一种Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料及其制备工艺的制作方法

专利名称：一种Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金技术，具体说就是一种Ti3SiC2三层复合结 构的电触头材料及其制备工艺。
(二)
背景技术：
近年来，国内外不断推出各种系列的新型塑壳式断路器和小型高 分断路器，这些新型的断路器体积更小，分断能力却大幅度提高。新 型断路器除了采用一系列新的限流技术以提高分断能力外，对所用电 触头的抗熔焊，耐电弧烧损以及电寿命都提出了更高的要求。
目前公开的专利和正在应用的触头材料中， 一类是以银为主成分 的银基电触头材料，另一类是以铜为主成分的银基电触头材料。以银 为主成分的银基电触头材料电性能好，成本高，但在某些工况条件下 性能也不能满足高档新型电器产品的特殊要求。以铜为主成分的铜基 电触头材料成本低，电性能虽能满足使用要求，但仍有待提高。
(三)

发明内容
本发明的目的在于提供一种高强、高导电、高导热、耐氧化、抗 熔焊，耐电弧烧损、具有自润滑性能的Ti3SiC2三层复合结构的电触 头材料及其制备工艺。
本发明的目的是这样实现的所述的Ti3SiC2三层复合结构的电 触头材料由以下三层物质构成
第一层(表层)为厚度为3 1000wm的Ti3SiC2;
第二层(基体)为铜基或银基合金；
第三层(焊接层)为厚度为0.03 0. lOmm钎料。
本发明还有以下技术特征
(1) 本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的 Ti3SiC2是由纯度大于93%的Ti3SiC2粉末制成，Ti3SiC2粉末粒度 为0. 01 50um。
(2) 本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的 铜基合金为纯铜或者含有重量百分比为0.01 50%的金刚石、石墨、 银、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、铝、铬、铌、锡、锌、鸨、钒、 氧化锡、氧化镉、氧化铟中的一种或其中几种混合。
(3) 本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的 银基合金为纯银或者含有重量百分比为0.01 50%的钩、钼、铜、
镍、氧化镉、氧化锌、氧化锡、氧化铟、碳化钨、金刚石、石墨中的 一种或几种的混合。
(4)本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，所述的钎 料含有重量百分比为3. 5-4. 5%的锡、0-31%的银、1.5-17%的锌、 0-5. 2%的磷、余量为铜。
本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺， 其制备工艺如下
(1) 铜基或银基合金按粉末冶金法，经混粉、压制、烧结、挤 压、轧制成所需规格的板材。
(2) 钎料以熔炼法、轧制成厚度为0.05 0. 15腿的带材。
(3) 对铜基(或银基)合金板材进行单面处理，使表面粗糙度为 2.5~13 u mRa。
(4) 采用刷覆或等离子喷涂的方式将Ti3SiC2金属陶瓷粉喷涂 到上述处理过的板材上。
(5) 将上述板材在真空度100 5X 104Pa、温度800 90(TC下保 温10 90min。获Ti3SiC2/铜(银)合金复合材料板材。
(6) 将上述Ti3SiC2/铜(银)基复合板材经酸洗后，采用热敷 法将Ti3SiC2/铜(银)基复合板材的铜(银)基面与钎料带材复合， 获Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材。
(7) Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材在真空或者保护 气氛下进行时效处理，处理温度400 50(TC，处理时间1 5小时。
(8) 将时效处理后的板材轧制至规定尺寸，并按触头尺寸进行 机械加工。
本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料，通过Ti3SiC2/
铜(银)基合金/钎料三层结构的合理配置，以Ti3SiC2为表层，不
但强度高，而且具备良好的导电性、导热性，抗熔焊、耐电弧烧蚀、
耐腐蚀、抗热震、抗氧化尤其高温抗氧化性等优良特性。特别是该材
料的超低磨擦系数和自润滑性，是电接触材料不可或缺的特性之一。
铜(银)基合金、钎料的合理配置则可以降低成本，可广泛应用于低
压电器用触头材料，如断路器和接触器触头。 具体实施例方式
下面对本发明作进一步说明。 本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料由以下三层物 质构成
