一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法与流程

文档序号:15457727发布日期:2018-09-15 01:37

本发明属于电工材料领域,具体涉及一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法。



背景技术:

众所周知,大多数低压电器用电接触材料都是贵金属,特别是银基合金或复合材料材料。尽管银基材料可保证电接触元件的良好服役特性和电器的可靠工作,却导致了稀贵金属的大量消耗。

与银相比,铜作为电接触材料最大的问题在于其易于氧化,且生成的氧化膜不导电。因此,以铜作为电接触材料基体时,必须要解决其在存储和服役过程中的氧化问题。目前研究结果认为,添加稀土元素(La、Ce、Y等)和微量(Zr、Te、In、Hf、Bi、Cd等)元素合金化能够有效控制铜的氧化膜生长速度。但在低压电器接通和分断时,电弧和焦耳热的作用仍然会使铜触头表面发生熔化和氧化,使其接触特性恶化。所以,如何有效控制铜触头工作层(表面氧化及电弧烧蚀形成的膜层)接触特性成为铜基电接触材料设计的关键性问题。

基于电接触理论和参照银基电接触材料设计原则,目前低压电器上使用的铜基材料大都在基体合金化的基础上,通过第二相添加构成耐烧蚀骨架和保证其表层接触特性。较早用于低压开关的Cu-C(石墨、金刚石等,近几年也有人提出石墨烯、碳纳米管等)触头是利用石墨的高导电性提高了铜触头的接触导通能力,同时起到了抗熔焊作用,使其具有极高的通断能力。但由于石墨与基体之间润湿性较差,在热-力循环载荷作用下裂纹易于快速扩展,造成早期失效,因而Cu-C(石墨)触头电寿命较低。邵文柱等人在Cu-C(金刚石)系列触头材料的基础上添加金属相(Nb、V、W、Ta、Mo),主要利用这些金属不易氧化,且其低价氧化物具有良好导电性的特点,保证材料表面工作层具有较高的转换稳定性和抗腐蚀特性,使之在一些电器上得到了产业化应用。但由于上述添加的金属相与基体之间润湿性较差,会导致材料快速失效;且在长期服役时表面金属氧化物会与水蒸气反应形成钨酸铜类绝缘产物,使触头失去接触转换功能。也有研究者参考Ag-MeO触头材料设计,在铜合金添加SnO2、ZnO类氧化物及SiC、BN类陶瓷相作为第二相,但没有实际应用的报导。总之,目前这种设计思想所开发出的触头材料,已经无法满足接触器类长寿命电器和新型低接触压力高容量电器的要求。



技术实现要素:

本发明是要解决电器开关分断触头可靠性差、寿命短的问题。而提供一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法。

一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料按质量百分比由4%~10%的二元导电氧化物、0.004%~0.01%的镧、0.1%~0.3%的锆和余量的铜制成。

上述一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料具体按以下步骤进行:

一、称取金属A、金属B和铜合金粉末,其中金属A和金属B的质量比为1:(23~24),金属A和金属B的总量与铜合金粉末的质量比为1:(9~20);所述金属A为铝、镓、锑或钼,金属B为锌或锡,且保证铝或镓与锌组合,锑或钼与锡组合;所述铜合金粉末为铜-镧-锆合金粉末;

二、将步骤一中的金属A和金属B的碎屑或粉末分别溶于质量百分含量为20~25%的硫酸中,得到硫酸A盐溶液和硫酸B盐溶液;将硫酸A盐溶液和硫酸B盐溶液混合后向其中加入铜合金粉末和蒸馏水,在温度为60~85℃的水浴条件下搅拌形成悬浊液;

三、采用13~16%碳酸钠溶液在搅拌条件下将悬浊液的pH值调整为7.0~7.4,静置得到沉淀物;

四、将沉淀物过滤后利用蒸馏水进行洗涤,随后进行真空干燥,之后在氩气保护条件下进行煅烧,煅烧后过筛,得到二元导电氧化物与铜粉的混合粉末;所述二元导电氧化物与铜粉的混合粉末按质量百分比由4%~10%的二元导电氧化物、0.004%~0.01%的镧、0.1%~0.3%的锆和余量的铜组成;

