CN113073226A - 一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113073226A
CN113073226A CN202110317786.XA CN202110317786A CN113073226A CN 113073226 A CN113073226 A CN 113073226A CN 202110317786 A CN202110317786 A CN 202110317786A CN 113073226 A CN113073226 A CN 113073226A
Authority
CN
China
Prior art keywords
powder
composite material
tic
electric contact
copper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110317786.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113073226B (zh
Inventor
徐雪霞
曾四鸣
王勇
王庆
李国维
董国振
李文彬
冯砚厅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
State Grid Hebei Energy Technology Service Co Ltd
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
State Grid Hebei Energy Technology Service Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Corp of China SGCC, Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd, State Grid Hebei Energy Technology Service Co Ltd filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN202110317786.XA priority Critical patent/CN113073226B/zh
Publication of CN113073226A publication Critical patent/CN113073226A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113073226B publication Critical patent/CN113073226B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/058—Mixtures of metal powder with non-metallic powder by reaction sintering (i.e. gasless reaction starting from a mixture of solid metal compounds)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C22C32/0052—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents only carbides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/025—Composite material having copper as the basic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
    • H01H11/048—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by powder-metallurgical processes

Abstract

本发明公开了一种Cu‑TiC增强电接触复合材料及其制备方法，具体包括以下步骤：将钛粉、石墨粉、铜粉经球磨混合，得到Cu‑Ti‑石墨混合粉料，对混合粉料进行冷压成型后，在热压烧结炉中经步烧结得到Cu‑TiC电接触复合材料。本发明所述Cu‑TiC增强电接触复合材料中，TiC为自生反应合成，与铜基体界面结合良好，制备的复合材料中TiC增强体以连续网络状分布，铜基体分布于TiC网络之间，形成连续的导电相，制备的复合材料抗熔焊能力、耐电弧烧蚀性及耐机械磨损性能显著提高，同时具有优良的导电、导热性能。

Description

一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电工材料技术领域，尤其涉及一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法。
背景技术
电接触材料是电工材料的重要组成部分，以其为材料制备的电触头是仪器仪表、电器开关中非常重要的接触元件，在输配电***、电器***等中起着对电路进行分断和接通的作用。电触头及其材料性能的好坏对整个***的安全、稳定运行起着至关重要的作用。
