CN101345143A - 一种Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种高强度、高导电、高导热、耐氧化、抗熔焊、耐电弧烧损和电寿命长的并且具有自润滑能力的Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺。Cu/Ti3SiC2电接触材料是由纯铜粉或铜合金粉与重量百分比为0.01～80.0％的Ti3SiC2粉末，通过粉末冶金工艺方法制备的。本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料，兼具金属和陶瓷的优良性能，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。可广泛应用于电接触材料，如高低压电器用触头材料、电刷、受电弓滑板等。
Description
(一)技术领域
本发明涉及粉末合金材料，具体说就是一种Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺。
(二)背景技术
目前公开的同类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铜基电触头材料。以银为主成分的银基电触头材料电性能很好，成本很高，但也不能完全满足电器产品的某些特殊要求。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。同时，传统的电刷、受电弓滑板等电接触材料由于易磨损、易受电弧烧蚀、易腐蚀等缺点造成的寿命短等原因，也对这类材料的相关性能提出了更高的要求。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高导电、高导热、耐氧化、抗熔焊、耐电弧烧损和电寿命长的并且具有自润滑能力的Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺。
本发明的目的是这样实现的：所述的Cu/Ti3SiC2电接触材料是由纯铜粉或铜合金粉与重量百分比为0.01～80.0％的Ti3SiC2粉末，通过粉末冶金工艺方法制备的。
本发明还有以下技术特征：
(1)本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺，所述的Ti3SiC2粉末纯度大于93％、颗粒尺寸0.01～50μm。
(2)本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺，所述的纯铜粉粒度为-200目。
(3)本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料及其制备工艺，所述的铜合金粉含有重量百分比为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，粒度为-200目。
本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料，其制备工艺如下：
(1)将Ti3SiC2粉末与纯铜粉或铜合金粉在保护气氛下，在高能球磨机上球磨6～12h，得到混合粉末；
(2)将所获得的混合粉末放入石墨模具通过热压的方法制成直径50mm的块状样品，称之为胚料。具体热压制度为：保护气氛下，热压温度850～950℃，保温时间30～60min，热压压强为40～200MPa；
(3)热压后的胚料在700～900℃下热挤压成型，称之为挤压型材；
(4)挤压型材在真空或者保护气氛下进行时效处理，处理温度500～800℃，处理时间1～5小时；
(5)将经过时效处理的型材轧制或拉拔加工后，按产品尺寸进行机械加工。
本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料，兼具金属和陶瓷的优良性能，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。可广泛应用于电接触材料，如高低压电器用触头材料、电刷、受电弓滑板等。
(四)具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料是由纯铜粉或铜合金粉与重量百分比为0.01～80.0％、颗粒尺寸在0.01～50μm的Ti3SiC2粉末，通过粉末冶金工艺方法制备的。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，导热率达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，更是电接触材料所需要的关键特性。
采用Ti3SiC2制备的铜基电接触材料，更能体现出高强、高导、高韧、自润滑等特性。采用粉末冶金方法在铜基体中加入Ti3SiC2粉末，不但可以起到弥散强化作用，同时对材料电导率影响很小。作为高低压电器用触头使用可以起到良好的抗熔焊、抗电弧烧蚀、抗氧化特别是抗高温氧化，提高耐磨性、改善触头接触电阻，降低温升、提高电寿命等作用。同时，Ti3SiC2金属陶瓷作为硬质质点，更易使触头表面形成的氧化层剥离脱落。因此更适合应用在各种断路器和交流接触器上。作为受电弓滑板、电刷等电接触材料使用也可以起到减小磨损、抑制电弧烧蚀和腐蚀，延长使用寿命的作用。
