一种氮化物增强铜基电接触复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种氮化物增强铜基电接触复合材料，特别设及一种添加适量氮化物 制备铜基电接触材料的方法，可W应用于中低电负载的电源开关、继电器、直流接触器、转 换器等中低压电器中。
【背景技术】
[0002] 弱电接触元件是仪器仪表的关键部件，对仪器仪表的寿命和工作可靠性起着重要 作用，为了保证弱电触头工作可靠性，国内外普遍采用贵金属银及其合金材料制作。近年 来，为了减少银金属的损耗，人们不断寻求新的节银、代银技术途径。铜的电和导热性质上 与银最相近，所W，铜是作为导电材料，代替银的最合适元素，但是铜作为电接触材料的主 要障碍在于铜基材料表面在大气环境条件下容易氧化，且其氧化物（化0和化2〇)具有很 低的电导率，急剧增大了元件的接触电阻，使材料在使用中容易发热，直接影响电开关的 工作可靠性和寿命，使铜及一般的铜合金难于作为接触材料应用。研究表明，电触头在开闭 过程中产生的电烙焊和电弧侵蚀现象极其复杂，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、烙化、汽化、流动和凝固等物理冶金过程，导致触头表面产生烙 融、软化、喷瓣、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。但是金属铜比较银而言易氧化，且氧化产物电阻很大，如果 纯铜用作电接触材料，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，电烙焊 和电弧侵蚀现象严重，触头材料寿命大大缩短。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种价格低、导电率及导热率高、接触电阻低且稳定、抗烙 焊性能佳、抗氧化性能及力学性能良好、并易制备的铜基电接触复合材料，W替代原材料价 格高的银基电接触材料。本发明的另一目的在于提供上述材料的一种制备成型方法。
[0004] 本发明是通过W下措施来实现的： 本发明的氮化物增强铜基电接触复合材料，其组成配方用重量百分数表示为： 0. 5-5%氮化物，0. 5-4%祕，0. 1-0. 6%稀±锭，0. 5-2. 5%氧化锭，其余为铜及其他不可避免的 杂质；其中氮化物为氮化铁或氮化侣。
[0005] 本发明的氮化物增强铜基电接触复合材料，其优选组成为：1. 5%氮化铁、2%祕、 0. 2%锭、1%氧化锭，其余为铜及其他不可避免的杂质。
[0006] 本发明的一种氮化物增强铜基电接触复合材料，其具体步骤为： (1)首先，采用雾化法将稀±锭和铜制成锭含量为0. 1-0. 6%的锭-铜合金粉，按照所述 成分配比，将粒度为100-300目的铜-锭合金粉、祕粉、氧化锭粉、氮化物粉末进行球磨混粉 1-3小时，球磨机转速为每分钟150-300转。
[0007] (2)将上述混合均匀的粉末进行真空热压烧结。压力为20-50MPa，烧结溫度为 750-950°C，在达到预定的溫度时施加压力，保溫时间为1-3小时，其中当采用的烧结溫度 较高时，保溫时间则可W适当的缩短。当降溫到300-500°C时卸压。升溫速率为5-15°C/min,冷却到200°C后取样。整个烧结过程保持炉内真空度低于1X10中日。
[0008] 本发明的制备方法中，球磨所用料球为刚玉球，球料比为15:1。
[0009] 本发明的铜基电接触复合材料主要应用于中低电负载的电源开关、继电器、直流 接触器、空气开关等低压电器中。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、抗烙焊性、电流蚀及摩擦特性均可与银媳美，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，采用了低沸点金属祕作为息弧组元；加入稀 ±元素改善抗氧化性能和综合性能；加入氧化锭提高材料的抗电弧烧蚀性能；加入氮化物 (氮化铁或氮化侣）的主要目的在于：在烧结过程中氮化物能有效防止铜晶粒粗化，使基体 晶粒细小，提高了材料内部组织结构的细微化程度，使得电接触材料在使用过程中不易烙 焊，从而提高材料的抗烙焊性能和力学性能。
[0010] 采用本发明的方法制备的上述复合材料，材料的致密度高，材料具有优良的电性 能和力学性能，材料抗烙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，且制备工艺简单，可W-次成型，是一种特别适用于频繁开闭的中低压电器用接触 材料。
【具体实施方式】
[0011] 实施例1 : 本实施例材料的组成重量配比为：2%祕、0. 5%氮化铁、0. 2%稀±锭、1%氧化锭、余量为 铜。
[0012] 首先，按照组成配比，将稀±锭和铜制成锭含量为0.05%、粒度为100-300目的 铜-锭合金粉，再加入粒度为200目的祕粉进行球磨混合，球磨时间为2小时，球磨所用料 球为的刚玉球，球料比为15:1 ;然后加入0. 5%的氮化铁和1%的氧化锭进行机械混粉；混合 均匀后用真空热压炉烧结成型，压制压力为20MPa，烧结溫度为800°C，在达到预定溫度时 施加压力，保溫时间为2小时，然后降溫到400°C时卸压。升溫速率在400°C前为10°C/min， 400°C后为5°C/min,冷却到200°C后取样。整个烧结过程保持炉内真空度低于IX10 2pa。 经W上工艺过程，制成铜基电接触复合材料或者制件。
[001引 本材料基本性能：致密度99. 36% ;电阻率3. 08yQ-cm;硬度48皿；400°C大气 环境条件下氧化20h的氧化增重1. 25mg/cm2 (纯铜的为5mg/cm2)。
[0014] 实施例2 : 本实施例材料的组成重量配比为：2%祕、1. 5%氮化铁、0. 2%稀±锭、1%氧化锭、余量为 铜。
[0015] 按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨、混粉、真空热 压烧结。经W上工艺过程，制成铜基电接触复合材料或者制件。
[0016] 本材料基本性能：致密度99. 46%;电阻率2. 97yQ.cm;硬度57皿；400°C大气 环境条件下氧化20h的氧化增重1. 08mg/cm2。