铜具有优良的导电性和导热性，是常用的电接触材料，但是由于纯铜硬度、强度等较低，导致其作为电接触材料时抗电弧侵蚀、耐机械磨损等能力不足，限制了其在强电弧烧蚀环境下的应用。合金化与复合化是改善铜力学性能的常用方法，如铜与铬、钨形成的Cu-Cr、Cu-W合金在保持铜良好的导电、导热性能的同时，具备了优良的力学性能，是当前主要的高压断路器用电接触材料。如在专利CN109261961B中公开了一种基于3D打印技术的Cu-Cr电接触材料的制备方法，制备出具有高导电相Cu、耐电弧烧蚀相Cr、软磁相Fe组成的具有导流微结构的复合触头材料，将导流相和耐电弧烧蚀相由无序变为有序，在触头内部形成微小的结构单元，提高了触头的分断电流能力和耐电压击穿能力。在铜基复合材料中，根据增强体的不同，分为纤维连续增强铜基复合材料、晶须半连续增强铜基复合材料以及颗粒增强非连续铜基复合材料等，无论哪种类型的复合材料，增强体的加入都可以有效提高材料的强度、硬度及耐磨性能。如在专利CN102426867A中公开了一种晶须增强铜基电接触材料及制备方法，制备出碳化硅晶须或氧化锌晶须增强铜基复合材料，晶须在起到弥散强化作用的同时，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。专利CN108531766A中公开了一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法，利用二元导电氧化物的强化作用，获得耐电弧烧蚀性高、接触电阻低且稳定的新型铜基电接触材料。近年来，随着我国特高压输电线路、高速列车、电磁轨道炮等领域的发展，对高压断路器弧触头、高速列车受电弓滑板等强及电磁轨道炮导轨等用电接触材料提出了更高要求，亟需开发新型的电接触材料。
在铜基电接触复合材料中，TiC由于具有高的熔点、硬度和热稳定性，以及一定的导电和导热能力，是开发高强高导铜电接触材料的理想增强体。当前TiC增强铜基复合材料多为TiC颗粒增强非连续铜基复合材料，TiC颗粒的存在可有效提高铜基复合材料的硬度、强度及耐磨性能，而如果能够使TiC形成连续网络并与铜结合形成复合材料，将更有利于发挥TiC的增强作用。
发明内容
为解决上述问题，本发明将石墨粉与钛粉充分混合并冷压成型，将其加入铜熔体，在铜熔体渗入过程中，通过控制Cu-Ti-C体系的反应过程，使自生反应生成的TiC相互连接形成连续网络，同时网络间引入铜基体，在进一步热压烧结获得致密的Cu-TiC电接触复合材料，所述Cu-TiC电接触复合材料由以下质量百分数的原料制备而成：
石墨粉1-10％、钛粉4-40％，其余为铜粉；
所述钛粉的粒度为5-200μm，所述石墨粉的粒度为1-50μm，所述铜粉的粒度为1-300μm；
所述电接触复合材料中TiC是以网络状形成连续网络状增强体。
本发明还提供了所述Cu-TiC电接触复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料准备：按质量百分比称取钛粉、石墨粉及铜粉；
(2)原料混合：将铜粉分成两份，首先将石墨粉与第一份铜粉在氩气气氛下混合均匀，再与钛粉及剩余的铜粉充分混合，得到Cu-Ti-石墨混合粉料；
(3)冷压成型：将Cu-Ti-石墨混合粉料冷压成圆柱形预制块；
(4)热压烧结：将冷压后的预制块置于真空热压烧结炉中，进行热压烧结，得到成品复合材料。
进一步地，所述步骤(2)是将铜粉分成两份，第一份铜粉与石墨的质量比为4-15:1，其余为第二份铜粉。
进一步地，步骤(2)是将石墨粉与第一份铜粉在氩气气氛下混合2-10h。
进一步地，所述步骤(3)中冷压成型的压力为50-100MPa。
进一步地，所述步骤(4)中真空热压烧结步骤如下：
1)将冷压后的预制块在压力100-300MPa下进行热压烧结，烧结温度为850-950℃，烧结时间为0.5-2h；
在此阶段，原料中的铜与钛先首先反应并形成低熔点共晶体，对未反应的石墨进行包覆；
2)步骤1)烧结后，将温度升高至1050-1250℃，并在压力为300-700MPa下进行二次热压烧结，烧结时间为1-3h；
在此阶段，原料中的钛与石墨充分反应形成TiC并实现块体的致密化，最终得到成品复合材料。
本发明通过半固态条件下铜熔体中Ti-C的反应自生成连续网络状TiC，制备以连续网络TiC为增强体的Cu-TiC电接触复合材料，通过充分的发挥TiC的增强作用，进一步提高Cu-TiC电接触复合材料的抗电弧烧蚀、抗机械磨损以及分断能力，以更好的满足特高压大电流等工况条件下电接触材料的性能需求。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明中TiC为自生反应合成，与铜基体界面结合良好，制备的复合材料中TiC增强体以连续网络状分布，铜基体分布于TiC网络之间，做为导电相，使得制备出的复合材料的抗熔焊能力、耐电弧烧蚀性及耐机械磨损性能显著提高，同时具有优良的导电、导热性能，具有良好的应用前景。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为实施例1制备的Cu-TiC电接触复合材料微观组织；
图2为实施例1制备的Cu-TiC电接触复合材料中深腐蚀出的TiC微观形貌。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明提供的Cu-TiC电接触复合材料进行进一步说明。
实施例1
(1)原料准备：按质量百分比称取，粒度为5μm、纯度大于99％的钛粉：24％、粒度为50μm、纯度大于99％的石墨粉：6％，其余为粒度为50μm、纯度＞99.5％的铜粉；
(2)原料混合：将石墨粉首先与部分铜粉混合均匀，然后与钛粉及剩余的铜粉充分混合，得到Cu-Ti-石墨混合粉料；
(3)冷压成型：将步骤(2)中得到的Cu-Ti-石墨混合粉料冷压成圆柱形预制块，所用压力为80MPa。
(4)热压烧结：将冷压后的预制块置于热压烧结炉中，进行热压烧结；
热压烧结采用两步法：首先加热到850℃，在100MPa压力下保温60min，然后将温度进一步升高到1050℃，在600MPa下保温1h，最终得到复合材料。
制备的电接触复合材料微观组织如图1所示，制备的电接触复合材料中TiC微观组织如图2所示，可以看出TiC连接形成连续网络。
经测试，本实施例制备的TiC增强铜基电接触复合材料的硬度为215HV，导电率43％IACS。
实施例2
(1)原料准备：按质量百分比称取，粒度为50μm、纯度大于99％的钛粉：8％、粒度为5μm、纯度大于99％的石墨粉：2％，其余为粒度为50μm、纯度＞99.5％的铜粉；
