一种铜基电接触复合材料及其制备方法

文档序号:9467088阅读:364来源:国知局
一种铜基电接触复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属复合材料制备技术领域,具体设及一种铜基电接触复合材料及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 电接触材料是开关电器和电子仪器仪表中非常重要的元件,直接起到分断和接通 电路的作用W及承受正常工作电流的功能,其性能对开关电器能否正常运行和使用寿命长 短有至关重要的作用。铜铭材料早在20世纪屯十年代就已经开始应用于真空开关,主要应 用于真空中高压大电流,铜铭合金研究居多而对于铜铭复合材料的研究相对较少。含有铜、 铭、碳化鹤的合金,性能较好,现有技术中,公开号为CN1070432A的"一种耐磨导电合金材 料及其制品"公开了一种耐磨导电合金材料,该材料组分的重量含量为2-4%WC,20-70% W,20-50%Cu, 0. 1-4%Co,还可W加入0. 1-1 %Ni或0. 5-2%Cr,该合金材料具备良好的耐 磨性和导电性。
[0003] 传统的制备铜铭复合材料的主要方法有混粉烧结法、烙渗法、粉末冶金法和内氧 化法等。铜铭复合材料虽然兼有铜、铭的优点,但也有相应的缺点。由于纯铜强度较低,一般 低于200MPa,导致无论采用烙渗法还是粉末烧结法制备的复合材料,不仅制备过程复杂,周 期长而且强度、电导率等性能难W达到使用要求。现有技术中复合锻、合金化对铜基电接 触材料组织及性能的影响"(牟振,复合锻、合金化对铜基电接触材料组织及性能的影响,济 南大学,2014年。)记载了一种铜基电接触材料及其制备方法:将质量百分比为4%的锋粉、 0~10%的碳化鹤粉、余量为铜粉的混合粉末球磨均匀,时间为30min,球料比为15:1,后在 200吨液压机上,压制成巧,压制压力500MPa,保压时间2min,然后在管式炉真空(IOPa)环 境下进行烧结,烧结溫度为800°C,烧结时间为60min。得到的铜基电接触复合材料的致密 度在84~89%之间,材料硬度在35~54皿之间,IACS值在40~51 %之间,采用40A阻 性交变电流,电压54V,开闭20000次,烧蚀失重在0. 2~0. 7%之间。该材料是含有锋的铜 基材料,其材料的致密度、硬度及导电性能还不能满足使用的要求。

