CN102102157A

CN102102157A - 多元复合铜合金电接触材料

Info

Publication number: CN102102157A
Application number: CN2010106249378A
Authority: CN
Inventors: 谷文伟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-06-22

Abstract

多元复合铜合金电接触材料是以金属铜碲合金为基础，按照不同的服役条件，至少添加铝、镧(铈)、镉、金刚石、金属氧化物的任一种组份熔炼或粉末冶金法复合冶炼而成。具有配比合理、抗熔性强，体电阻小，耐烧蚀性好、成本低，使用寿命长等特点，通过以合金提高触点基体的抗氧化能力，解决了铜基触点在使用过程中接触电阻不稳定的痼疾，根据触点使用条件的不同，有针对性的添加其他组元，提高材料的分断能力以及服役寿命，全面达到了低压电器用触点的生产和使用要求。

Description

多元复合铜合金电接触材料

技术领域

本发明涉及的是电工材料领域，更详细地讲是关于交流接触器、开关、断路器及低压电器、电能转换电器等触头材料专用的多元复合铜合金电接触材料。

背景技术

众所周知，大多数低压电器触头材料都是贵金属，常用的银基合金或复合材料较多，虽然银基材料能保持触头具有良好服役特性，但将大量消耗稀贵金属；对于室外的电器设备也会因贵重金属的使用遭到盗窃和人为破坏，给电网线路及电器用户造成不必要的损失。

目前，全球稀贵金属资源十分贫乏，导致其价格逐渐上扬，研发节银和代银触头的需求越来越强烈。铜作为电接触材料具有许多优越的物理特性：导热性、导电性、热容性、熔点、沸点、熔化潜热和汽化潜热等指标均较高，因此研发一种复合铜来替代银成为新一代触头材料的基体，以满足电力及电器设备的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于能提供一种消除上述缺点，具有配比合理、抗熔性强，体电阻小，耐烧蚀性好、成本低，使用寿命长等特点的多元复合铜合金电接触材料。尤其是添加了多元复合材料，所生产的触头材料具有较高的抗氧化和抗腐蚀能力，分断电流能力，能够在服役过程中保持较低的接触电阻，在直流条件下材料的物质转移量较低，同时具有较好的持久强度。本发明诣在通过以合金提高触点基体的抗氧化能力，解决了铜基触点在使用过程中接触电阻不稳定的痼疾，根据触点使用条件的不同，有针对性的添加其他组元，提高材料的分断能力以及服役寿命，全面达到了低压电器用触点的生产和使用要求。

目前，铜基无银电接触材料主要含有金属铜、镉、钒、铌、钼和氮化硼、金刚石微粉其成分配比如下(wt％)：金刚石粒子：0.01-3.0、氮化硼：0.050.5、镉：0.5-4.0、钒：0.1-8.0、铌：0.2-6.0、钼：0.2-5.0、铜为余量。难熔金属(钒、铌、钼)的总含量不超过10％。这种材料具有较高的耐电弧烧蚀性，较低的体电阻(2.0-3.8μΩcm)，足够高的硬度(HB＝60-65)和抗熔焊性，较为稳定的接触电阻。但这种材料的持久强度水平不高，有喷溅和形成金属须现象出现，导致触头副在重负载(AC4)条件下触头经几个周期的循环操作后，发生快速损坏。这主要是由于金刚石粒子与铜基体之间的润湿性较差。当金刚石粒子与基体之间形成化学结合，特别是在金刚石与基体的相界面上形成碳化物时，可保证结合强度较高。此时，要求基体中必须含有大量碳化物形成元素。

尽管这种材料中含有难熔碳化物形成元素(铌、钒、钼)，但在相对较低的烧结温度下(-900℃)，上述金属形成碳化物的动力学阻力较大(4)。即碳化物难于在烧结时形成，相界面结合强度较低，因此造成触头机械强度较低，尤其是循环载荷作用下的材料持久强度下降，引起这些都会使开关电器的可靠性降低。

除此之外，上述材料中所添加的难熔金属元素会固溶于铜基体之中(尽管固溶度较小)，且在铜基体中的分散系数较大，因此在冲击载荷条件下，材料会表现出较高的塑性。

本发明诣在通过以合金提高触点基体的抗氧化能力，解决了铜基触点在使用过程中接触电阻不稳定的痼疾，根据触点使用条件的不同，有针对性的添加其他组元，提高材料的分断能力以及服役寿命，全面达到了低压电器用触点的生产和使用要求。

本发明的多元复合铜合金电接触材料是以金属铜碲合金为基础，按照不同的服役条件，至少添加铝、镧(铈)、镉、金刚石、金属氧化物的任一种组份熔炼或粉末冶金法复合冶炼而成。也可在金属铜碲合金的基础材料中添加铝、镧(铈)、镉、金刚石、金属氧化物任二种或三种组元熔炼或冶金成型。

上述在金属铜碲合金的基础材料中添加铝、镧(铈)、镉、金刚石、金属氧化物等其他组元，其中各组元的含量(wt％)如下：碲：0.05-5、镧(铈)：0.05-2、铝：0.1-2、镁：0.2-5.0、镉：0.5-4、金刚石：0.2-2、Me：02-8。

