专利名称：铜基电触头复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于铜基电触头复合材料及其制备方法，特别涉及到一种用于中低压电器开关的铜基电触头复合材料及其制备方法。
背景技术：
弱电触头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。根据银与铜的物理化学性质，铜的电和导热性质上与银最相近，所以，作为导电材料，代替银的最合适的元素是铜。但是铜作为电触头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(CuO和Cu2O)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触头材料应用。另外，一般铜合金尚不能满足电触头元件综合电性能方面的要求。目前已有的石墨-铜复合导电材料因电接触表面存在的较严重的氧化问题，所以仅在真空开关控制电路中铜基触头得到使用。由于低压开关较小的开关力，这使电触头表面生成的氧化膜不易被破坏，由于其的存在，使接触元件导电性恶化。另外，现在的银触头中主要添加金属镉作为低熔点组元，以提高抗熔焊性等性能，但镉组元有很大的毒性，应当避免使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种价格低廉、资源丰富、导电率及导热率高、接触电阻低且稳定、抗熔焊性能佳、抗氧化性能及机械性能良好、并易加工制备的铜基电触头复合材料，以替代原材料价格高的银基触头材料。
本发明的另一目的在于提供上述材料的制备方法。
本发明是通过以下措施来实现的本发明的铜基电触头复合材料，是由以下重量百分比的材料组成，锡0.1-5％，碳化硼0.1-5％，富镧或富铈混合稀土0.05-2％，其余为铜。
本发明的铜基电触头复合材料，所述材料较好的重量百分比为，锡1-4％，碳化硼1-4％，富镧或富铈混合稀土0.2-1％，其余为铜。
本发明的铜基电触头复合材料，所述材料的最好重量百分比为，锡2％，碳化硼2％，富镧混合稀土0.4％，其余为铜。
本发明的铜基电触头复合材料的制备方法，具体步骤为，(1)首先，将混合稀土和铜制成200-400目、重量比为10％混合稀土-铜粉，按照所述配比，将上述粒度为200-400目的10％混合稀土-铜粉、锡粉及铜粉球磨混合4-7小时，再将粒度为200-400目的碳化硼粉加入球磨后的粉料中进行机械混粉；(2)将上述混合均匀的粉末冷压成型，压强为500-900MPa，保压时间为1-10分钟；(3)将冷压成型件在NH3气体保护下烧结，烧结温度为750-950℃，保温时间为2-5小时；(4)对试件进行二次压制，压强为400-800MPa，保压时间为1-10分钟；(5)对试件进行二次烧结，试样在NH3保护下烧结，烧结温度为750-850℃，保温时间为2-5小时，冷却后制备成铜基电触头复合材料坯件。
本发明的制备方法，球磨所用料球最好使用6mm和8mm的玛瑙球，球料比为15∶1。
本发明选用铜作为基体，铜与银比较价格低廉，且资源较丰富，其导电导热性、抗熔焊性、电流蚀及摩擦特性均可与银媲美，能满足电触头材料基体的要求。并采用低熔点金属锡替代技术镉，考虑到触头材料力学、综合电性能等要求，并在铜基体中添加适量的碳化硼、稀土及锡组元，以提高材料的抗熔焊性能等电性能，改善抗氧化性能，获得良好的自润滑性能及耐磨性。
本发明的铜基电触头复合材料主要应用于中低负载的电源开关，继电器、直流接触器、空气开关等低压电器中。本发明材料的抗熔焊性能强，耐氧化性能、灭弧性能好，耐磨性能良好，电接触性能和银基电触头材料相近，是低中压开关中常用的银合金电触头的廉价替代品。
采用本发明的制备方法制备的上述复合材料，具有较好的耐氧化性能，较好的综合电性能和力学性能。
具体实施例方式
实施例1本实施例材料的组成重量配比为2％锡，2％碳化硼，0.3％富镧混合稀土，余为铜。
按上述配比，首先，将富镧混合稀土和铜制成粒度小于等于200目的10％混合稀土-铜粉(重量比，下同)，再加入粒度小于等于200目的锡粉及铜粉进行混合球磨，球磨时间为5小时，球磨所用料球为6mm和8mm的玛瑙球，球料比为15∶1；然后加入2％的碳化硼进行机械混粉；混合均匀后用油压机压制成型，压制压力为600MPa，保压时间为5分钟；将压制毛坯放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，保温时间为3小时，烧结过程中通入NH3进行气体保护。烧结完后对试样进行二次压制，压制压力为500MPa，保压时间为3分钟，压制毛坯放入烧结炉进行二次烧结，烧结温度为820℃，保温时间为3小时，烧结过程通入NH3进行气体保护。经以上工艺过程，制成铜基电触头复合材料坯料。
