一種銅基電接觸層狀復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銅基電接觸層狀復(fù)合材料，特別涉及采用真空熱壓燒結(jié)工藝制備銅基電接觸層狀復(fù)合材料的方法，主要用于中低負(fù)載的電源開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器、起動(dòng)器等電器裝置中。
【背景技術(shù)】
[0002]弱電接觸元件是儀器儀表的關(guān)鍵部件，對(duì)儀器儀表的壽命和工作可靠性起著重要作用，為了保證弱電觸頭工作可靠性，國(guó)內(nèi)外普遍采用貴金屬銀及其合金材料制作。近年來(lái)，為了減少銀金屬的損耗，人們不斷尋求新的節(jié)銀、代銀技術(shù)途徑。根據(jù)銀與銅的物理化學(xué)性質(zhì)，銅的電和導(dǎo)熱性質(zhì)上與銀最相近，所以，作為導(dǎo)電材料，代替銀的最合適的金屬是銅。但是銅作為電接觸材料的主要障礙在于銅基材料表面在大氣環(huán)境條件下容易氧化，生成導(dǎo)電性極差的CuO和Cu20，導(dǎo)致觸頭元件的接觸電阻大幅增加，使材料在使用中容易發(fā)熱，直接影響電開(kāi)關(guān)的工作可靠性和壽命，使銅及一般的銅合金難于作為接觸材料應(yīng)用。另外，一般銅合金不能滿足電觸頭元件綜合電性能方面的要求。目前已有的銅-石墨等一些銅基電接觸材料因電接觸表面存在較嚴(yán)重的氧化問(wèn)題，使其應(yīng)用得到限制，僅在真空開(kāi)關(guān)控制電路中得到應(yīng)用。由于低壓開(kāi)關(guān)具有較小的開(kāi)關(guān)力，使電觸頭表面生成的氧化膜不易被破壞，由于氧化膜的存在，使接觸元件導(dǎo)電性惡化。為了提高銅基電接觸材料的抗氧化性，往往添加一些抗氧化元素，但是這些組元的添加使得材料的整體電接觸性能下降。
[0003]公開(kāi)號(hào)為CN104282448A中國(guó)專利，公開(kāi)了一種耐電弧燒蝕銅基電接觸復(fù)合材料，其組成為:0.5-6%鋅，0.5-2.5%氧化釔，0.04-1%富鈰混合稀土，0.5_5%碳化硼，其余為銅粉及其它不可避免的雜質(zhì)。上述材料雖然具有良好的抗電弧侵蝕、抗氧化性和自潤(rùn)滑性能，但是其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和抗熔焊性能還有待提高，尤其是整體致密度不是很高，影響了材料的綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種適用于中低負(fù)載、頻繁開(kāi)閉的電源開(kāi)關(guān)材料，如繼電器，接觸器，起動(dòng)器等電器裝置中，價(jià)格低廉、接觸電阻穩(wěn)定、抗熔焊性能佳、力學(xué)性能良好，抗氧化性與導(dǎo)電導(dǎo)熱性兼顧的中低壓電器用銅基電接觸復(fù)合材料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備上述材料的方法。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明的銅基電接觸層狀復(fù)合材料，是由以下重量百分比的材料組成:上層材料中，為
0.5-4%鉍、0.5-4%碳化鎢、0.1-0.6%釔、0.5-2.5%氧化釔，其余為銅及其它不可避免的雜質(zhì)；下層為純銅及其他不可避免的雜質(zhì)；上下層的層厚均為8-20mm。
[0006]本發(fā)明的一種銅基電接觸層狀復(fù)合材料，所述材料的優(yōu)選組成為:上層為2%鉍、2%碳化鎢、0.2%釔、1%氧化釔，其余為銅及其他不可避免的雜質(zhì)；下層為銅及其他不可避免的雜質(zhì)。
[0007]本發(fā)明的銅基電接觸層狀復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟為:
(1)首先，將釔和銅制成釔含量為0.1-0.6%的釔-銅合金粉，按照所述成分配比，將粒度為100-300目的銅-釔合金粉、鉍粉、碳化鎢粉、氧化釔粉進(jìn)行球磨混粉1-3小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘150-300轉(zhuǎn)；
