CN104282448B - 一种耐电弧烧蚀铜基电接触复合材料 - Google Patents

一种耐电弧烧蚀铜基电接触复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐电弧烧蚀铜基电接触复合材料，特别涉及一种添加适量氧化钇制备耐电弧烧蚀铜基电接触材料的方法，主要用于中低负载的电源开关，继电器，接触器，起动器等电器装置中。本发明的低压电器用铜基电接触复合材料是由以下重量配比的材料组成：0.5‑6%锌，0.5‑2.5%氧化钇,0.04‑1%富铈混合稀土，0.5‑5%碳化硼，其余为铜粉及其它不可避免的杂质。本发明材料通过配料、粉末混合、压制成型、预烧、氩气保护烧结的制备而成。本发明的新型铜基复合材料的导电导热性、抗熔焊性、抗电弧烧蚀及摩擦性能可与银基相媲美，能满足电触头等制件对材料的基本要求，并具有突出的抗电弧烧蚀性能。

Description

一种耐电弧烧蚀铜基电接触复合材料
技术领域
本发明涉及一种耐电弧烧蚀铜基电接触复合材料，特别涉及一种添加适量氧化钇制备耐电弧烧蚀铜基电接触材料的方法，主要用于中低负载的电源开关，继电器，接触器，起动器等电器装置中。
背景技术
电流从一个导体通过导体与导体的接触传向另一个导体，这两个或者几个导体之间通过机械的接触表面来实现电流传输的物理化学现象，此状态称为电接触，其中传递电流的导体成为电接触材料（电触头材料）。研究表明，电触头在开闭过程中产生的电弧烧损现象极其复杂，在电弧能量、接触压力和环境因素的综合作用下，触头表面发生加热、熔化、汽化、流动和凝固等物理冶金过程，导致触头表面产生软化、喷溅、流动和裂纹等现象。因此，要求触头材料除具有良好的物理性能外，还具有优良的力学性能及化学稳定性。目前，在高端中低压电器产品中，电接触元件仍然以银基复合材料为主。但银资源有限，价格昂贵且用以电接触材料难以回收利用，故研发代银电接触材料很有价值。铜的导电性与银接近导热性良好，储量大，价格远低于银，故金属铜成为最佳的替代银材料。但是金属铜存在自身缺陷，易氧化且氧化产物电阻很大，作为电接触材料，会使接触电阻骤然上升，尤其在电接触器分断和闭合过程中，电弧烧蚀严重，触头材料寿命大大缩短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于中低负载、频繁开闭的电源开关，如继电器，接触器，起动器等电器装置中，价格低廉、接触电阻稳定、抗熔焊性能佳、抗氧化性能及力学性能良好，特别是具有较好抗电弧烧蚀性的低压电器用铜基电接触复合材料。
选用铜作为基体，铜与银比较价格低廉，且资源较丰富，其导电导热性、抗熔焊性、电流蚀及摩擦特性均可与银媲美，能满足电接触材料基体的要求。考虑到触头材料力学、电接触性能等要求，采用了低沸点金属锌。由于锌沸点为906℃，当电弧作用于触头材料是，锌沸腾吸热，使触头材料温度降低，能很好地熄灭电弧，故采用锌作为息弧组元；加入稀土元素改善抗氧化性能和综合性能；加入氧化钇的主要目的是：在烧结过程中氧化钇能有效防止铜晶粒粗化，使基体晶粒细小；添加的氧化钇在基体晶界处均匀分布，触头材料在工作状态下，氧化钇的存在使局部熔池粘度增大，有效地阻止了材料的喷溅和转移，从而提高材料的抗电弧烧蚀性能。本发明添加碳化物，主要是为了提高材料的抗熔焊性能。
本发明材料抗熔焊性能和耐氧化性好，接触电阻稳定，导电性良好，抗电弧烧蚀性能优良，是一种特别适用于频繁开闭的中低压电器用廉价接触材料。
本发明是通过以下措施来实现的：
本发明的低压电器用铜基电接触复合材料是由以下重量配比的材料组成：0.5-6%锌，0.5-2.5%氧化钇，0.04-1%富铈混合稀土，0.5-5%碳化硼，其余为导电铜粉及其它不可避免的杂质。
本发明复合材料的制备方法采用以下步骤：
（1）将-200目锌粉、1-6μm氧化钇、-325目稀土—铜粉末，-325碳化硼粉末，-200目铜粉混合，采用V型混粉机混，混粉时间为0.5-4小时；
（2）将混合均匀的粉末装进模具中，在常温下压制成形，压制压强为300-700MPa，保压时间为2-10 min；
（3）将压制成形件在氩气体保护下预烧，预烧温度300-550℃，预烧时间为30-90min，烧结温度为750-950℃，保温时间为5-120min。
