CN101418398A

CN101418398A - 低压电器用铜基电接触材料

Info

Publication number: CN101418398A
Application number: CNA2008102336613A
Authority: CN
Inventors: 谢明; 崔浩; 张永甲; 杨有才; 陈永泰; 刘满门; 刘捷
Original assignee: Kunming Institute of Precious Metals
Current assignee: Kunming Institute of Precious Metals
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2009-04-29

Abstract

本发明公开了一种低压电器用电触头材料铜基合金的设计和制备，其特征是所说的合金含有(重量％)：Ni0.5－3，Zr0.1～0.5，Y0.1～0.5，Cu余量，其工艺路线：Cu+Ni+真空下制备CuY、CuZr中间合金原料→大气状态下用自有的气水急冷雾化制粉技术和设备获得CuNiZrY合金粉末→粉末冶金工序(成形+烧结→复压+复烧→CIP+烧结)制得成形坯→热挤压获得丝材或片材半成品坯→热加工获得半成品→冷加工获得成品。本发明合金具有接触电阻低而稳定，抗氧化性高、抗电弧烧蚀和抗熔焊性能强、电寿命长等优点，可用作低压电器用电触头。

Description

低压电器用铜基电接触材料

技术领域

本发明涉及低压电器用铜基电接触材料，特别是涉及对铜基电接触材料的材料设计和制备工艺技术。

背景技术

低压电器的电触头大都是由含银80％-90％(质量百分数)的复合材料制成的，据2004年电工协会(2004年10月14日在西安召开)介绍，世界上银资源非常有限，其中的25％-30％用于制造电工和电子仪器所需的触头元器件。但是，有限的贵金属资源经过多年的开采和应用，目前正日趋贫乏。为了节约银，全世界在开展降低触头材料含银量的研究的同时，也在开发贱金属电接触材料，以替代资源有限且价格昂贵的白银。

铜具有与银相近的物理、化学、电学等性能，作为电接触材料，铜具有导电导热性好、热容大、触头温升低、电弧蚀时间短、较高的硬度、加工成型性能优异、价格低廉等优势。

从20世纪70年代起，国内外广泛开展了低压电器领域的铜基电接触材料的研究，申请了大量专利，其中只有极少数付诸于实践但均未获得市场化广泛应用，主要是由于存在一些材料工艺学中的共性难题：(1)抗氧化性不够。Cu基材料触头元件在开断过程中会放出大量热，Cu易氧化生成氧化物薄膜，引起接触电阻增大，影响导电性和导热性。(2)抗熔焊性和抗电弧侵蚀性能有待提高。要满足低压电器用电触头元件的工作要求，电接触材料必须有良好的导电导热性、较大的原子量和密度、较高的熔点和沸点、较大的熔化和汽化潜热、较低的蒸气压等，就上述指标而言，Cu与Ag相比均存在一定差距。另外，Cu基电接触材料要保持较高的导电导热性和较低的接触电阻，其强度、硬度必然受到影响，从而影响材料的抗熔焊性和抗电弧侵蚀性。

大量专利的出现表明，国内外在低压电器领域铜基电接触材料的研究中取得了一定的进展，也说明它具有一定的市场需求，但就总体而言，已有的铜基电接触材料在低压电器领域的应用较少，还需要在材料设计、制备工艺技术以及电接触理论研究方面开展相当的工作。

发明内容

本发明所采用的技术是基于铜基体合金化法发展而来。其基本思路是通过添加活性元素镍、锆、稀土元素钇来综合提高铜基电接触材料的物理、机械、电学和化学性能。

合金成分设计：加入Ni、Zr、Y等活性组元，Cu为合金基体。加入活性元素Ni和Zr在不降低或少量降低热导和电导的前提下，可提高基体的室温和高温强度，改善基体抗熔焊性、抗电弧烧蚀性和抗氧化性能；加入微量Y可有利于与铜中杂质发生反应改善基体导电、导热性，并改善基体抗电弧烧蚀性和抗氧化性。三种合金成分为：(1)Ni—3％，Zr—0.5％，Y-0.5％，Cu为余量；(2)Ni—1％，Zr—0.3％，Y-0.2％，Cu为余量；(3)Ni—0.5％，Zr—0.1％，Y-0.1％，Cu为余量。

工艺路线：真空下制备CuY、CuZr中间合金+Ni+Cu原料→大气状态下用自有的气水急冷雾化制粉技术和设备获得CuNiZrY合金粉末→粉末冶金工序(成形+烧结→复压+复烧→CIP+烧结)制得成形坯→热挤压获得丝材或片材半成品坯→热加工获得半成品→冷加工获得成品。