(2)將100-300目的銅粉用鋼質(zhì)模具進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓壓力為30-100MPa。將預(yù)壓試樣放入石墨模具中，平鋪上步驟(I)中混合均勻的粉末進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。壓力為20-50MPa，燒結(jié)溫度為750-950°C，保溫時(shí)間為1-3小時(shí)。在達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)施加壓力，當(dāng)降溫到300-500°C時(shí)卸壓。升溫速率為5-15°C /min，冷卻到200°C以下溫度后取樣。整個(gè)燒結(jié)過(guò)程保持爐內(nèi)真空度低于1X10 2Pa0
[0008]本發(fā)明的制備方法中，球磨所用料球?yàn)閯傆袂?，球料比?5:1。
[0009]選用銅作為基體，銅與銀比較價(jià)格低廉，且資源較豐富，其導(dǎo)電導(dǎo)熱性、抗熔焊性、電流蝕及摩擦特性均可與銀媲美，能滿足電接觸材料基體的要求。考慮到觸頭材料上層抗氧化、電接觸性能等要求，所以上層選用了抗氧化性良好的含稀土釔的銅基復(fù)合材料，并添加了適量的碳化鎢、氧化釔等組元，以提高材料的抗熔焊性等電性能，獲得良好的耐磨性。添加鉍組元以改善材料的抗電弧燒蝕性?？紤]到電接觸材料下層對(duì)力學(xué)和電接觸性能要求不高，所以下層材料選用純銅，以提高材料的整體導(dǎo)電導(dǎo)熱性，且易于與電器底座焊接連接，成本也更低廉。
[0010]本發(fā)明的銅基電接觸層狀復(fù)合材料主要應(yīng)用于中低電負(fù)載的電源開(kāi)關(guān)、繼電器、直流接觸器、空氣開(kāi)關(guān)等低壓電器中。本發(fā)明材料的整體抗熔焊性能、抗氧化性能、滅弧性能和耐磨性能良好，電接觸性能和銀基電接觸材料相近，下層材料導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良，且易于焊接，成本低廉，材料的整體導(dǎo)電性能優(yōu)良，是低中壓電器開(kāi)關(guān)中常用的銀合金電接觸材料的廉價(jià)替代品。
【具體實(shí)施方式】
[0011]實(shí)施例1:
本實(shí)施例材料的組成重量配比為:上層為2%鉍、2%碳化鎢、0.2%釔、1%氧化釔，余量為銅；下層為銅。
[0012](I)將銅-釔合金粉和粒度為200目的鉍粉進(jìn)行球磨混合，球磨時(shí)間為2小時(shí)，球磨所用料球?yàn)榈膭傆袂颍蛄媳葹?5:1 ;然后加入2%的碳化鎢和1%的氧化釔進(jìn)行機(jī)械混粉；
(2)將100-300目的銅粉用鋼質(zhì)模具進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓壓力為50MPa。然后將預(yù)壓試樣放入石墨模具中，平鋪上步驟(I)中混合均勻的粉末進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)。壓力為20MPa，燒結(jié)溫度為800°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)。在達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)施加壓力，當(dāng)降溫到400°C時(shí)卸壓。升溫速率在400°C前為10°C /min，400°C后為5°C /min，冷卻到200°C后取樣。整個(gè)燒結(jié)過(guò)程保持爐內(nèi)真空度低于lX10-2Pa。經(jīng)以上工藝過(guò)程，制成銅基電接觸層狀復(fù)合材料。
[0013]本材料基本性能:致密度99.54% ;電阻率2.34 μ Ω.cm ;上層硬度61 (HB);抗彎強(qiáng)度254MPa(純銅的為209MPa) ;400°C大氣環(huán)境條件下上層材料氧化20h的氧化增重1.18mg/cm2 (純銅的為 5mg/cm2)。
[0014]實(shí)施例2: 本實(shí)施例材料的組成重量配比為:上層為2%鉍、2%碳化鎢、0.2%釔、1%氧化釔，余量為銅；下層為銅。
[0015]步驟(I)與實(shí)施例1中的步