2)原料混合：将石墨粉首先与部分铜粉混合均匀，然后与钛粉及剩余的铜粉充分混合，得到Cu-Ti-石墨混合粉料；
(3)冷压成型：将步骤(2)中得到的Cu-Ti-石墨混合粉料冷压成圆柱形预制块，所用压力为80MPa；
(4)热压烧结：将冷压后的预制块置于热压烧结炉中，进行热压烧结；
热压烧结采用两步法：首先加热到850℃，在100MPa压力下保温30min，然后将温度进一步升高到1050℃，在500MPa下保温1h，最终得到复合材料。
经测试，本实施例制备的TiC增强铜基电接触复合材料的硬度为159HV，导电率62％IACS。
实施例3
(1)原料准备：按质量百分比称取，粒度为10μm、纯度大于99％的钛粉：4％、粒度为3μm、纯度大于99％的石墨粉：1％，其余为粒度为20μm、纯度＞99.5％的铜粉；
2)原料混合：将石墨粉首先与部分铜粉混合均匀，然后与钛粉及剩余的铜粉充分混合，得到Cu-Ti-石墨混合粉料；
(3)冷压成型：将步骤(2)中得到的Cu-Ti-石墨混合粉料冷压成圆柱形预制块，所用压力为50MPa；
(4)热压烧结：将冷压后的预制块置于热压烧结炉中，进行热压烧结；
热压烧结采用两步法：首先加热到900℃，在100MPa压力下保温30min，然后将温度进一步升高到1050℃，在300MPa下保温1h，最终得到复合材料。
经测试，本实施例制备的TiC增强铜基电接触复合材料的硬度为143HV，导电率75％IACS。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种Cu-TiC电接触复合材料，其特征在于，所述电接触复合材料是由以下质量百分数的原料制备而成：
石墨粉1-10％、钛粉4-40％，其余为铜粉；
所述钛粉的粒度为5-200μm，所述石墨粉的粒度为1-50μm，所述铜粉的粒度为1-300μm；
所述电接触复合材料中TiC是以网络状形成连续网络状增强体。
2.根据权利要求1所述Cu-TiC电接触复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料准备：按质量百分比称取钛粉、石墨粉及铜粉；
(2)原料混合：将铜粉分成两份，首先将石墨粉与第一份铜粉在氩气气氛下混合均匀，再与钛粉及剩余的铜粉充分混合，得到Cu-Ti-石墨混合粉料；
(3)冷压成型：将Cu-Ti-石墨混合粉料冷压成圆柱形预制块；
(4)热压烧结：将冷压后的预制块置于真空热压烧结炉中，进行热压烧结，得到成品复合材料。
3.根据权利要求2所述Cu-TiC电接触复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)是将铜粉分成两份，第一份铜粉与石墨的质量比为4-15:1，其余为第二份铜粉。
4.根据权利要求2所述Cu-TiC电接触复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)是将石墨粉与第一份铜粉在氩气气氛下混合2-10h。
5.根据权利要求2所述Cu-TiC电接触复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中冷压成型的压力为50-100MPa。
6.根据权利要求2所述Cu-TiC电接触复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中真空热压烧结步骤如下：
1)将冷压后的预制块在压力100-300MPa下进行热压烧结，烧结温度为850-950℃，烧结时间为0.5-2h；
2)步骤1)烧结后，将温度升高至1050-1250℃，并在压力为300-700MPa下进行二次热压烧结，烧结时间为1-3h，得到成品复合材料。
CN202110317786.XA 2021-03-24 2021-03-24 一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法 Active CN113073226B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110317786.XA CN113073226B (zh) 2021-03-24 2021-03-24 一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110317786.XA CN113073226B (zh) 2021-03-24 2021-03-24 一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113073226A true CN113073226A (zh) 2021-07-06
CN113073226B CN113073226B (zh) 2022-04-22

Family

ID=76610129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110317786.XA Active CN113073226B (zh) 2021-03-24 2021-03-24 一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113073226B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113981263A (zh) * 2021-10-26 2022-01-28 北京科技大学 一种原位反应制备铜基碳化钛复合材料的方法
CN114574724A (zh) * 2022-01-20 2022-06-03 浙江大学温州研究院 一种定向分布的SnO2/A2Sn2O7复相陶瓷增强银基复合材料的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1804077A (zh) * 2005-01-12 2006-07-19 中国科学院金属研究所 一种原位生成碳化钛弥散强化铜基复合材料及其制备方法