五、将步骤四中得到的二元导电氧化物与铜粉的混合粉末冷压成型后进行烧结,再进行挤压或轧制,即得到二元导电氧化物改性铜基电接触材料。

本发明的二元导电氧化物改性铜基电接触材料用于电磁轨道炮导轨及高速列车受电弓滑板等强电弧烧蚀环境电能转换装置电接触元件的制造。

本发明的有益效果:

1、本发明采用掺杂改性二元导电氧化物作为第二相和基体合金化的原则进行材料设计,并通过液相原位合成共沉积及后续热处理等方法实现材料制备,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。

2、本发明以二元导电氧化物作为第二相,提高了材料的耐电弧烧蚀性。所添加二元导电氧化物以ZnO和SnO2为主体,通过液相共沉积及后续热处理实现掺杂和复合,在铜基体中形成高导电的掺杂二元氧化物微纳米弥散相;利用本发明所制备出的触头件性能指标如下:密度为8.4-8.75g/cm3;硬度为HB65-95;电阻率为2.1-2.6μΩ.cm。

具体实施方式

具体实施方式一:本实施方式一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料按质量百分比由4%~10%的二元导电氧化物、0.004%~0.01%的镧、0.1%~0.3%的锆和余量的铜制成。

本实施方式掺杂改性二元导电氧化物可以起到提高材料接触导电能力、自灭弧能力和与基体润湿性的多重效果。

1、接触电阻低且稳定。研究表明,ZnO、SnO2等氧化物在纯态的导电性很差,经过掺杂后,其导电性会大大提高,电阻率可以提高到10-4Ωcm的量级,从而可以在触头表面及工作层中起到接触导通的作用。由于第二相组元良好的导电性,即使其含量较高的情况下也不会降低材料的导电性,不会提高接触电阻。同时,由于掺杂改性二元导电氧化物不会与大气环境介质发生进一步反应,从而可以保持接触状态的稳定。

2、自灭弧能力提高。SnO2、ZnO等纯态氧化物稳定性很高(熔点均为2000K以上),在服役过程中的焦耳热和电弧的作用下不易气化和挥发。而经掺杂后的二元氧化物(例如SnO2·MoO3)在1494K的饱和蒸汽压可达10-3atm.,并生成(SnO)n·MoO3+复合离子结构,其在电弧作用下的生成和进一步分解都会吸收能量,使电弧阴极斑点在触头表面移动速度的提高,并缩短燃弧时间,从而起到自灭弧的作用,降低电磨损。

3、界面润湿性的改善。对于Ag-MeO触头材料的研究表明,通过添加Bi2O3、TeO2、WO3、MoO3等添加剂的使用极大地改善了Ag-SnO2的接触特性,使其应用上了一个新的台阶。关于添加剂的作用原理目前尚不清楚,Didiere Jnnaot等认为是在高温条件下,添加剂与第二相发生反应,生成生成如Bi2Sn2O7、Ag2MoO4、AgSbO3等新的物相而改善了润湿性。二元氧化物掺杂所生成的物相也具有上述特性,因而可以达到与基体较好的润湿效果。

采用铜基体合金化方式改善添加相与基体的润湿性和提高基体抗氧化能力。在铜中固溶(0.2~0.7)wt.%合金化元素(Te、Bi、Zr、Cr等)可使其强度比退火T2纯铜强度提高200~240%,电阻率上升15~20%;再复合添加(0.001~0.005)wt.%La,可使合金在大气环境下80~120℃范围内氧化速率下降30~60%;同时,随着元素含量的变化,铜合金与二元导电氧化物陶瓷(SnO2、ZnO等)在1500K的润湿角可在25~110°范围内调节。

本实施方式当二元导电氧化物添加量低于4%时,其对复合材料的服役性能没有较大贡献;而当添加组元的含量高于10%时,将导致触头性能的急剧恶化。与现有Cu-1wtCp材料相比,二元导电氧化物的添加可降低触头材料的接触电阻,有效提高材料的耐电弧烧蚀性和抗熔焊性,强化铜合金基体,还可使材料的强度保持持久。

具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:所述二元导电氧化物为氧化铝掺杂氧化锌、氧化镓掺杂氧化锌、氧化锑掺杂氧化锡或氧化钼掺杂氧化锡中的一种。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:二元导电氧化物为掺杂4~5wt%氧化铝的氧化锌。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:二元导电氧化物为掺杂4~5wt%氧化镓的氧化锌。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:二元导电氧化物为掺杂4~5wt%氧化锑的氧化锡。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:二元导电氧化物为掺杂4~5wt%氧化钼的氧化锡。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七:本实施方式一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料具体按以下步骤进行:

