一種Cu/Ti₃SiC₂電接觸材料及其製備工藝的製作方法

2023-04-28 10:44:26 1

專利名稱：一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料及其製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及粉末合金材料，具體說就是一種Cu/Ti3SiC2電接觸 材料及其製備工藝。
(二)
背景技術：
目前公開的同類專利和正在應用的觸頭材料中， 一類是以銀為主 成分的銀基電觸頭材料，另一類是以銅為主成分的銅基電觸頭材料。 以銀為主成分的銀基電觸頭材料電性能很好，成本很高，但也不能完 全滿足電器產品的某些特殊要求。以銅為主成分的銅基電觸頭材料成 本低，電性能雖能滿足使用要求，但仍有待提高。同時，傳統的電刷、 受電弓滑板等電接觸材料由於易磨損、易受電弧燒蝕、易腐蝕等缺點 造成的壽命短等原因，也對這類材料的相關性能提出了更高的要求。
(三)

發明內容
本發明的目的在於提供一種高強度、高導電、高導熱、耐氧化、 抗熔焊、耐電弧燒損和電壽命長的並且具有自潤滑能力的Cu/Ti3SiC2
電接觸材料及其製備工藝。
本發明的目的是這樣實現的所述的Cu/Ti3SiC2電接觸材料是 由純銅粉或銅合金粉與重量百分比為0. 01 80. 0%的Ti3SiC2粉末， 通過粉末冶金工藝方法製備的。
本發明還有以下技術特徵
(1) 本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料及其製備工藝，所述的 Ti3SiC2粉末純度大於93%、顆粒尺寸0. 01 50 u m。
(2) 本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料及其製備工藝，所述的純銅 粉粒度為一200目。
(3) 本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料及其製備工藝，所述的銅合 金粉含有重量百分比為0.01 50%的金剛石、石墨、銀、鑭、鈰、 鏑、釤、釔、鐿、鋯、鋁、鉻、鈮、錫、鋅、鎢、釩、氧化錫、氧化 鎘、氧化銦中的一種或其中幾種的混合，粒度為一200目。
本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，其製備工藝如下
(1) 將Ti3SiC2粉末與純銅粉或銅合金粉在保護氣氛下，在高能球 磨機上球磨6 12h，得到混合粉末；
(2) 將所獲得的混合粉末放入石墨模具通過熱壓的方法製成直徑 50mm的塊狀樣品，稱之為胚料。具體熱壓制度為保護氣氛下，熱壓
溫度850 950°C,保溫時間30 60min，熱壓壓強為40 200MPa;
(3) 熱壓後的胚料在700 90(TC下熱擠壓成型，稱之為擠壓型材；
(4) 擠壓型材在真空或者保護氣氛下進行時效處理，處理溫度500 800°C，處理時間1 5小時；
(5) 將經過時效處理的型材軋制或拉拔加工後，按產品尺寸進行機
本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，兼具金屬和陶瓷的優良性 能，不但強度高，而且具備良好的導電性、導熱性，抗熔焊、耐電弧 燒蝕、耐腐蝕、抗熱震、抗氧化尤其高溫抗氧化性等優良特性。特別 是該材料的超低磨擦係數和自潤滑性，是電接觸材料不可或缺的特性 之一。可廣泛應用於電接觸材料，如高低壓電器用觸頭材料、電刷、 受電弓滑板等。 具體實施例方式
下面對本發明作進一步說明。
本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料是由純銅粉或銅合金粉與重 量百分比為0. 01 80. 0%、顆粒尺寸在0. 01 50um的Ti3SiC2粉 末，通過粉末冶金工藝方法製備的。Ti3SiC2屬六方晶體結構，共稜 的TiC八面體被由Si原子形成的Si層所分隔開來，形成特殊的納米 尺度層片狀結構。這種結構賦予它象石墨一樣具有潤滑性和可加工 性，結合了金屬和陶瓷的許多優良性能。Ti3SiC2熔點高達300(TC， 具有極好的導電性、導熱性，其導電性與純金屬相當，25'C時導電率 達4. 7X106sm、導熱率達33. 5Wm—'K—'。另外，Ti3SiC2所具備的高強 度、抗熱震、耐腐蝕、抗氧化，尤其抗高溫氧化性和抗循環氧化能力 以及自潤滑性和超低磨擦係數等特性，更是電接觸材料所需要的關鍵 特性。