第一层(表层)为厚度为3 1000um的Ti3SiC2; 第二层(基体)为铜基或银基合金； 第三层(焊接层)为厚度为0.03 0. lOmm钎料。 这三层结构通过刷覆、烧结、时效处理等工艺方法制备而成。 Ti3SiC2属六方晶体结构，共棱的TiC八面体被由Si原子形成 的Si层所分隔开来，形成特殊的纳米尺度层片状结构。这种结构赋 予它象石墨一样具有润滑性和可加工性，结合了金属和陶瓷的许多优 良性能。Ti3SiC2熔点高达300(TC，具有极好的导电性、导热性，其 导电性与纯金属相当，25'C时导电率达4. 7X106sm—、导热性达 33.5Wm—'K—'。另外，Ti3SiC2所具备的高强度、抗热震、耐腐蚀、抗 氧化，尤其抗高温氧化性和抗循环氧化能力以及自润滑性和超低磨擦 系数等特性，是低压电器用触头的理想材料，因此选为表层。
金刚石是自然界中导热率最高的物质，导热率达138. 16 Wm—'K—'， 同时具有熔点高(约370(TC)、硬度大、耐磨损等性能，采用粉末冶 金方法在铜中加入细小的金刚石颗粒，不但可以起到弥散强化作用， 提高硬度和耐磨性的作用，还将电弧产生的热量传导至桥架，降低触 头表面温度。更为重要的是触头表面的金刚石粒子在打弧时烧掉，在 触头表面不产生导致电阻增加的沉积物。同时，以铜为主成份的触头 在高温电弧作用下，金刚石燃烧产生的一氧化碳可使触头表面的氧化 铜还原为金属铜或氧化亚铜。因此，在触头表面被氧化的情况下，可 由金刚石和氧化亚铜改变氧化层的结构。氧化亚铜呈粉状薄膜，有利 于保证触头具有充分的整流作用。
铜中添加少量的银并经过大的变形处理，可以改善其强度、硬度， 增加电导、热导和抗腐蚀性，提高流动性和浸润性并改善冷热加工性 能。在铜中适量加入镧、铈、镝、钐、镱、钇作为铜的合金元素，能 改善铜基合金低温和高温的抗氧化能力，提高铜基合金的强度和再结 晶温度，并使电导率略有提高。在铜中适量加锆、铬、铝可以提高铜 基材料的中、高温抗氧化能力、抗烧蚀性能和耐腐蚀性能。铝、锡、 锌在作为触头材料时可以通过其汽化降低触头温度和具有灭弧作用。 铬、铌、钨、钒在铜基体中固溶度极低，这些元素的加入对提高基体 的抗氧化性能、强度和抗烧蚀性能具有一定的作用。该类合金的加入 也可以提高再结晶温度。同时可以增加触头表面在电弧作用下所形成 的金属熔池的粘性，减少触头材料的物质损失，从而增加触头的电寿在铜基体中加入氧化镉、氧化锡和氧化铟的作用是:在电弧作用 下氧化镉、氧化锡和氧化铟蒸发成气体，起到灭弧作用，并降低触头 表面温度。同时还可以增加触头表面金属熔池的粘性，减小溶池喷溅 倾向，从而减小触头表面的物质损失，增加触头寿命。
基于以上分析，在铜中适当添加金刚石、石墨、银、镧、铈、镝、 钐、钇、镱、锆、铝、铬、铌、锡、锌、钨、钒、氧化锡、氧化镉、 氧化铟中的一种或其中几种的混合，能改善铜基触头的相关性能。作 为基体材料，能保证在表层损耗过大的情况下仍能保证触头正常工 作。
本发明所述银基合金为已处于应用状态的银基触头材料，作为基 体，同样可以保证在表层损耗过大的情况下仍能保证触头正常工作。
焊接层提高了触头焊接效率，降低人工成本。
本发明一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料的制备工艺如
下
(1) 铜基或银基合金按粉末冶金法，经混粉、压制、烧结、挤 压、轧制成所需规格的板材。
(2) 钎料以熔炼法、轧制成厚度为0.05 0. 15mm的带材。
(3) 对铜基(或银基)合金板材进行单面处理，使表面粗糙度为 2.5~13 u mRa。
(4) 采用刷覆或等离子喷涂的方式将Ti3SiC2金属陶瓷粉喷涂 到上述处理过的板材上。
(5) 将上述板材在真空度100~5X l(T4Pa、温度800 900。C下保 温10 90min。获Ti3SiC2/铜(银)合金复合材料板材。
(6) 将上述Ti3SiC2/铜(银)基复合板材经酸洗后，采用热敷 法将Ti3SiC2/铜(银)基复合板材的铜(银)基面与钎料带材复合， 获Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材。
(7) Ti3SiC2/铜(银)合金銜料复合材料板材在真空或者保护 气氛下进行时效处理，处理温度400 500。C，处理时间1 5小时。
(8) 将时效处理后的板材轧制至规定尺寸，并按触头尺寸进行 机械加工。
实施例1
表层Ti3SiC2，厚度400um;
基体线铜，厚度1.4腿；
焊接层锡4.5%、银5. 2%、锌2.0%、磷5.0%、铜余量，厚
度0. l亂
实施例2
表层Ti3SiC2，厚度100um;
基体银，厚度l. l腿；
焊接层锡4.5%、银3 0%、锌15%、铜余量，厚度O. l腿。
表层Ti3SiC2，厚度200txm; 基体金刚石1.3%，铜余量，厚度l.lmm; 焊接层锡4. 5%、银5. 2%、锌2.0%、磷5.0%、 Cu余量， 厚度0. lmm。
实施例4
表层Ti3SiC2，厚度250wm;
基体金刚石1.3%、铝O. 12%、镧O. 34%、锆O. 05、铜余量， 厚度1. lmm;
焊接层锡3. 5%、银5.0%、锌2. 0%、磷5.0%、 Cu余量， 厚度0. 08mm。
实施例5
表层Ti3SiC2，厚度30um;