【发明内容】

[0004] 本发明的第一个目的在于提供一种铜基电接触复合材料,该铜基电接触复合材料 致密度高、组织均匀,而且具有较高的电导率和较好的抗电弧侵蚀性。 阳〇化]本发明的第二个目的在于提供一种铜基电接触复合材料的制备方法,解决现有制 备方法烧结所需时间过长、耗能大和晶粒容易长大的问题。
[0006] 为实现W上目的,本发明采用的技术方案为:
[0007] 一种铜基电接触复合材料,由W下质量百分比的组分组成:铭10%~30%、碳化 鹤1%~5%,余量为铜。
[0008] 本发明的铜基电接触复合材料,致密度高、组织均匀、而且具有较高的电导率和较 好的抗电弧侵蚀性。
[0009] 所述铜基电接触复合材料,是将铭粉、碳化鹤粉与铜粉混合后,将混合粉末进行放 电等离子烧结(SP巧制备的。
[0010] 一种上述的铜基电接触复合材料的制备方法,包括W下步骤:
[0011] 1)取配方量的铭粉、碳化鹤粉和铜粉,混合均匀,得混合物;
[0012] 2)将步骤1)所得混合物置于模具中,在真空或保护气氛下进行放电等离子烧结, 烧结溫度为850~1000°C,施加压力为20~50MPa,烧结保溫时间为3~lOmin,后冷却即 得。 阳01引步骤1)中,所述铭粉的粒度为35~150ym;所述碳化鹤粉的粒度为10~50ym; 所述铜粉的粒度为300~500目。
[0014] 所述铭粉是由粒径范围为50~200ym、中位粒度为100ym的原料铭粉经球磨制 得的;所述碳化鹤粉是由粒径范围为30~80ym、中位粒度为50ym的原料碳化鹤粉经球 磨制得的;所述球磨的转速为40化/min,球磨的时间为10~20h,球料质量比为15:1。所 述球磨为高能球磨。通过对铭粉和碳化鹤粉的球磨,使得原料粒径尺寸配比均匀、合理,有 利于气孔的减少,使得致密度增加,有利于烧结。
[0015] 步骤1)中,所述混合为球磨混合,所述球磨混合所用磨球为紫铜球,球料质量比 为10:1。采用紫铜球进行球磨混合,保证粉料不发生团聚现象,易于混合均匀。
[0016] 步骤2)中,所述模具为石墨模具。
[0017] 步骤2)中,将所得混合物置于模具中时,在模具垫片与混合物之间垫一层石墨 纸。为便于烧结后产品的取出,可在模具垫片与原料混合物之间垫一层石墨纸W保证烧结 后顺利脱模,并且还能够保护样品表面的平整,同时延长模具的使用寿命。
[0018] 步骤2)中,所述放电等离子烧结过程中,将烧结炉腔抽真空到5化时开始加热,W 100°C/s的速度到650°C,保溫1~3min后,再W100°C/s的速度升溫至烧结溫度850~ IOOCTC。
[0019] 步骤2)中,所述保护气氛为氣气。
[0020] 所得铜基电接触复合材料经冷挤压变形、热挤压变形或社制变形加工成电接触元 件。
[0021] 本发明的铜基电接触复合材料的制备方法,将微米级的铭粉、碳化鹤粉和铜粉混 合后,采用放电等离子烧结工艺制备铜铭碳化鹤复合材料;所得铜基复合材料既有铭的高 强度、高烙点,又有碳化鹤良好的导电性和耐磨性,W及铜的较高导电、导热率;该制备方法 可控环保,工艺相对简单,生产成本相对低廉而且生产周期短,实现了抗电弧侵蚀性能、抗 烙焊能力、强度、导电率性能高的电接触复合材料的制备,适合推广应用。
[0022] 本发明的铜基电接触复合材料的制备方法中,为了防止铜晶粒的长大,通过放电 等离子烧结工艺(SP巧制备铜铭碳化鹤复合材料。SPS的特点在于其烧结过程不仅具有热 压烧结的焦耳热和加压造成塑性变形促进烧结,而且还在颗粒间产生直流脉冲电压,使颗 粒间产生放电,激发等离子体,等离子体的高速运动伴随着极高的溫度,促进粉末颗粒原子 的扩散,短时间内即可完成烧结,避免晶粒长大。此外,脉冲放电产生的放电冲击波W及电 子、离子在电场中反方向的高速运动,可W使得粉末吸附的气体逸散,粉末表面的起始氧化 膜在一定程度上被击穿,使粉末得W净化、活化,同时也促进烧结。
[0023] 进一步的,将铭粉和碳化鹤粉进行高能球磨,增加了铭和碳化鹤的表面积,有利于 和铜粉充分结合。
[0024]与传统工艺过程相比,本发明的制备方法极大地缩短了复合材料的生产周期,细 化了晶粒,同时也保证了铭和碳化鹤颗粒与铜基体的良好的结合,可简单快速制备出组织 中孔桐较少的铜基电接触复合材料。试验证明,本发明所得铜基电接触复合材料的致密度 为95. 2 %~96 %,材料硬度为79~83HV,电导率为54. 3 %~56 %IACS,将所得复合材料 线切割及冷加工变形制备成电接触元件,在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后, 质量损失率为0. 30 %~0. 76 %;该铜基电接触复合材料致密度高、组织均匀,而且具有较高 的电导率和较好的抗电弧侵蚀性。
【具体实施方式】
[00巧]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。 阳0%] 实施例1
[0027] 本实施例的铜基电接触复合材料,由W下质量百分比的组分组成:铭20%、碳化 鹤3 %,余重为铜。
[002引本实施例的铜基电接触复合材料的制备方法,包括W下步骤:
[0029] 1)取粒径范围为50~200ym、中位粒度为100ym的原料铭粉和粒径范围为30~ 80ym、中位粒度为50ym的原料碳化鹤粉,分别置于高能球磨机罐中,按照球料质量比为 15:1的比例加入研磨球进行球磨,球磨机的转速40化/min,球磨时间为15h,分别得到粒度 为35~150ym的铭粉和10~50ym的碳化鹤粉;
[0030] 2)按配方量取步骤1)球磨所得铭粉、碳化鹤粉和400目的铜粉,在Y型混料机内 充分混合均匀,得混合物;
[0031] 3)将步骤2)所得混合物置于石墨模具内(石墨模具垫片与混合物之间放置一层 石墨纸),然后放入放电等离子烧结炉内,抽真空到5化时开始加热,W100°C/s的速度到 650°C,保溫2min后,再W100°C/s的速度升溫至950°C,施加压力为30MPa,保溫8min,随 炉冷却后,取出即得所述铜基电接触复合材料。
[0032] 将实施例1制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试,测得致密度为96%, 硬度为82HV,电导率为56%IACS;将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成电接触元 件,在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后,质量烧蚀率为0. 34%。 阳〇3引实施例2
[0034] 本实施例的铜基电接触复合材料,由W下质量百分比的组分组成:铭10%、碳化 鹤1%,余量为铜。
[0035] 本实施例的铜基电接触复合材料的制备方法,包括W下步骤:
[0036] 1)取粒径范围为50~200ym、中位粒度为100ym的原料铭粉和粒径范围为30~ 80ym、中位粒度为50ym的原料碳化鹤粉,分别置于高能球磨机罐中,按照球料质量比为 15:1的比例加入研磨球进行球磨,球磨机的转速4(K)r/min,球磨时间为lOh,分别得到粒度 为35~150ym的铭粉和10~50ym的碳化鹤粉;
[0037] 2)按配方量取步骤1)球磨所得铭粉、碳化鹤粉和300目的铜粉,在Y型混料机内 充分混合均匀,得混合物;
[0038] 3)将步骤2)所得混合物置于石墨模具内(石墨模具垫片与混合物之间放置一层 石墨纸),然后放入放电等离子烧结炉内,抽真空到5化时开始加热,W100°C/s的速度到 650°C,保溫Imin后,再W100°C/s的速度升溫至850°C,施加压力为20MPa,保溫5min,随 炉冷却后,取出即得所述铜基电接触复合材料。
[0039]将实施例2制得的铜基电接触复合材料进行物理性能测试,测得致密度为 95. 2%,硬度为79HV,电导率为54. 3%IACS;将所得复合材料线切割及冷加工变形制备成 电接触元件,在30V、30A条件经过20000次闭开电接触试验后,质量烧蚀率为0. 42%。 W40]
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