制备的毛坯性能达到密度8.6g/cm3；电阻率3.40μΩ.cm；硬度HV(MPa)680；150℃大气环境条件下的氧化增重0.20mg/g.day(纯铜的为3.6mg/g.day)。
实施例2本实施例材料的组成重量配比为2％锡，4％碳化硼，0.6％富镧混合稀土，余为铜。按照本组成配比和实施例同样的制备工艺步骤和参数进行球磨，混粉，压制，烧结，压制压力为700MPa，二次压制压力为600MPa。经以上工艺过程，制成铜基电触头复合材料坯料。
制备的毛坯性能达到密度8.3g/cm3；电阻率3.82μΩ.cm；硬度HV(MPa)720；150℃大气环境条件下的氧化增重0.07mg/g.day。
实施例3本实施例材料的组成重量配比为4％锡，0.5％碳化硼，1.6％富铈混合稀土，余为铜。
按照本组成配比和制备工艺步骤，首先，将富铈混合稀土和铜制成粒度为300目的10％混合稀土-铜粉，再加入粒度为300目的锡粉及铜粉进行混合球磨球磨6小时，球磨所用料球为6mm和8mm的玛瑙球，球料比为15∶1。然后加入0.5％的碳化硼进行机械混粉；混合均匀后用油压机压制成型，压制压力为850MPa，保压时间为3分钟；将压制毛坯放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为850℃，保温时间为4小时，烧结过程中通入NH3进行气体保护。烧结完后对试样进行二次压制，压制压力为700MPa，保压时间为3分钟，压制毛坯放入烧结炉进行二次烧结，烧结温度为700℃，保温时间为3小时，烧结过程通入NH3进行气体保护。经以上工艺过程，制成铜基电触头复合材料坯料。
制备的毛坯性能达到密度8.5g/cm3；电阻率3.48μΩ.cm；硬度HV(MPa)770；150℃大气环境条件下的氧化增重0.05mg/g.day。
权利要求
1.一种铜基电触头复合材料，其特征在于是由以下重量百分比的材料组成，锡0.1-5％，碳化硼0.1-5％，富镧或富铈混合稀土0.05-2％，其余为铜。
2.根据权利要求1所述的铜基电触头复合材料，其特征在于所述材料的重量百分比为，锡1-4％，碳化硼1-4％，富镧或富铈混合稀土0.2-1％，其余为铜。
3. 根据权利要求1所述的铜基电触头复合材料，其特征在于所述材料的重量百分比为，锡2％，碳化硼2％，富镧混合稀土0.4％，其余为铜。
4.一种权利要求1所述的铜基电触头复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为，(1)首先，将混合稀土和铜制成200-400目、重量比为10％混合稀土-铜粉，按照所述配比，将上述粒度为200-400目的10％混合稀土-铜粉、锡粉及铜粉球磨混合4-7小时，再将粒度为200-400目的碳化硼粉加入球磨后的粉料中进行机械混粉；(2)将上述混合均匀的粉末冷压成型，压强为500-900MPa，保压时间为1-10分钟；(3)将冷压成型件在NH3气体保护下烧结，烧结温度为750-950℃，保温时间为2-5小时；(4)对试件进行二次压制，压强为400-800MPa，保压时间为1-10分钟；(5)对试件进行二次烧结，试样在NH3保护下烧结，烧结温度为750-850℃，保温时间为2-5小时，冷却后制备成铜基电触头复合材料坯件。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于球磨所用料球为6mm和8mm的玛瑙球，球料比为15∶1。
全文摘要
本发明涉及到一种用于中低压电器开关的铜基电触头复合材料及其制备方法。本发明的复合材料，是由以下重量百分比的材料组成，锡0.1－5％，碳化硼0.1－5％，富镧或富铈混合稀土0.05－2％，其余为铜。本发明的制备方法，经过混合、粉末冷压、烧结、再冷压、再烧结制成。本发明选用铜作为基体，具有资源丰富，导电导热性、抗熔焊性、电流蚀及摩擦特性均可与银媲美，能满足电触头材料基体的要求，并具有较好的抗氧化性能、自润滑性能及耐磨性。
文档编号H01H1/02GK1667768SQ200510042510
公开日2005年9月14日 申请日期2005年2月23日 优先权日2005年2月23日
发明者耿浩然, 郭忠全, 钱宝光 申请人:济南大学