採用Ti3SiC2製備的銅基電接觸材料，更能體現出高強、高導、 高韌、自潤滑等特性。採用粉末冶金方法在銅基體中加入Ti3SiC2粉 末，不但可以起到彌散強化作用，同時對材料電導率影響很小。作為 高低壓電器用觸頭使用可以起到良好的抗熔焊、抗電弧燒蝕、抗氧化 特別是抗高溫氧化，提高耐磨性、改善觸頭接觸電阻，降低溫升、提 高電壽命等作用。同時，Ti3SiC2金屬陶瓷作為硬質質點，更易使觸 頭表面形成的氧化層剝離脫落。因此更適合應用在各種斷路器和交流 接觸器上。作為受電弓滑板、電刷等電接觸材料使用也可以起到減小 磨損、抑制電弧燒蝕和腐蝕，延長使用壽命的作用。金剛石是自然界中導熱率最高的物質，導熱率達138. 16 Wm—'K—S 同時具有熔點高(約370(TC)、硬度大、耐磨損等性能，採用粉末冶 金方法在銅中加入細小的金剛石顆粒，不但可以起到彌散強化作用， 提高硬度和耐磨性，還將電弧產生的熱量傳導至橋架，降低觸頭表面 溫度。更為重要的是觸頭表面的金剛石粒子在打弧時燒掉，在觸頭表 面不產生導致電阻增加的沉積物。同時在高溫電弧作用下，金剛石燃 燒產生的一氧化碳可使觸頭表面的氧化銅還原為金屬銅或氧化亞銅。 因此，在觸頭表面被氧化的情況下，可由金剛石和氧化亞銅改變氧化 層的結構。氧化亞銅呈粉狀薄膜，有利於保證觸頭具有充分的整流作 用。
銅中添加少量的銀並經過大的變形處理，可以改善其強度、硬度， 增加電導、熱導和抗腐蝕性，提高流動性和浸潤性並改善冷熱加工性 能。在銅中適量加入鑭、鈰、鏑、釤、鐿、釔作為銅的合金元素，能 改善銅基合金低溫和高溫的抗氧化能力，提高銅基合金的強度和再結 晶溫度，並使電導率略有提高。在銅中適量加鋯、鉻、鋁可以提高銅 基材料的中、高溫抗氧化能力、抗燒蝕性能和耐腐蝕性能。鋁、錫、 鋅在作為觸頭材料時可以通過其汽化降低觸頭溫度和具有滅弧作用。 鉻、鈮、鎢、釩在銅基體中固溶度極低，這些元素的加入對提高基體 的抗氧化性能、強度和抗燒蝕性能具有一定的作用。該類合金的加入 也可以提高再結晶溫度。同時可以增加觸頭表面在電弧作用下所形成 的金屬熔池的粘性，減少觸頭材料的物質損失，從而增加觸頭的電壽 命。
在銅基體中加入氧化鎘、氧化錫和氧化銦的作用是在電弧作用 下氧化鎘、氧化錫和氧化銦蒸發成氣體，起到滅弧作用，並降低觸頭 表面溫度。同時還可以增加觸頭表面金屬熔池的粘性，減小溶池噴濺 傾向，從而減小觸頭表面的物質損失，增加觸頭壽命。
基於以上分析，本發明提供的這種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，可 視應用工況條件適當採用金剛石、石墨、銀、鑭、鈰、鏑、釤、釔、 鐿、鋯、鋁、鉻、鈮、錫、鋅、鎢、釩、氧化錫、氧化鎘、氧化銦中 的一種或其中幾種的混合，以改善相關性能。
由於Ti3SiC2顆粒與銅的浸潤性不好，很難與銅基體形成牢固的 界面結合，導致其優異的性能得不到充分發揮。因此採取以下工藝， 以保證其優異性能的充分發揮。
本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料其製備工藝如下(1) 將Ti3SiC2粉末與純銅粉或銅合金粉在保護氣氛下，在高
能球磨機上球磨6 12h，得到混合粉末；
(2) 將所獲得的混合粉末放入石墨模具通過熱壓的方法製成直 徑50mm的塊狀樣品，稱之為胚料。具體熱壓制度為保護氣氛下， 熱壓溫度850 950°C ，保溫時間30 60min,熱壓壓強為40 200MPa;
(3) 熱壓後的胚料在700 90(TC下熱擠壓成型，稱之為擠壓型
材；
(4) 擠壓型材在真空或者保護氣氛下進行時效處理，處理溫度 500 800°C，處理時間1 5小時；
(5) 將經過時效處理的型材軋制或拉拔加工後，按產品尺寸進 行機械加工。
實施例1
組成配比，重量百分比 Ti3SiC2粉(平均粒度5um): 0.8%;
":、
電阻率1. 98u Q cm; 密度8. 60/cm3; 硬度HB 500 650MPa。 實施例2
組成配比，重量百分比
Ti3SiC2粉(平均粒度5um): 1.0%;
金剛石粉(平均粒度lPm): 0.6%
銅餘量。
性能
電阻率2. 15u Q cm; 密度8. 65/cm3; 硬度HB 500 650MPa。 實施例3
組成配比，重量百分比
Ti3SiC2(平均粒度6um): 1.2%;
銀0. 18%; 銅餘量。 性能
電阻率2. 05u Q cm; 密度8. 55/cm3; 硬度HB 600 750MPa。 實施例4
組成配比，重量百分比
Ti3SiC2粉(平均粒度7 u m):
鑭1.84%;
銅餘量。 性能
電阻率3. 15p q cm;
密度8. 52 /cm:';
硬度HB 750 900MPa。 實施例5
