專利名稱：銅基電觸頭復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于銅基電觸頭復合材料及其制備方法，特別涉及到一種用于中低壓電器開關的銅基電觸頭復合材料及其制備方法。
背景技術：
弱電觸頭元件是儀器儀表的關鍵部件，對儀器儀表的壽命和工作可靠性起著重要作用，為了保證弱電觸頭工作可靠性，國內(nèi)外普遍采用貴金屬銀及其合金材料制作。近年來為了減少銀金屬的損耗，人們不斷尋求新的節(jié)銀、代銀技術途徑。根據(jù)銀與銅的物理化學性質(zhì)，銅的電和導熱性質(zhì)上與銀最相近，所以，作為導電材料，代替銀的最合適的元素是銅。但是銅作為電觸頭材料的主要障礙在于銅基材料表面在大氣環(huán)境條件下容易氧化，且其氧化物(CuO和Cu2O)具有很低的電導率，急劇增大了元件的接觸電阻，使材料在使用中容易發(fā)熱，直接影響電開關的工作可靠性和壽命，使銅及一般的銅合金難于作為觸頭材料應用。另外，一般銅合金尚不能滿足電觸頭元件綜合電性能方面的要求。目前已有的石墨-銅復合導電材料因電接觸表面存在的較嚴重的氧化問題，所以僅在真空開關控制電路中銅基觸頭得到使用。由于低壓開關較小的開關力，這使電觸頭表面生成的氧化膜不易被破壞，由于其的存在，使接觸元件導電性惡化。另外，現(xiàn)在的銀觸頭中主要添加金屬鎘作為低熔點組元，以提高抗熔焊性等性能，但鎘組元有很大的毒性，應當避免使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種價格低廉、資源豐富、導電率及導熱率高、接觸電阻低且穩(wěn)定、抗熔焊性能佳、抗氧化性能及機械性能良好、并易加工制備的銅基電觸頭復合材料，以替代原材料價格高的銀基觸頭材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述材料的制備方法。
本發(fā)明是通過以下措施來實現(xiàn)的本發(fā)明的銅基電觸頭復合材料，是由以下重量百分比的材料組成，錫0.1-5％，碳化硼0.1-5％，富鑭或富鈰混合稀土0.05-2％，其余為銅。
本發(fā)明的銅基電觸頭復合材料，所述材料較好的重量百分比為，錫1-4％，碳化硼1-4％，富鑭或富鈰混合稀土0.2-1％，其余為銅。
本發(fā)明的銅基電觸頭復合材料，所述材料的最好重量百分比為，錫2％，碳化硼2％，富鑭混合稀土0.4％，其余為銅。
本發(fā)明的銅基電觸頭復合材料的制備方法，具體步驟為，(1)首先，將混合稀土和銅制成200-400目、重量比為10％混合稀土-銅粉，按照所述配比，將上述粒度為200-400目的10％混合稀土-銅粉、錫粉及銅粉球磨混合4-7小時，再將粒度為200-400目的碳化硼粉加入球磨后的粉料中進行機械混粉；(2)將上述混合均勻的粉末冷壓成型，壓強為500-900MPa，保壓時間為1-10分鐘；(3)將冷壓成型件在NH3氣體保護下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750-950℃，保溫時間為2-5小時；(4)對試件進行二次壓制，壓強為400-800MPa，保壓時間為1-10分鐘；(5)對試件進行二次燒結(jié)，試樣在NH3保護下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750-850℃，保溫時間為2-5小時，冷卻后制備成銅基電觸頭復合材料坯件。
本發(fā)明的制備方法，球磨所用料球最好使用6mm和8mm的瑪瑙球，球料比為15∶1。
本發(fā)明選用銅作為基體，銅與銀比較價格低廉，且資源較豐富，其導電導熱性、抗熔焊性、電流蝕及摩擦特性均可與銀媲美，能滿足電觸頭材料基體的要求。并采用低熔點金屬錫替代技術鎘，考慮到觸頭材料力學、綜合電性能等要求，并在銅基體中添加適量的碳化硼、稀土及錫組元，以提高材料的抗熔焊性能等電性能，改善抗氧化性能，獲得良好的自潤滑性能及耐磨性。
本發(fā)明的銅基電觸頭復合材料主要應用于中低負載的電源開關，繼電器、直流接觸器、空氣開關等低壓電器中。本發(fā)明材料的抗熔焊性能強，耐氧化性能、滅弧性能好，耐磨性能良好，電接觸性能和銀基電觸頭材料相近，是低中壓開關中常用的銀合金電觸頭的廉價替代品。
采用本發(fā)明的制備方法制備的上述復合材料，具有較好的耐氧化性能，較好的綜合電性能和力學性能。
具體實施例方式
實施例1本實施例材料的組成重量配比為2％錫，2％碳化硼，0.3％富鑭混合稀土，余為銅。
按上述配比，首先，將富鑭混合稀土和銅制成粒度小于等于200目的10％混合稀土-銅粉(重量比，下同)，再加入粒度小于等于200目的錫粉及銅粉進行混合球磨，球磨時間為5小時，球磨所用料球為6mm和8mm的瑪瑙球，球料比為15∶1；然后加入2％的碳化硼進行機械混粉；混合均勻后用油壓機壓制成型，壓制壓力為600MPa，保壓時間為5分鐘；將壓制毛坯放入燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900℃，保溫時間為3小時，燒結(jié)過程中通入NH3進行氣體保護。燒結(jié)完后對試樣進行二次壓制，壓制壓力為500MPa，保壓時間為3分鐘，壓制毛坯放入燒結(jié)爐進行二次燒結(jié)，燒結(jié)溫度為820℃，保溫時間為3小時，燒結(jié)過程通入NH3進行氣體保護。經(jīng)以上工藝過程，制成銅基電觸頭復合材料坯料。
