銅基SiC_p稀土金屬陶瓷複合電觸頭材料的製作方法

2023-08-10 14:10:06

專利名稱：銅基SiCp稀土金屬陶瓷複合電觸頭材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於金屬複合材料領域，提出了一種用於中低負載領域的銅基碳化矽稀土電觸頭 複合材料。該材料是一種廣泛的應用於中、低壓電器行業和家用電器行業的電工觸頭材料， 是一種無銀無鎘汙染的新型電工觸頭材料，該材料還廣泛的應用於弱電觸頭領域。
二背景技術：
在現有技術條件下，電接觸元件製造材料以銀基電接觸材料為主，銅基電接觸材料作為 補充。
1. 銀基電接觸材料
主要銀基電接觸材料包括銀一氧化物、銀基假合金、銀基合金三大類。銀基材料具 有高導電性、高導熱性和良好的機械加工性，在大氣條件下不氧化，能保持低而穩定的 接觸電阻等性質。通過熔煉粉末冶金和複合技術等不同工藝製成的銀合金材料或複合材 料，既保持了銀材料原先的良好性能，又具有耐磨性，抗電弧熔焊的性能，因此廣泛的 應用在電器行業做為電工觸頭材料。但銀是一種昂貴的稀有金屬，資源緊缺，嚴重製約 了銀基電工觸頭材料的發展。
2. 銅基電接觸材料
現階段國內外研究機構都把銅基電接觸材料作為銀基電接觸材料的主要替代品進行 研究，原因是銅具有和銀差不多的導電能力，其熔點、熱容量和機械性能要高於銀，因 而適合用於電接觸材料。但是銅基材料表面在電流、大氣環境條件下容易氧化，且其氧
化物(Cu0和Cu20 )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於作為觸頭材 料應用。此外金屬銅的抗電燒蝕和抗熔焊能力也比較低。因此需要在銅中添加其它元素 和化合物形成合金或者複合材料以改善其物化性能，使其滿足中低壓電器產品的要求。 目前己經有多項關於銅基電接觸材料的專利，如在銅中添加碳纖維、石墨、金剛石、碳 化硼、鎘、稀土金屬、單一的氧化物和滷化物等。雖然這些方案有效的改善了銅基材料 的電性能和機械性能，但是仍然沒有做到觸頭材料抗氧化性、抗熔焊性、抗電燒蝕以及 機械性能的優化組合，性能和銀基材料相比還有不小差距。因此限制了銅基材料的應用 範圍，影響了其推廣應用。
本發明目的是提出一種新型的銅基碳化矽、稀土金屬複合接觸材料，其導電導熱性、滅 弧性、抗熔焊性、抗電流腐蝕、抗粘結性及摩擦特性均可與銀基觸頭相媲美，可替代原有的 銀基電工觸頭材料和傳統的銅基電觸頭材料。
發明內容
本發明針對現有技術存在的不足，提供一種低電阻率且接觸電阻穩定、導熱導電性好、 抗電燒蝕和抗熔悍能力強、機械加工性好的新型銅基複合電接觸材料。該材料採用SiCp和混 合稀土作為主要添加物，其他元素作為改性添加劑。
本發明的另一 目的在於提供上述材料的製備方法。
本發明的銅基複合電接觸材料組分如下，均為重量百分比
SiCp 1-15%
稀土 0.05-2%稀土為富含鑭或鈰的混合稀土 Mo、 \￥之一或組合1-10% Ni 0.2-4% 碲 0.5 — 1%
餘量為Cu
所用原料儘量純度高，尤其是SiCp粉體、銅粉、Mo粉中的雜質。 本發明的銅基金屬陶瓷複合電接觸材料最佳配比(重量比)為SiCp7.5% ，稀土 1%, Mo2%， Wl%，Ni2%，碲0.5%，銅86% ，其中稀土為富含鑭或鈰的混合稀土。
碳化矽是一種半導體材料，具有較大熱導率、高臨界擊穿電場、高禁帶、高載流子遷移 率等特點，是增強銅基體的最佳選擇。碳化矽陶瓷材料具有彈性模量高、抗氧化性能好以及 高溫強度大等優越性能，是用於強化電接觸基體材料最理想的原料之一。此外由於碳化矽本 身是半導體，其電導率隨著溫度的增加而不斷增大，因此可以保證複合材料高溫下的電導率。 根據固相材料的電導理論，在低溫狀態下，由於銅具有很高的導電導熱性能，碳化矽的加入 不會顯著降低增強的複合電接觸材料的導電導熱性能，而強度得以顯著提高。在較高溫度下， 由於銅的電導率隨著溫度的升高而直線降低，而碳化矽的電導率隨著溫度的升高而增大，可 以保證高溫下的電導率，使複合電接觸材料的電導率仍保持在相對較高的水平。選用半導化 的碳化矽顆粒對Cu進行增強，可以有效的改善Cu的機械強度尤其是高溫強度，提高材料 抗電弧燒蝕和抗熔焊的能力，提高複合電接觸材料的使用溫度，同時又不至於顯著降低其導 熱和導電性能。