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，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，本发明提供的这种Cu/Ti3SiC2电接触材料，可视应用工况条件适当采用金刚石、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，以改善相关性能。
由于Ti3SiC2颗粒与铜的浸润性不好，很难与铜基体形成牢固的界面结合，导致其优异的性能得不到充分发挥。因此采取以下工艺，以保证其优异性能的充分发挥。
本发明一种Cu/Ti3SiC2电接触材料其制备工艺如下：
(1)将Ti3SiC2粉末与纯铜粉或铜合金粉在保护气氛下，在高能球磨机上球磨6～12h，得到混合粉末；
(2)将所获得的混合粉末放入石墨模具通过热压的方法制成直径50mm的块状样品，称之为胚料。具体热压制度为：保护气氛下，热压温度850～950℃，保温时间30～60min，热压压强为40～200MPa；
(3)热压后的胚料在700～900℃下热挤压成型，称之为挤压型材；
(4)挤压型材在真空或者保护气氛下进行时效处理，处理温度500～800℃，处理时间1～5小时；
(5)将经过时效处理的型材轧制或拉拔加工后，按产品尺寸进行机械加工。
实施例1
组成配比，重量百分比：
Ti3SiC2粉(平均粒度5μm)：0.8％；
铜：余量。
性能：
电阻率：1.98μΩ·cm；
密度：8.60/cm3；
硬度：HB 500～650MPa。
实施例2
组成配比，重量百分比：
Ti3SiC2粉(平均粒度5μm)：1.0％；
金刚石粉：(平均粒度1μm)：0.6％
铜：余量。
性能：
电阻率：2.15μΩ·cm；
密度：8.65/cm3；
硬度：HB 500～650MPa。
实施例3
组成配比，重量百分比：
Ti3SiC2(平均粒度6μm)：1.2％；
银：0.18％；
铜：余量。
性能：
电阻率：2.05μΩ·cm；
密度：8.55/cm3；
硬度：HB 600～750MPa。
实施例4
组成配比，重量百分比：
Ti3SiC2粉(平均粒度7μm)：20.0％；
镧：1.84％；
铜：余量。
性能：
电阻率：3.15μΩ·cm；
密度：8.52/cm3；
硬度：HB 750～900MPa。
实施例5
组成配比，重量百分比：
Ti3SiC2粉(平均粒度8μm)：1.0％；
镧：0.14％；
锆：0.025％；
铝：0.12％；
铜：余量。
性能：
电阻率：2.10μΩ·cm；
密度：8.58/cm3；
硬度：HB 750～1000MPa。
实施例6
组成配比，重量百分比：
Ti3SiC2粉(平均粒度9μm)：2.0％；
氧化锡：8.0％；
铜：余量。
性能：
电阻率：2.55μΩ·cm；
密度：8.48/cm3；
硬度：HB 750～1000MPa。
实施例7
组成配比，重量百分比：
Ti3SiC2粉(平均粒度10μm)：0.18％；
铌：1.56％；
铜：余量。
性能：
电阻率：2.20μΩ·cm；
密度：8.6/cm3；
硬度：HB 650～800MPa。
实施例8
以实施例1为例，其制备工艺为：
(1)将0.8kgTi3SiC2粉末与99.2kg纯铜粉在保护气氛下，在高能球磨机上球磨12h，得到混合粉末；
(2)将所获得的混合粉末放入石墨模具通过热压的方法制成直径50mm的块状样品，称之为胚料。具体热压制度为：在保护气氛下，热压温度900℃，保温时间60min，热压压强为40MPa；
(3)热压后的胚料在850℃下热挤压成型，称之为挤压型材；
(4)挤压型材在真空条件下进行时效处理，处理温度800℃，处理时间2小时；
(5)将经过时效处理的型材轧制成板材，按产品尺寸进行机械加工。
Claims (5)
1.一种Cu/Ti3SiC2电接触材料是由纯铜粉或铜合金粉与重量百分比为0.01～80.0％的Ti3SiC2粉末，通过粉末冶金工艺方法制备的。
2.根据权利要求1所述的一种Cu/Ti3SiC2电接触材料，其特征在于：所述的Ti3SiC2粉末纯度大于93％、颗粒尺寸0.01～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种Cu/Ti3SiC2电接触材料，其特征在于：所述的纯铜粉粒度为-200目。
4.根据权利要求1所述的一种Cu/Ti3SiC2电接触材料，其特征在于：所述的铜合金粉含有重量百分比为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，粒度为-200目。
5.一种Cu/Ti3SiC2电接触材料，其制备工艺如下：
(1)将Ti3SiC2粉末与纯铜粉或铜合金粉在保护气氛下，在高能球磨机上球磨6～12h，得到混合粉末；
(2)将所获得的混合粉末放入石墨模具通过热压的方法制成直径50mm的块状样品，称之为胚料；具体热压制度为：保护气氛下，热压温度850～950℃，保温时间30～60min，热压压强为40～200MPa；
(3)热压后的胚料在700～900℃下热挤压成型，称之为挤压型材；
(4)挤压型材在真空或者保护气氛下进行时效处理，处理温度500～800℃，处理时间1～5小时；
(5)将经过时效处理的型材轧制或拉拔加工后，按产品尺寸进行机械加工。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090114 |