制備的毛坯性能達到密度8.6g/cm3；電阻率3.40μΩ.cm；硬度HV(MPa)680；150℃大氣環(huán)境條件下的氧化增重0.20mg/g.day(純銅的為3.6mg/g.day)。
實施例2本實施例材料的組成重量配比為2％錫，4％碳化硼，0.6％富鑭混合稀土，余為銅。按照本組成配比和實施例同樣的制備工藝步驟和參數(shù)進行球磨，混粉，壓制，燒結(jié)，壓制壓力為700MPa，二次壓制壓力為600MPa。經(jīng)以上工藝過程，制成銅基電觸頭復合材料坯料。
制備的毛坯性能達到密度8.3g/cm3；電阻率3.82μΩ.cm；硬度HV(MPa)720；150℃大氣環(huán)境條件下的氧化增重0.07mg/g.day。
實施例3本實施例材料的組成重量配比為4％錫，0.5％碳化硼，1.6％富鈰混合稀土，余為銅。
按照本組成配比和制備工藝步驟，首先，將富鈰混合稀土和銅制成粒度為300目的10％混合稀土-銅粉，再加入粒度為300目的錫粉及銅粉進行混合球磨球磨6小時，球磨所用料球為6mm和8mm的瑪瑙球，球料比為15∶1。然后加入0.5％的碳化硼進行機械混粉；混合均勻后用油壓機壓制成型，壓制壓力為850MPa，保壓時間為3分鐘；將壓制毛坯放入燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為850℃，保溫時間為4小時，燒結(jié)過程中通入NH3進行氣體保護。燒結(jié)完后對試樣進行二次壓制，壓制壓力為700MPa，保壓時間為3分鐘，壓制毛坯放入燒結(jié)爐進行二次燒結(jié)，燒結(jié)溫度為700℃，保溫時間為3小時，燒結(jié)過程通入NH3進行氣體保護。經(jīng)以上工藝過程，制成銅基電觸頭復合材料坯料。
制備的毛坯性能達到密度8.5g/cm3；電阻率3.48μΩ.cm；硬度HV(MPa)770；150℃大氣環(huán)境條件下的氧化增重0.05mg/g.day。
權(quán)利要求
1.一種銅基電觸頭復合材料，其特征在于是由以下重量百分比的材料組成，錫0.1-5％，碳化硼0.1-5％，富鑭或富鈰混合稀土0.05-2％，其余為銅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基電觸頭復合材料，其特征在于所述材料的重量百分比為，錫1-4％，碳化硼1-4％，富鑭或富鈰混合稀土0.2-1％，其余為銅。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅基電觸頭復合材料，其特征在于所述材料的重量百分比為，錫2％，碳化硼2％，富鑭混合稀土0.4％，其余為銅。
4.一種權(quán)利要求1所述的銅基電觸頭復合材料的制備方法，其特征在于具體步驟為，(1)首先，將混合稀土和銅制成200-400目、重量比為10％混合稀土-銅粉，按照所述配比，將上述粒度為200-400目的10％混合稀土-銅粉、錫粉及銅粉球磨混合4-7小時，再將粒度為200-400目的碳化硼粉加入球磨后的粉料中進行機械混粉；(2)將上述混合均勻的粉末冷壓成型，壓強為500-900MPa，保壓時間為1-10分鐘；(3)將冷壓成型件在NH3氣體保護下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750-950℃，保溫時間為2-5小時；(4)對試件進行二次壓制，壓強為400-800MPa，保壓時間為1-10分鐘；(5)對試件進行二次燒結(jié)，試樣在NH3保護下燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750-850℃，保溫時間為2-5小時，冷卻后制備成銅基電觸頭復合材料坯件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于球磨所用料球為6mm和8mm的瑪瑙球，球料比為15∶1。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種用于中低壓電器開關的銅基電觸頭復合材料及其制備方法。本發(fā)明的復合材料，是由以下重量百分比的材料組成，錫0.1－5％，碳化硼0.1－5％，富鑭或富鈰混合稀土0.05－2％，其余為銅。本發(fā)明的制備方法，經(jīng)過混合、粉末冷壓、燒結(jié)、再冷壓、再燒結(jié)制成。本發(fā)明選用銅作為基體，具有資源豐富，導電導熱性、抗熔焊性、電流蝕及摩擦特性均可與銀媲美，能滿足電觸頭材料基體的要求，并具有較好的抗氧化性能、自潤滑性能及耐磨性。
文檔編號H01H1/02GK1667768SQ200510042510
公開日2005年9月14日 申請日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者耿浩然, 郭忠全, 錢寶光 申請人:濟南大學