[0017] 实施例3: 本实施例材料的组成重量配比为：4%祕、1. 5%氮化铁、0. 2%稀±锭、1%氧化锭、余量为 铜。
[0018] 按照本组成配比和实施例I同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热 压烧结。经W上工艺过程，制成铜基电接触复合材料或者制件。
[0019] 本材料基本性能：致密度98. 76%;电阻率3. 75yQ.cm;硬度60皿；400°C大气 环境条件下氧化20h的氧化增重2. 25mg/cm2。
[0020] 实施例4 : 本实施例材料的组成重量配比为：2%祕、5%氮化铁、0. 2%稀±锭、1%氧化锭、余量为铜。
[0021] 按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热 压烧结。经W上工艺过程，制成铜基电接触复合材料或者制件。
[0022] 本材料基本性能：致密度98. 86% ;电阻率3. 32yQ.cm;硬度61皿；400°C大气 环境条件下氧化20h的氧化增重1. 60mg/cm2。
[002引实施例5 : 本实施例材料的组成重量配比为：2%祕、0. 5%氮化侣、0. 2%稀±锭、1%氧化锭、余量为 铜。
[0024] 按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热 压烧结。经W上工艺过程，制成铜基电接触复合材料或者制件。
[0025] 本材料基本性能：致密度98. 25%;电阻率3. 13yQ'em;硬度49皿；400°C大气 环境条件下氧化20h的氧化增重1. 30mg/cm2。
[002引实施例6: 本实施例材料的组成重量配比为：2%祕、1. 5%氮化侣、0. 2%稀±锭、1%氧化锭、余量为 铜。
[0027] 按照本组成配比和实施例1同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，真空热 压烧结。经W上工艺过程，制成铜基电接触复合材料或者制件。
[0028] 本材料基本性能：致密度98. 75%;电阻率3. 35yQ.cm;硬度56皿；400°C大气 环境条件下氧化20h的氧化增重1. 62mg/cm2。
[002引对比测试例： 将本发明实施例1-6的复合材料与银-氧化锡电触头材料进行电接触强化测试，测试 条件为：阻性交流电流40A，电压54V，起弧频率26次/分钟，试验次数20000次，实验结果 如表1所示。由表1.中试样1、2、4对比可W看出：（1)随着氮化物量在0-5%范围内增加 时，电强化试样表面的质量损失逐渐减少，即抗烙焊性能和抗电弧烧蚀能力逐步增强；（2) 新制材料的质量损失均明显低于银-氧化锡电触头材料，且试样3 (祕含量为4%)的质量损 失最少，也验证了祕的添加有利于提高材料的抗烙焊性能。
[0030]表1.各试样的电接触强化实验后的质量损失
【主权项】
1. 一种氮化物增强铜基电接触复合材料。2. 根据权利要求1所述一种氮化物增强铜基电接触复合材料，其组成配方用重量百 分数表示为：0. 5-5%氮化物，0. 5-4%铋，0. 1-0. 6%稀土钇，0. 5-2. 5%氧化钇，其余为铜及其 他不可避免的杂质；其中氮化物为氮化钛或氮化铝。3. 根据权利要求2所述一种氮化物增强铜基电接触复合材料，其优选组成为：1. 5%氮 化钛、2%铋、0. 2%钇、1%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质。4. 根据权利要求1所述一种氮化物增强铜基电接触复合材料，其特征在于采用以下步 骤： (1) 首先，将稀土钇和铜制成钇含量为〇. 1-0. 6%的钇-铜合金粉，按照所述成分配比， 将粒度为100-300目的铜-钇合金粉、铋粉、氧化钇粉、氮化物粉末进行球磨混粉1-3小时， 球磨机转速为每分钟150-300转； (2) 将上述混合均匀的粉末进行真空热压烧结。压力为20-50MPa，烧结温度为 750-950°C，在达到预定的温度时施加压力，保温时间为1-3小时；其中当采用的烧结温度 较高时，保温时间则可以适当的缩短。当降温到300-500°C时卸压。升温速率为5-15°C/ min，冷却到200°C后取样。整个烧结过程保持炉内真空度低于I X 10 2Pa。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（1)中，所述的铜-钇合金粉采用 100-200目的粒度。6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（1)中，所述的球磨机采用高能行 星式球磨机，且所用料球为刚玉球，球料比为15:1。7. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（2)中，所述的压制压力为 20-50MPa，烧结温度为750-950°C，保温时间为1-3小时；当采用的烧结温度较高时，保温时 间则可以适当的缩短。
【专利摘要】本发明涉及一种氮化物增强铜基电接触复合材料,其组成配方用重量百分数表示为:0.5-4%氮化物，0.5-4%铋，0.1-0.6%稀土钇，0.5-2.5%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质；其中氮化物为氮化钛或氮化铝。本发明材料通过雾化制粉、配料、混合、真空热压烧结的制备方法制成。本发明的材料以铜为基体，主要原材料资源丰富，氮化物以增强相的形式均匀弥散分布于铜基材，提高了材料内部组织结构的细微化程度，材料不但具备良好的导电性导热性、抗熔焊性、抗电弧烧蚀性能，而且力学性能和耐磨性优良，能满足电触头等制件对材料的基本要求，可以应用于中低电负载的电源开关、继电器、直流接触器、空气开关等低压电器中。相比于银基电接触材料，性价比更具优势。
【IPC分类】H01H1/025
【公开号】CN105140057
【申请号】CN201510383461
【发明人】耿浩然, 肖振, 刘焕超, 刘星佐, 冷金凤, 李捷
【申请人】济南大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月3日