富鑭或富鈰的混合稀土作為改性劑添加到複合材料中，混合稀土的加入可以改善銅的抗 氧化性能，稀土的加入使Cu離子穿越氧化層的擴散過程遭遇到嚴重抑制，大幅度降低複合 材料的氧化速度，並使Cu的導電率略有提高。同時稀土的加入還可以改善本材料的機加工 性能，提高材料的耐磨性能。除了 SiCp和混合稀土外，本材料還添加少量錳、鎢、鎳、碲等元素。添加Mo 、 W金 屬可以提高材料硬度及耐摩擦和抗電燒蝕性，在電弧作用下氧化形成的少量Mo03 、 WU熔點 低，可以吸收燃弧能量，並能改善SiCp和銅的浸潤性，進一步提高觸頭的抗電燒蝕能力和溫 度特性，延長觸頭使用壽命。Ni可與銅形成機械性能良好的合金，減少冷態時銅的氧化率， 降低觸頭的接觸電阻，降低溫升。碲的加入可以提高材料的起暈電壓和擊穿電壓，進一步改 善材料的滅弧性能。
中等負載下電性能試驗表明本發明的電接觸材料具有優異的電性能，可以和銀基電接觸 材料相比擬。因而可以在很大範圍內替代現有的銀基電接觸材料。具體實施例方式
製備工藝
選用納米銅顆粒作為基體材料，基本粒度為20 —IOO納米；選用半導性六方相碳化矽 顆粒作為增強材料，基本粒度為100納米，最大顆粒小於300納米，最小粒度大於50納米； 選用納米級的稀土、錳、鎢、鎳、碲粉體作為改性材料；在保護氣氛下將基體材料和改性材 料進行機械混粉製得所需的包裹材料顆粒。採用溶膠凝膠法顆粒包裹工藝將包裹材料顆粒包 裹到陶瓷增強材料顆粒表面，經抽濾、清洗包裹後的複合粉體在8(TC溫度下乾燥2小時。 最後採用熱壓燒結工藝，將複合粉料在lOOMPa壓力下壓製成型後進行燒結，保護氣氛為氮氣， 燒成溫度為980°C ，升溫速率為980°C /小時，燒結2小時，壓力為100 MPa ，最後在400MPa 壓力下復壓，獲得本發明所述的銅基複合材料。
實施例l :
按重量百分比，銅基複合電接觸材料的組成是SiCp 7.5 % ，混合稀土 1 % ,錳2% ， 鴇1% ,鎳2%,碲0.5%，銅86 % ，其中稀土為富含鑭或鈰的混合稀土。按上述製備工藝
得到銅基複合電接觸材料。 實施例2 :
按重量百分比，銅基複合電接觸材料的組成是SiCp 6 % ，混合稀土 1 % ,錳5% ,鎳 1.5%,碲0.5%，銅86%,其中稀土為富含鑭或鈰的混合稀土。材料的製備方法同製備工藝。 實施例3 :
按重量百分比，銅基複合電接觸材料的組成是SiCp5% ，混合稀土 1.5%,錳1.5%, 鴉0.5%,鎳0.5%，碲0.5%,銅90.5% ，其中稀土為富含鑭或鈰的混合稀土。材料的制 備方法同製備工藝。
權利要求
1. 一種銅基金屬陶瓷複合材料，其特徵在於是由以下重量百分比的材料組成，SiCp 1一15％，富鑭或富鈰的混合稀土0.05一2％，錳和鎢之一或組合1一10％，鎳0.2一4％，碲0.5一1％，其餘為銅。
2. —種權利要求l所述的銅基金屬陶瓷複合材料的製備方法，其特徵在於具體步驟為，(1) 選用納米銅顆粒作為基體材料，；選用納米級半導性六方相碳化矽顆粒作為增強材料； 選用納米級的稀土、錳、鎢、鎳、碲粉體作為改性材料；(2) 在保護氣氛下將基體材料和改性材料進行機械混粉製得所需的包裹材料顆粒；(3) 釆用溶膠凝膠法顆粒包裹工藝將包裹材料顆粒包裹到陶瓷增強材料顆粒表面，經抽濾、 清洗包裹後的複合粉體在80'C溫度下乾燥2小時；(4) 採用熱壓燒結工藝，將複合粉料在100MPa壓力下壓製成型後進行燒結，保護氣氛為氮 氣，燒成溫度為980'C ，升溫速率為98(TC /小時，燒結2小時，壓力為100 MPa ，最後 在400MPa壓力下復壓，獲得本發明所述的銅基複合材料。
全文摘要
本發明提出一種由銅/SiC/稀土等複合而成的金屬陶瓷材料。其導電導熱性、滅弧性、抗熔焊性、抗電流腐蝕、抗粘結性及摩擦特性均可與銀基觸頭相媲美，可替代原有的銀基電工觸頭材料和銅基電觸頭材料。其特徵在選用銅作為核心基體材料，選用碳化矽顆粒作為增強項，選用含鑭或鈰的稀土作為改良項，改善觸頭材料表面和基體理化性能，提高電接觸表面抗氧化性、抗腐蝕性並提高液相和固相附著力。該材料性能完全達到觸頭材料現行指標及相應的電器標準，本材料不使用貴金屬銀並不含鎘及鎘氧化物，完全達到減輕環境汙染、節約貴重金屬資源的雙重目標，並且大幅降低了觸頭材料的生產成本，符合我國和世界電器產品發展趨勢。
文檔編號H01H1/025GK101452773SQ200710195888
公開日2009年6月10日 申請日期2007年12月4日 優先權日2007年12月4日
發明者請求不公開姓名 申請人:美 紅