有润滑性和可加工性，结合了金属和陶瓷的许多优良性能。Ti3SiC2熔点高达3000℃，具有极好的导电性、导热性，其导电性与纯金属相当，25℃时导电率达4.7×10⁶sm^-1，导热性达33.5Wm^-1K^-1。另外，Ti3SiC2所具备的高强度、抗热震、耐腐蚀、抗氧化，尤其抗高温氧化性和抗循环氧化能力以及自润滑性和超低磨擦系数等特性，是低压电器用触头的理想材料，因此选为表层。

金刚石是自然界中导热率最高的物质，导热率达138.16Wm^-1K^-1，同时具有熔点高(约3700℃)、硬度大、耐磨损等性能，采用粉末冶金方法在铜中加入细小的金刚石颗粒，不但可以起到弥散强化作用，提高硬度和耐磨性的作用，还将电弧产生的热量传导至桥架，降低触头表面温度。更为重要的是触头表面的金刚石粒子在打弧时烧掉，在触头表面不产生导致电阻增加的沉积物。同时，以铜为主成份的触头在高温电弧作用下，金刚石燃烧产生的一氧化碳可使触头表面的氧化铜还原为金属铜或氧化亚铜。因此，在触头表面被氧化的情况下，可由金刚石和氧化亚铜改变氧化层的结构。氧化亚铜呈粉状薄膜，有利于保证触头具有充分的整流作用。

铜中添加少量的银并经过大的变形处理，可以改善其强度、硬度，增加电导、热导和抗腐蚀性，提高流动性和浸润性并改善冷热加工性能。在铜中适量加入镧、铈、镝、钐、镱、钇作为铜的合金元素，能改善铜基合金低温和高温的抗氧化能力，提高铜基合金的强度和再结晶温度，并使电导率略有提高。在铜中适量加锆、铬、铝可以提高铜基材料的中、高温抗氧化能力、抗烧蚀性能和耐腐蚀性能。铝、锡、锌在作为触头材料时可以通过其汽化降低触头温度和具有灭弧作用。铬、铌、钨、钒在铜基体中固溶度极低，这些元素的加入对提高基体的抗氧化性能、强度和抗烧蚀性能具有一定的作用。该类合金的加入也可以提高再结晶温度。同时可以增加触头表面在电弧作用下所形成的金属熔池的粘性，减少触头材料的物质损失，从而增加触头的电寿命。

在铜基体中加入氧化镉、氧化锡和氧化铟的作用是：在电弧作用下氧化镉、氧化锡和氧化铟蒸发成气体，起到灭弧作用，并降低触头表面温度。同时还可以增加触头表面金属熔池的粘性，减小溶池喷溅倾向，从而减小触头表面的物质损失，增加触头寿命。

基于以上分析，在铜中适当添加金刚石、石墨、银、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、铝、铬、铌、锡、锌、钨、钒、氧化锡、氧化镉、氧化铟中的一种或其中几种的混合，能改善铜基触头的相关性能。作为基体材料，能保证在表层损耗过大的情况下仍能保证触头正常工作。

本发明所述银基合金为已处于应用状态的银基触头材料，作为基体，同样可以保证在表层损耗过大的情况下仍能保证触头正常工作。

焊接层提高了触头焊接效率，降低人工成本。

本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料的制备工艺如下：

(2)钎料以熔炼法、轧制成厚度为0.05～0.15mm的带材。

实施例1

表层：Ti3SiC2，厚度400μm；

基体：线铜，厚度1.4mm；

焊接层：锡4.5％、银5.2％、锌2.0％、磷5.0％、铜余量，厚度0.1mm。

实施例2

表层：Ti3SiC2，厚度100μm；

基体：银，厚度1.1mm；

焊接层：锡4.5％、银30％、锌15％、铜余量，厚度0.1mm。

实施例3

表层：Ti3SiC2，厚度200μm；

基体：金刚石1.3％，铜余量，厚度1.1mm；

焊接层：锡4.5％、银5.2％、锌2.0％、磷5.0％、Cu余量，厚度0.1mm。

实施例4

表层：Ti3SiC2，厚度250μm；

基体：金刚石1.3％、铝0.12％、镧0.34％、锆0.05、铜余量，厚度1.1mm；

焊接层：锡3.5％、银5.0％、锌2.0％、磷5.0％、Cu余量，厚度0.08mm。

实施例5

表层：Ti3SiC2，厚度30μm；

基体：金刚石0.8％、银余量，厚度1.1mm；

焊接层：锡4.5％、银31％、锌15％、铜余量，厚度0.05mm。

实施例6

以实施3为例，其制备工艺为：

(1)将平均粒度为2.0μm的金刚石微粉0.8kg与粒度为-200目电解铜粉99.2kg按粉末冶金法，经混粉、压制、烧结、挤压、轧制成厚度为1.21mm的板材。

(2)钎料以熔炼法、轧制成厚度为0.11mm的带材。

(3)对板材进行单面处理，使表面粗糙度为5μm Ra。

(4)采用等离子喷涂的方式将Ti3SiC2金属陶瓷粉喷涂到上述处理过的板材上，厚度为220μm。

(5)将上述板材在真空度100×10^-4Pa、温度900℃下保温60min。

(6)板材酸洗后，采用热敷法将板材的铜基面与钎料带材复合。

(7)在真空条件下进行时效处理，处理温度450℃，处理时间2小时。

(8)将复合板材轧制1.3mm，并按触头尺寸进行机械加工。

Claims

1.一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺，其电触头材料由以下三层物质构成：

第一层(表层)为厚度3～1000μm的Ti3SiC2；

第二层(基体)为铜基(或银基)合金；

第三层(焊接层)为厚度0.03～0.10mm钎料。

2.根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，其特征在于：所述的Ti3SiC2是由纯度大于93％的Ti3SiC2粉末制成，Ti3SiC2粉末粒度为0.01～50μm。

3.根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，其特征在于：所述的铜基合金为纯铜或者含有重量百分比为0.01～50％的金刚石、石墨、银、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、铝、铬、铌、锡、锌、钨、钒、氧化锡、氧化镉、氧化铟中的一种或其中几种的混合。

4.根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，其特征在于：所述的银基合金为纯银或者含有重量百分比为0.01～50％的钨、钼、铜、镍、氧化镉、氧化锌、氧化锡、氧化铟、碳化钨、金刚石、石墨中的一种或几种的混合。

5.根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，其特征在于：所述的钎料含有重量百分比为3.5-4.5％的锡、0-31％的银、1.5-17％的锌、0-5.2％的磷、余量为铜。

6.一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺，其制备工艺如下：

(1)所述的铜基或银基合金按粉末冶金法，经混粉、压制、烧结、挤压、轧制成所需规格的板材；

(2)钎料以熔炼法、轧制成厚度为0.05～0.15mm的带材；

(3)对铜基(或银基)合金板材进行单面处理，使表面粗糙度为2.5～13μm Ra；

(4)采用刷覆或等离子喷涂的方式将Ti3SiC2金属陶瓷粉喷涂到上述处理过的板材上；

(5)将上述板材在真空度100～5×10^-4Pa、温度800～900℃下保温10～90min；获Ti3SiC2/铜(银)合金复合材料板材；

(6)将上述Ti3SiC2/铜(银)合金复合板材经酸洗后，采用热敷法将Ti3SiC2/铜(银)合金复合板材的铜(银)基面与钎料带材复合，获Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材；

(7)Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材在真空或者保护气氛下进行时效处理，处理温度400～500℃，处理时间1～5小时；