本发明关键在于克服现有技术不足，提供一种接触电阻低而稳定，抗熔焊，抗电弧烧损，无银，无公害，适合低压电器用的新型触头材料。本发明的另一目的是提供一种所说的触头材料的制造方法。

附图说明

图1为CuNiZrY电接触材料显微组织图。显微组织中晶粒细小，第二项以颗粒状态存在、分布弥散而均匀，不存在明显偏析，颗粒间距比较小；材料中存在少量空洞。

具体实施方式

(1)CuY、CuZr中间合金制备：真空下用石墨坩埚先感应熔化Cu(纯度为99.95％以上)，除气后充入惰性气氛Ar，加入原料Y(纯度为99.5％以上)，升温精炼使稀土Y充分熔入Cu金属液中，静置5分钟后，浇注入石墨铸模中，充分冷却后破坏真空，取出CuY中间合金铸锭。(2)急冷雾化制备CuNiZrY合金粉末：大气状态下先感应熔化纯Cu，适当升高温度，加入Ni原料(纯度>99.95％)，保温片刻，再加入CuZr、CuY中间合金，为使其充分合金化，保温3—8分钟后(合金液温度控制在1200左右)匀速浇入保温漏斗，通过漏斗的合金液经过惰性气氛(雾化介质为纯N2，雾化压力为0.6—1.2MPa)的冲击和破碎作用，用水作为冷却介质，使雾化后的合金颗粒快速冷却。将冷却后的合金粉末过100目标准筛(尺寸<150μm)，—100目的合金粉末在H₂保护下于200-300℃保温4-6小时待用，而粗粉(+100目)则可回炉重新制粉。(3)成形和烧结工艺：粉末混合物成形时，成形压力不宜太大，180—200MPa左右即可，保压时间略长，为4—6min。首次烧结时，为避免成形坯开裂和不均匀变形，升温速度不宜过快，最好分阶段升温，保温时间足够长(1h)：室温—300℃升温1h，保温1h；300—600℃升温1h，充惰性气氛降低真空度以减少挥发，保温1.5h；600—900℃升温1h，保温2—6h；随炉降温至100℃以下方可出炉。复压时压力在250—300MPa间较好，保压时间为2—4min。复烧时室温—600℃升温1h，充惰性气氛降低真空度以减少挥发，保温1.5h；600—900℃升温1h，保温2—6h；随炉降温至100℃以下方可出炉。CIP(冷等静压制)，成形压力为300—350MPa，保压时间5—12min，CIP工艺可提高成形坯料的密度及其均匀性，随后用复烧工艺对其进行烧结。(4)成形坯热挤压：大气气氛下，640—800℃保温4h以上，180—250MPa下中等速度，大挤压比(>100:1)将其挤压成带材或丝材。热挤压可提高密度，改善组织，同时可改进其加工性能。(7)加工工艺：挤压坯可进行大变形程度的热加工(CuNiZrY电接触材料的热加工性能良好)，留下较小的变形量进行冷加工(最好使道次加工量小于5％)，总变形量50-70％，中间退火温度500—650℃。这就是CuNiZrY电接触材料制备的整个详细工艺规程。

实施例1 Ni—3％，Zr—0.5％，Y—0.5％，Cu为余量，具体步骤详细描述如具体实施方式中。

实施例2 Ni—1％，Zr—0.3％，Y—0.2％，Cu为余量，具体步骤详细描述如具体实施方式中。

实施例3 Ni—0.5％，Zr—0.1％，Y—0.1％，Cu为余量，具体步骤详细描述如具体实施方式中。

本发明制备的实施例2的组织和性能可从其显微组织如附图1中看出，显微组织中第二相以颗粒状态存在、分布弥散而均匀，不存在明显偏析。材料密度为8.75g·cm^-3，材料中少量的空洞使得样品的密度略低于理论密度8.94g·cm^-3；电导率为29.3Ms·m^-1，相应其电阻率为3.41μΩ·cm；硬度为HV105.4。抗氧化性和抗电弧烧蚀性能优良，使用寿命长。

Claims

1、一种电触头材料铜基合金，其特征是该合金的重量百分比为：Ni0.5-3％，Zr0.1-0.5％，Y0.1-0.5％，Cu余量。

2、根据权利1要求所述的电触头材料铜基合金，其特征在于应用于低压电器。

3、一种电触头材料铜基合金的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)真空下制备CuY、CuZr中间合金；

(2)急冷雾化制备CuNiZrY合金粉末；

(3)粉末冶金工序制得成形坯；

(4)热挤压获得丝材或片材半成品坯；

(5)热加工获得半成品；

(6)冷加工获得成品。

4、根据权利3要求所述的电触头材料铜基合金的制备方法，其特征在于所述的步骤(3)粉末冶金工序是：成形+烧结→复压+复烧→CIP+烧结。