US20150353424A1 (en) * 2013-01-11 2015-12-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method for producing an al/tic nanocomposite material
CN105483413A (zh) * 2015-12-18 2016-04-13 聊城大学 原位析出TiC纳米硬质相增强网状铜钛复合材料及其制备方法
CN107675009A (zh) * 2017-08-03 2018-02-09 西安理工大学 三维网络结构二硼化钛增强铜基复合材料及其制备方法
CN108149059A (zh) * 2018-02-06 2018-06-12 国网河北能源技术服务有限公司 一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1804077A (zh) * 2005-01-12 2006-07-19 中国科学院金属研究所 一种原位生成碳化钛弥散强化铜基复合材料及其制备方法
US20150353424A1 (en) * 2013-01-11 2015-12-10 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Method for producing an al/tic nanocomposite material
CN105483413A (zh) * 2015-12-18 2016-04-13 聊城大学 原位析出TiC纳米硬质相增强网状铜钛复合材料及其制备方法
CN107675009A (zh) * 2017-08-03 2018-02-09 西安理工大学 三维网络结构二硼化钛增强铜基复合材料及其制备方法
CN108149059A (zh) * 2018-02-06 2018-06-12 国网河北能源技术服务有限公司 一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113981263A (zh) * 2021-10-26 2022-01-28 北京科技大学 一种原位反应制备铜基碳化钛复合材料的方法
CN114574724A (zh) * 2022-01-20 2022-06-03 浙江大学温州研究院 一种定向分布的SnO2/A2Sn2O7复相陶瓷增强银基复合材料的制备方法
CN114574724B (zh) * 2022-01-20 2022-10-21 浙江大学温州研究院 一种定向分布的SnO2/A2Sn2O7复相陶瓷增强银基复合材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113073226B (zh) 2022-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113073226B (zh) 一种Cu-TiC电接触复合材料及其制备方法
CN101699591B (zh) 一种由铜钨合金制成的触头部分、铜或铜合金制成的导电杆部分组成的整体触头及其制备方法
Zhang et al. Arc erosion behavior of the Al2O3-Cu/(W, Cr) electrical contacts
CN102166650B (zh) 一种梯度铜钨/铜铬锆青铜整体触头制造方法
CN102162055B (zh) 高抗电弧烧蚀的钨铜复合材料的制备方法
CN102828059B (zh) 纳米颗粒充填钨骨架特种结构电触头合金的制备方法
CN108149059B (zh) 一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法
US10804044B2 (en) Electrical contact alloy for vacuum contactors
CN100365747C (zh) 一种低压电器用的电触头材料
CN104051054A (zh) 一种银、碳化钛基触头材料及其制备方法
CN103045895A (zh) 一种电接触材料及其制备方法
US20150170846A1 (en) Monolithic contact system and method of forming
CN106591611B (zh) 一种改善CuW合金耐磨性的方法
JPH11269579A (ja) Ａｇ−Ｗ／ＷＣ系焼結型電気接点材料およびその製造方法
CN108251683B (zh) 一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料及制备方法
CN112593105A (zh) 一种利用梯度铜钨合金粉末制备铜钨梯度功能材料的工艺
CN112643022B (zh) 一种激光选区熔化成形铁基非晶增强铜基合金的铜基复合粉末
CN110218896A (zh) Cu-Cr2Nb合金及其制备方法、铜基电触头及其制备方法，以及高压隔离开关
CN101786164A (zh) 采用CrMo合金粉制备CuCrMo触头材料的方法
CN111057960A (zh) 一种电弧熔炼制备TiC增强铁基高熵合金复合材料的方法
CN114515829A (zh) 层状梯度W-Cu复合材料的制备方法
CN114171334A (zh) 一种复合触头的制备方法
CN106566937A (zh) 一种提高CuW合金硬度的方法
JP4621336B2 (ja) 真空遮断器用接点材料、その製造方法および真空遮断器
JP2002088437A (ja) 真空バルブ用接点材料及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant