一種銅基電接觸層狀復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種銅基電接觸層狀復合材料，特別涉及采用真空熱壓燒結工藝制備銅基電接觸層狀復合材料的方法，主要用于中低負載的電源開關、繼電器、接觸器、起動器等電器裝置中。
【背景技術】
[0002]弱電接觸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銀、代銀技術途徑。根據銀與銅的物理化學性質，銅的電和導熱性質上與銀最相近，所以，作為導電材料，代替銀的最合適的金屬是銅。但是銅作為電接觸材料的主要障礙在于銅基材料表面在大氣環境條件下容易氧化，生成導電性極差的CuO和Cu20，導致觸頭元件的接觸電阻大幅增加，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于作為接觸材料應用。另外，一般銅合金不能滿足電觸頭元件綜合電性能方面的要求。目前已有的銅-石墨等一些銅基電接觸材料因電接觸表面存在較嚴重的氧化問題，使其應用得到限制，僅在真空開關控制電路中得到應用。由于低壓開關具有較小的開關力，使電觸頭表面生成的氧化膜不易被破壞，由于氧化膜的存在，使接觸元件導電性惡化。為了提高銅基電接觸材料的抗氧化性，往往添加一些抗氧化元素，但是這些組元的添加使得材料的整體電接觸性能下降。
[0003]公開號為CN104282448A中國專利，公開了一種耐電弧燒蝕銅基電接觸復合材料，其組成為:0.5-6%鋅，0.5-2.5%氧化釔，0.04-1%富鈰混合稀土，0.5_5%碳化硼，其余為銅粉及其它不可避免的雜質。上述材料雖然具有良好的抗電弧侵蝕、抗氧化性和自潤滑性能，但是其導電、導熱性和抗熔焊性能還有待提高，尤其是整體致密度不是很高，影響了材料的綜合性能。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種適用于中低負載、頻繁開閉的電源開關材料，如繼電器，接觸器，起動器等電器裝置中，價格低廉、接觸電阻穩定、抗熔焊性能佳、力學性能良好，抗氧化性與導電導熱性兼顧的中低壓電器用銅基電接觸復合材料。本發明的另一目的在于提供一種制備上述材料的方法。
[0005]本發明是通過以下措施來實現的:
本發明的銅基電接觸層狀復合材料，是由以下重量百分比的材料組成:上層材料中，為
0.5-4%鉍、0.5-4%碳化鎢、0.1-0.6%釔、0.5-2.5%氧化釔，其余為銅及其它不可避免的雜質；下層為純銅及其他不可避免的雜質；上下層的層厚均為8-20mm。
[0006]本發明的一種銅基電接觸層狀復合材料，所述材料的優選組成為:上層為2%鉍、2%碳化鎢、0.2%釔、1%氧化釔，其余為銅及其他不可避免的雜質；下層為銅及其他不可避免的雜質。
[0007]本發明的銅基電接觸層狀復合材料的制備方法，其具體步驟為:
(1)首先，將釔和銅制成釔含量為0.1-0.6%的釔-銅合金粉，按照所述成分配比，將粒度為100-300目的銅-釔合金粉、鉍粉、碳化鎢粉、氧化釔粉進行球磨混粉1-3小時，球磨機轉速為每分鐘150-300轉；
(2)將100-300目的銅粉用鋼質模具進行預壓，預壓壓力為30-100MPa。將預壓試樣放入石墨模具中，平鋪上步驟(I)中混合均勻的粉末進行真空熱壓燒結。壓力為20-50MPa，燒結溫度為750-950°C，保溫時間為1-3小時。在達到預定的溫度時施加壓力，當降溫到300-500°C時卸壓。升溫速率為5-15°C /min，冷卻到200°C以下溫度后取樣。整個燒結過程保持爐內真空度低于1X10 2Pa0
[0008]本發明的制備方法中，球磨所用料球為剛玉球，球料比為15:1。
[0009]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，能滿足電接觸材料基體的要求。考慮到觸頭材料上層抗氧化、電接觸性能等要求，所以上層選用了抗氧化性良好的含稀土釔的銅基復合材料，并添加了適量的碳化鎢、氧化釔等組元，以提高材料的抗熔焊性等電性能，獲得良好的耐磨性。添加鉍組元以改善材料的抗電弧燒蝕性。考慮到電接觸材料下層對力學和電接觸性能要求不高，所以下層材料選用純銅，以提高材料的整體導電導熱性，且易于與電器底座焊接連接，成本也更低廉。
[0010]本發明的銅基電接觸層狀復合材料主要應用于中低電負載的電源開關、繼電器、直流接觸器、空氣開關等低壓電器中。本發明材料的整體抗熔焊性能、抗氧化性能、滅弧性能和耐磨性能良好，電接觸性能和銀基電接觸材料相近，下層材料導電導熱性能優良，且易于焊接，成本低廉，材料的整體導電性能優良，是低中壓電器開關中常用的銀合金電接觸材料的廉價替代品。
【具體實施方式】
[0011]實施例1:
本實施例材料的組成重量配比為:上層為2%鉍、2%碳化鎢、0.2%釔、1%氧化釔，余量為銅；下層為銅。
[0012](I)將銅-釔合金粉和粒度為200目的鉍粉進行球磨混合，球磨時間為2小時，球磨所用料球為的剛玉球，球料比為15:1 ;然后加入2%的碳化鎢和1%的氧化釔進行機械混粉；
(2)將100-300目的銅粉用鋼質模具進行預壓，預壓壓力為50MPa。然后將預壓試樣放入石墨模具中，平鋪上步驟(I)中混合均勻的粉末進行真空熱壓燒結。壓力為20MPa，燒結溫度為800°C，保溫時間為2小時。在達到預定的溫度時施加壓力，當降溫到400°C時卸壓。升溫速率在400°C前為10°C /min，400°C后為5°C /min，冷卻到200°C后取樣。整個燒結過程保持爐內真空度低于lX10-2Pa。經以上工藝過程，制成銅基電接觸層狀復合材料。
[0013]本材料基本性能:致密度99.54% ;電阻率2.34 μ Ω.cm ;上層硬度61 (HB);抗彎強度254MPa(純銅的為209MPa) ;400°C大氣環境條件下上層材料氧化20h的氧化增重1.18mg/cm2 (純銅的為 5mg/cm2)。
[0014]實施例2: 本實施例材料的組成重量配比為:上層為2%鉍、2%碳化鎢、0.2%釔、1%氧化釔，余量為銅；下層為銅。
[0015]步驟(I)與實施例1中的步