一、称取金属A、金属B和铜合金粉末,其中金属A和金属B的质量比为1:(23~24),金属A和金属B的总量与铜合金粉末的质量比为1:(9~20);所述金属A为铝、镓、锑或钼,金属B为锌或锡,且保证铝或镓与锌组合,锑或钼与锡组合;所述铜合金粉末为铜-镧-锆合金粉末;

二、将步骤一中的金属A和金属B的碎屑或粉末分别溶于质量百分含量为20~25%的硫酸中,得到硫酸A盐溶液和硫酸B盐溶液;将硫酸A盐溶液和硫酸B盐溶液混合后向其中加入铜合金粉末和蒸馏水,在温度为60~85℃的水浴条件下搅拌形成悬浊液;

三、采用13~16%碳酸钠溶液在搅拌条件下将悬浊液的pH值调整为7.0~7.4,静置得到沉淀物;

四、将沉淀物过滤后利用蒸馏水进行洗涤,随后进行真空干燥,之后在氩气保护条件下进行煅烧,煅烧后过筛,得到二元导电氧化物与铜粉的混合粉末;所述二元导电氧化物与铜粉的混合粉末按质量百分比由4%~10%的二元导电氧化物、0.004%~0.01%的镧、0.1%~0.3%的锆和余量的铜组成;

五、将步骤四中得到的二元导电氧化物与铜粉的混合粉末冷压成型后进行烧结,再进行挤压或轧制,即得到二元导电氧化物改性铜基电接触材料。

本实施方式采用原位合成方式实现掺杂改性二元微纳米添加相微观结构和弥散性的调控。微纳米第二相具有强烈的团聚倾向以降低其表面能,因此采用常规的粉末混合工艺难以制备含微纳米二元导电氧化物的触头材料。目前已报道的微纳米AgSnO2的制备方法主要有:高能球磨和反应球磨法、化学镀法、内氧化法和化学共沉积法等。鉴于铜合金的物理化学特性,上述方法很难实际应用。同时,如前所述,固相的表面微观结构对其润湿性有着至关重要的影响,上述方法很难实现第二相表面微观结构的调控。本实施方式采用原位合成方法实现二元导电氧化物在铜合金基体中的均匀分散和微观结构控制,即采用化学共沉积的方式制备二元导电氧化物先驱体与铜合金粉末的混合物,然后通过煅烧得到混合粉体。进一步采用粉末成型和变形加工相结合的方式,实现电接触材料微观组织控制。

步骤二中加入铜合金粉末和蒸馏水的过程为缓慢逐步加入。

具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式七不同的是:步骤四中所述二元导电氧化物为氧化铝掺杂氧化锌、氧化镓掺杂氧化锌、氧化锑掺杂氧化锡或氧化钼掺杂氧化锡中的一种。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式七或八不同的是:步骤四中所述煅烧的温度为800~850℃,煅烧时间为2~4h。其它与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是:步骤五中所述烧结的温度为900~950℃,烧结时间为2~4h。其它与具体实施方式七至九相同。

通过以下试验验证本发明的效果:

实施例一:一种二元导电氧化物改性铜基电接触材料具体按以下步骤进行:

一、称取0.13g铝粉和3.81g锌粉和95g铜-镧-锆合金粉末;

二、将步骤一中的0.13g铝粉和3.81g锌粉分别溶于质量百分含量为20%的硫酸中,得到硫酸铝溶液和硫酸锌溶液;将硫酸铝溶液和硫酸锌溶液混合后向其中加入铜合金粉末和蒸馏水,在温度为60℃的水浴条件下搅拌形成悬浊液;

三、采用15%碳酸钠溶液在搅拌条件下将悬浊液的pH值调整为7.0~7.4,静置得到沉淀物;

四、将沉淀物过滤后利用蒸馏水进行洗涤,随后进行真空干燥,之后在850℃氩气保护条件下进行煅烧,煅烧4h,煅烧后过筛,得到二元导电氧化物与铜粉的混合粉末;