組成配比，重量百分比 Ti3SiC2粉(平均粒度8um): 鑭0. 14%; 鋯0.025%; 鋁0. 12%;
":、
電阻率2. lOy Q cm; 密度8. 58/cm3; 硬度HB 750 1000 MPa。 實施例6
組成配比，重量百分比
Ti3SiC2粉(平均粒度9 u m):
氧化錫8.0%; 銅餘量。 性能
電阻率2. 55ii Q cm; 密度8. 48/cm3; 硬度HB 750 100(MPa。 實施例7
組成配比，重量百分比
20.0%;
1.0%;
2.0%;
Ti3SiC2粉(平均粒度lOym): 0.18%;
鈮1.56%;
":、
電阻率2. 20u Q cm; 密度8.6 / cm3; 硬度HB 650 800MPa。 實施例8
以實施例l為例，其製備工藝為
(1) 將0.8kgTi3SiC2粉末與99.2kg純銅粉在保護氣氛下，在 高能球磨機上球磨12h，得到混合粉末；
(2) 將所獲得的混合粉末放入石墨模具通過熱壓的方法製成直 徑50mm的塊狀樣品，稱之為胚料。具體熱壓制度為在保護氣氛下， 熱壓溫度90(TC，保溫時間60min，熱壓壓強為40MPa;
(3) 熱壓後的胚料在85(TC下熱擠壓成型，稱之為擠壓型材；
(4) 擠壓型材在真空條件下進行時效處理，處理溫度800°C， 處理時間2小時；
(5) 將經過時效處理的型材軋製成板材，按產品尺寸進行機械加工。
權利要求
1.一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料是由純銅粉或銅合金粉與重量百分比為0.01～80.0％的Ti3SiC2粉末，通過粉末冶金工藝方法製備的。
2. 根據權利要求1所述的一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，其特徵 在於所述的Ti3SiC2粉末純度大於93%、顆粒尺寸0.01 50um。
3. 根據權利要求1所述的一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，其特徵 在於所述的純銅粉粒度為一200目。
4. 根據權利要求1所述的一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，其特徵 在於所述的銅合金粉含有重量百分比為0.01 50%的金剛石、石 墨、銀、鑭、鈰、鏑、釤、釔、鐿、鋯、鋁、鉻、鈮、錫、鋅、鴇、 釩、氧化錫、氧化鎘、氧化銦中的一種或其中幾種的混合，粒度為 —200目。
5. —種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，其製備工藝如下(1) 將Ti3SiC2粉末與純銅粉或銅合金粉在保護氣氛下，在高 能球磨機上球磨6 12h，得到混合粉末；(2) 將所獲得的混合粉末放入石墨模具通過熱壓的方法製成直 徑50mra的塊狀樣品，稱之為胚料；具體熱壓制度為保護氣氛下， 熱壓溫度850 950°C ，保溫時間30 60min，熱壓壓強為40 200MPa;(3) 熱壓後的胚料在700 90(TC下熱擠壓成型，稱之為擠壓型材；(4) 擠壓型材在真空或者保護氣氛下進行時效處理，處理溫度 500 800°C，處理時間1 5小時；(5) 將經過時效處理的型材軋制或拉拔加工後，按產品尺寸進 行機械加工。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種高強度、高導電、高導熱、耐氧化、抗熔焊、耐電弧燒損和電壽命長的並且具有自潤滑能力的Cu/Ti3SiC2電接觸材料及其製備工藝。Cu/Ti3SiC2電接觸材料是由純銅粉或銅合金粉與重量百分比為0.01～80.0％的Ti3SiC2粉末，通過粉末冶金工藝方法製備的。本發明一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料，兼具金屬和陶瓷的優良性能，不但強度高，而且具備良好的導電性、導熱性，抗熔焊、耐電弧燒蝕、耐腐蝕、抗熱震、抗氧化尤其高溫抗氧化性等優良特性。特別是該材料的超低磨擦係數和自潤滑性，是電接觸材料不可或缺的特性之一。可廣泛應用於電接觸材料，如高低壓電器用觸頭材料、電刷、受電弓滑板等。
文檔編號B22F3/14GK101345143SQ200810136998
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月25日 優先權日2008年8月25日
發明者嚴久江, 何肖冰, 倪樹春, 劉新志, 王英傑 申請人:倪樹春;王英傑;劉新志;嚴久江;何肖冰