试验表明，当添加组元的含量低于上述表定范围下限时，这些组元对基体材料的服役性能没有较大贡献；而当添加组元的含量高于上述表定范围上限时，将导致触头性能的急剧恶化。下面将就所添加的复合氧化物对铜基触头材料性能的有效性进行阐述。

1、碲的作用：碲能显著提高铜的抗氧化能力和抗腐蚀能力，使材料能够保持较低的接触电阻，对材料在使用过程中保持较低的温升，有很大帮助。同时碲的加入会使铜的可焊性大大降低，从而达到提高材料分断电流的能力。

2、铝的作用：铝在铜中少量存在时，即能够提高铜的抗氧化能力，但同时也会降低导电性，因此少量加入，对稳定材料温升还是有积极的作用。

3、稀土的作用：人们很早就发现镧、铈、钇等微量稀土元素对铜合金的氧化有抑制作用。一般认为，微量稀土元素对铜合金抗氧化性的提高作用十分明显，主要是由于在氧化膜的晶格中有高价稀土阳离子存在。研究还表明，稀土元素的含量过高时，对铜合金的抗氧化性的提高贡献不大。而且，由于稀土元素的电离能较低，过高的稀土含量，会降低材料的起弧电压，使材料的抗电弧烧蚀能力下降。

4、镁的作用：镁对铜具有脱氧作用，同时能够提高铜的高温抗氧化性，由于镁在铜中的固溶度很低，对材料导电性的影响不大，但是镁的大量加入会降低材料的加工性能，因此不宜加入过多。

5、镉的作用：镉可以提高铜的强度，耐磨性，减少电弧烧损，提高铜的抗氧化能力等，并且对材料的导电性影响不大，但是由于镉的毒性很大，目前在电接触材料领域已被限制使用，因此，仅在部分特殊工况的电器触点中使用。

6、金刚石的作用：添加金刚石微粉能够提高材料的分断能力，在目前应用的铜基电接触材料中已得到证实，并获得应用。但金刚石微粉会提高接触电阻，并会降低材料的电寿命，因此在使用中受到很多局限。

7、金属氧化物的作用：氧化镉、氧化锌、和镧酸铜等难熔金属复杂氧化物具有较高的熔点、沸点、熔化潜热和汽化潜热，因而改善了材料的抗烧蚀性和抗熔焊性。

从动力学角度来说，难熔金属复杂氧化物在铜基体当中不会以最高氧化价态存在，而过渡态氧化物的导电性较高；同时，上述氧化态金属不会在固相铜中固溶，因此对基体合金的电导率影响不大。另外，纳米级难熔金属复杂氧化物颗粒具有明显的弥散强化作用。可以通过熔炼获得上述成份的合金，或者利用粉末冶金法，将上述材料制备成触头件。

具体实施方式

将上述添加组元粉末按一定配比乘取，然后在混粉机中混合1小时左右；将混合粉末在钢质模具中压制成坯料，压制压强为3.5-5KPa；压坯在保护气氛中进行烧结，烧结温度为900-1000℃；复压主要是为提高材料密度，复压压强为10-12KPa；最终采用400-550℃退火以消除应力和优化组织。

利用本发明所制备出的触头件性能指标如下：密度为8.2-8.9g/cm³；硬度为HB＝650-1050MPa；电阻率为1.9-2.7μΩ.cm。

按上述方法制备出的触头件与标准的触头标样在专用测试台架上进行对比实验，测试额定电流条件下触头表面温升和接触压降。详细数据列于表中(对比样用X表示)。

试验条件满足国标GB14048。实验样机采用CJ20-63交流接触器，所测试的温升值为触头温度与环境温度的差值，所通电流为约定发热电流I＝80A。表中的试验结果为通电5小时后测定的6～12对触头温升值的平均值。

由表中可见，服役触头表面的接触压降(即接触电阻)很低，温升值也非常低。通电30-60分钟后，表中数据值即已稳定，在之后的实验过程中一直保持不变。

将本发明的材料制备成触头，安装在CJ20-63交流接触器和DZ47-60小型断路器上，在国家低压电器监督检测中心进行了全面检测。检测结果表明，使用本发明材料的电器完全满足GB14048低压电器标准及其它相关标准，触头服役性能稳定，持久强度高，保证了电器的可靠性。

触头件与标准的触头标样表面温升和接触压降数据对比样表

Claims

1.一种多元复合铜合金电接触材料，其特征在于是以金属铜碲合金为基础，按照不同的服役条件，至少添加铝、镧(铈)、镉、金刚石、金属氧化物的任一种组份熔炼或粉末冶金法复合冶炼而成。

2.如权利要求1所述的多元复合铜合金电接触材料，其特征在于在金属铜碲合金的基础材料中添加铝、镧(铈)、镉、金刚石、金属氧化物任二种或三种组元熔炼或冶金成型。

3.如权利要求1或2所述的多元复合铜合金电接触材料，其特征在于在金属铜碲合金的基础材料中添加铝、镧(铈)、镉、金刚石、金属氧化物，其中各组元的含量(wt％)如下：碲：0.05-5、镧(铈)：0.05-2、铝：0.1-2、镁：0.2-5.0、镉：0.5-4、金刚石：0.2-2、Me：02-8。