五、将步骤四中得到的二元导电氧化物与铜粉的混合粉末冷压成型后进行烧结,再进行挤压或轧制,即得到5%导电氧化锌(掺杂氧化铝)改性铜基电接触材料样件。

实施例二:按照实施例一的制备工艺,选择原材料为0.26g铝粉、7.62g锌粉和90g铜-镧-锆合金粉末,沉淀物在850℃氩气保护条件下煅烧4小时混合粉末冷压成型后在保护气氛烧结炉中930℃条件下烧结4小时,将烧结坯进行挤压处理,即得到10%导电氧化锌(掺杂氧化铝)改性铜基电接触材料样件。

实施例三:按照实施例一的制备工艺,选择原材料为0.19g镓粉、3.81g锌粉和95g铜-镧-锆合金粉末,沉淀物在820℃氩气保护条件下煅烧4小时混合粉末冷压成型后在保护气氛烧结炉中930℃条件下烧结4小时,将烧结坯进行挤压处理,即得到5%导电氧化锌(掺杂氧化镓)改性铜基电接触材料样件。

实施例四:按照实施例一的制备工艺,选择原材料为0.38g镓粉、7.62g锌粉和90g铜-镧-锆合金粉末,沉淀物在820℃氩气保护条件下煅烧4小时混合粉末冷压成型后在保护气氛烧结炉中930℃条件下烧结4小时,将烧结坯进行挤压处理,即得到10%导电氧化锌(掺杂氧化镓)改性铜基电接触材料样件。

实施例五:按照实施例一的制备工艺,选择原材料为0.21g锑粉、3.74g锡粉和95g铜-镧-锆合金粉末,沉淀物在820℃氩气保护条件下煅烧4小时混合粉末冷压成型后在保护气氛烧结炉中940℃条件下烧结4小时,将烧结坯进行挤压处理,即得到5%导电氧化锡(掺杂氧化锑)改性铜基电接触材料样件。

实施例六:按照实施例一的制备工艺,选择原材料为0.42g锑粉、7.48g锡粉和90g铜-镧-锆合金粉末,沉淀物在820℃氩气保护条件下煅烧4小时混合粉末冷压成型后在保护气氛烧结炉中940℃条件下烧结4小时,将烧结坯进行挤压处理,即得到10%导电氧化锡(掺杂氧化锑)改性铜基电接触材料样件。

实施例七:按照实施例一的制备工艺,选择原材料为0.17g钼粉、3.74g锡粉和95g铜-镧-锆合金粉末,沉淀物在800℃氩气保护条件下煅烧4小时混合粉末冷压成型后在保护气氛烧结炉中940℃条件下烧结4小时,将烧结坯进行挤压处理,即得到5%导电氧化锡(掺杂氧化钼)改性铜基电接触材料样件。

实施例八:按照实施例一的制备工艺,选择原材料为0.34g钼粉、7.48g锡粉和90g铜-镧-锆合金粉末,沉淀物在800℃氩气保护条件下煅烧4小时混合粉末冷压成型后在保护气氛烧结炉中940℃条件下烧结4小时,将烧结坯进行挤压处理,即得到10%导电氧化锡(掺杂氧化钼)改性铜基电接触材料样件。

利用本发明所制备出的触头件性能指标如下:密度为8.4~8.75g/cm3;硬度为HB65~95;电阻率为2.1~2.6μΩ.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,测试交流条件下的电磨损稳定性、出现工作层时触头表面的接触压降。详细数据列于表1之中(对比样用X表示)。试验条件为:I=30A,U=380V,开/关循环次数为10000次。电压降为30次测试的平均值。电磨损量为触头对上磨损量的平均值。

表2中所列为表1中14号触头件与对比样件直流条件下的耐烧蚀性和物质转移量。试验条件为:I=100A,U=380V,开/关循环次数为10000次,(+)表示质量增加,(-)表示质量减少。由表中可见,本发明所提出的触头材料具有较高的耐电弧烧蚀性,工作面接触压降(即接触电阻)较低,直流条件下的电物质转移量极低。

表1实施例

表2本发明材料与对比样件直流条件下的物质转移量

AC4工作制下耐电弧烧蚀性对比试验结果与上述结果一致。接通和分断参数相同:分断电流150A;分断电压380V;功率因数0.35;操作频率1200次/小时。寿命指标20000次。试验结果表明,用作对比的标样件寿命值仅能达到要求值的50-63%,而本发明所提供的样件,均可达到寿命指标的要求值。与对比样相比,本发明所提供的触头材料可提高电器开关的可靠性和使用寿命。

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