基体金刚石0.8%、银余量，厚度l.l腿；
焊接层锡4.5%、银31%、锌15%、铜余量，厚度O. 05腿。 实施例6
以实施3为例，其制备工艺为
(1) 将平均粒度为2.0um的金刚石微粉0.8kg与粒度为一200 目电解铜粉99. 2kg按粉末冶金法，经混粉、压制、烧结、挤压、轧 制成厚度为1.21mm的板材。
(2) 钎料以熔炼法、轧制成厚度为0. llmm的带材。
(3) 对板材进行单面处理，使表面粗糙度为5umRa。
(4) 采用等离子喷涂的方式将Ti3SiC2金属陶瓷粉喷涂到上述 处理过的板材上，厚度为220"m。
(5) 将上述板材在真空度100X10々a、温度900。C下保温60min。
(6) 板材酸洗后，采用热敷法将板材的铜基面与钎料带材复合。
(7) 在真空条件下进行时效处理，处理温度450'C，处理时间2小时。
(8) 将复合板材轧制1.3mm，并按触头尺寸进行机械加工。
权利要求
1.一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺，其电触头材料由以下三层物质构成第一层(表层)为厚度3～1000μm的Ti3SiC2；第二层(基体)为铜基(或银基)合金；第三层(焊接层)为厚度0.03～0.10mm钎料。
2. 根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材 料，其特征在于所述的Ti3SiC2是由纯度大于93%的Ti3SiC2粉 末制成，Ti3SiC2粉末粒度为0. 01 50um。
3. 根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材 料，其特征在于所述的铜基合金为纯铜或者含有重量百分比为 0.01 50%的金刚石、石墨、银、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、铝、 铬、铌、锡、锌、钨、钒、氧化锡、氧化镉、氧化铟中的一种或其中 几种的混合。
4. 根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材 料，其特征在于所述的银基合金为纯银或者含有重量百分比为 0.01 50%的钨、钼、铜、镍、氧化镉、氧化锌、氧化锡、氧化铟、 碳化钨、金刚石、石墨中的一种或几种的混合。
5. 根据权利要求1所述的一种Ti3SiC2三层复合结构的电触头 材料，其特征在于所述的钎料含有重量百分比为3.5-4.5%的锡、 0-31。％的银、1.5-17%的锌、0-5.2%的磷、余量为铜。
6. —种Ti3SiC2三层复合结构的电触头材料及其制备工艺，其 制备工艺如下(1) 所述的铜基或银基合金按粉末冶金法，经混粉、压制、烧 结、挤压、轧制成所需规格的板材；(2) 钎料以熔炼法、轧制成厚度为0.05 0. 15mm的带材；(3) 对铜基(或银基)合金板材进行单面处理，使表面粗糙度为 2.5~13 P mRa;(4) 采用刷覆或等离子喷涂的方式将Ti3SiC2金属陶瓷粉喷涂 到上述处理过的板材上；(5) 将上述板材在真空度100~5X l(T4Pa、温度800 90(TC下保温10 90min;获Ti3SiC2/铜(银)合金复合材料板材；(6) 将上述Ti3SiC2/铜(银)合金复合板材经酸洗后，采用热敷法将Ti3SiC2/铜(银)合金复合板材的铜(银)基面与钎料带材复合，获Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材；(7) Ti3SiC2/铜(银)合金/钎料复合材料板材在真空或者保护 气氛下进行时效处理，处理温度400 500'C，处理时间1 5小时；(8) 将时效处理后的板材轧制至规定尺寸，并按触头尺寸进行 机械加工。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种高强、高导电、高导热、耐氧化、抗熔焊，耐电弧烧损、具有自润滑性能的Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料及其制备工艺。Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料由以下三层物质构成第一层(表层)为厚度为3～1000μm的Ti₃SiC₂；第二层(基体)为铜基或银基合金；第三层(焊接层)为厚度为0.03～0.10mm钎料。本发明一种Ti₃SiC₂三层复合结构的电触头材料，通过Ti₃SiC₂/铜(银)基合金/钎料三层结构的合理配置，以Ti₃SiC₂为表层，不但强度高，而且具备良好的导电性、导热性，抗熔焊、耐电弧烧蚀、耐腐蚀、抗热震、抗氧化尤其高温抗氧化性等优良特性。
文档编号C22C1/04GK101345141SQ20081013699
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月25日 优先权日2008年8月25日
发明者严久江, 何肖冰, 倪树春, 刘新志, 王英杰 申请人:倪树春;王英杰;刘新志;严久江;何肖冰