四、具体实施方式
实施例1
本发明实施例材料的组成重量配比为：2%锌、1.5%氧化钇、0.1%富铈混合稀土，1%碳化硼粉末，其余为导电铜粉。
采用以下步骤制备：
（1）按配比将-200目锌粉、-325目稀土—铜粉、-325碳化硼与-200目铜粉混合，采用V型混粉机混粉，混粉时间为1h；
（2）将混合均匀的粉末装进模具中，在常温下压制成形，压制压强为400MPa，保压时间为3min；
（3）将压制成形件在氩气体保护下预烧，预烧温度450℃，预烧时间为60min，烧结温度为850℃，保温时间为30min。
经以上工艺过程，制成铜基电接触复合材料。
本材料基本性能：①密度：7.92（g/cm3）；②电阻率：3.00（μΩ•cm）；③硬度：36（HB）。
实施例2
本发明实施例材料的组成重量配比为：2%锌、0.5%氧化钇、0.1%富铈混合稀土，1%碳化硼粉末，其余为铜粉。
本组采用实施例1同样的工艺步骤和参数。
本材料基本性能：①密度：8.15 （g/cm3）；②电阻率：3.23（μΩ•cm）③硬度：38（HB）。
实施例3
本发明实施例材料的组成配比为4%锌、1.5%氧化钇、0.1%富铈混合稀土，1%碳化硼粉末，其余为铜粉。
采用以下步骤制备：
（1）同实例1中步骤1；
（2）将混合均匀的粉末装进模具中，在常温下压制成形，压制压强为450MPa，保压时间为3min；
（3）将压制成形件在氩气体保护下预烧，预烧温度450℃，预烧时间为60min，烧结温度为800℃，保温时间为10min。
本材料基本性能：①密度：8.34 （g/cm3）；②电阻率：3.75（μΩ•cm）③硬度：42（HB）。
实施例4
本发明实施例材料的组成配比为2%锌、2.5%氧化钇、0.1%富铈混合稀土，1%碳化硼粉末，其余为铜粉。
采用以下步骤制备：
（1）按配比将-200目锌粉、-325目稀土—铜粉、-325碳化硼与-200目铜粉混合，采用V型混粉机混粉，混粉时间为1h；
（2）将混合均匀的粉末装进模具中，在常温下压制成形，压制压强为450MPa，保压时间为3min；
（3）将压制成形件在氩气体保护下预烧，预烧温度450℃，预烧时间为60min，烧结温度为800℃，保温时间为30min。
本材料基本性能：①密度：8.26 （g/cm3）；②电阻率：4.45（μΩ•cm）③硬度：43.5（HB）。
对比测试例：
将本发明实施例1-4的复合材料与银基电接触材料进行电接触抗电弧烧蚀测试，测试条件为：阻***流电流40A，电压54V，起弧频率52次/分钟，试验次数30000次。实验结果如表1所示。由表1.中试样1、2、4对比可以看出：（1）氧化钇添加量在0-2.5%范围内，随氧化钇添加量的增加，试样的抗电弧烧蚀能力逐步增强；（2）实施例1-4样品经过30000次抗电弧烧蚀试验，触头材料的接触电阻能够保持较低的水平。
表1.各试样的电弧烧蚀后质量损失及接触电阻
试样种类 试样1 试样2 试样3 试样4 银-氧化锡触头
氧化钇含量（wt） 0．5 1.5% 1.5% 2.5% 0
锌含量（wt） 2% 2% 4% 2% 0
质量损失(g) 0.033 0.027 0.017 0.024 0.14
接触电阻(Ω) 3.2×10-3 3.1×10-3 2.5×10-3 2.9×10-3 6.5×10-3

Claims (1)

1.一种铜基电接触复合材料的工艺方法，其特征在于其主要成分为：在铜基体中含锌、氧化钇、碳化硼、富铈稀土，其中锌、氧化钇的添加量分别为2-4 wt.%、0.5-2.5 wt.%，该工艺方法的具体步骤为：（1）首先，按一定的成分配比称取以下材料，-200目锌粉、-325目碳化硼、-325目稀土-铜粉、1-6μm氧化钇，其余为-200目铜粉及其它不可避免的杂质；（2）将混合均匀的粉末装进模具中，进行在常温下压制成形，其中压制压强为300-700MPa，保压时间为2-10min；（3）将压制成形件在氩气体保护下预烧，烧结，其中预烧温度为300-550℃，预烧时间为30-90min，烧结温度为750-950℃，保温时间为5-120min。
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