專利名稱：電器觸點(diǎn)用銅基電接觸復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電工材料領(lǐng)域，主要是涉及低壓開關(guān)電器的分?jǐn)嘤|點(diǎn)材料。
背景技術(shù)：
眾所周知，大多數(shù)低壓電器觸點(diǎn)材料都是銀基合金或復(fù)合材料。盡管銀基材料可保證觸頭的良好服役特性和電器的可靠工作，卻導(dǎo)致了稀貴金屬的大量消耗。節(jié)銀和代替銀觸頭的措施既要保證材料的質(zhì)量，同時(shí)又要價(jià)格低廉，這就使人們開始嘗試以銅代銀。銅作為電接觸材料具有許多優(yōu)越的物理特性導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱容性、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熔化潛熱和汽化潛熱等指標(biāo)均較高，現(xiàn)在已經(jīng)有一些銅基觸頭材料較為接近于工程實(shí)際，并取得了一定的應(yīng)用成果。這種材料以銅為基礎(chǔ)材料并含有金屬鎘和金剛石微粉(尺寸小于2微米)，另外還含有一些碳化物形成元素，例如W、Mo、Nb、V等用以提高材料的抗電弧燒蝕性，以及合金化元素Cd、Zr、Te、La、Ce等以提高材料的抗氧化性能。近期一些專利文獻(xiàn)中提出了加入碳化物(WC、VC、TaC等)高熔點(diǎn)材料，以提高基體的強(qiáng)度。這些材料雖然具有較高的耐電弧燒蝕性，較低的體電阻率(2.0～3.8μΩ·cm)，足夠高的硬度(HB＝600～650MPa)和抗熔焊性，以及較為穩(wěn)定的接觸電阻，但接觸電阻數(shù)值卻較高，并且表面氧化劇烈，使用溫升值較高。同時(shí)，在直流條件下，材料的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量也較大，使觸頭表面易于形成微突起和凹坑，導(dǎo)致觸頭材料過(guò)早地失效。另外，由于金剛石粒子導(dǎo)電性差，與銅基體之間的潤(rùn)濕性較差，特別是在金剛石與基體的相界面上形成碳化物時(shí)，使界面結(jié)合強(qiáng)度降低，導(dǎo)致觸頭的持久強(qiáng)度較低，引起重負(fù)載(AC4)條件下觸頭經(jīng)幾個(gè)周期的循環(huán)操作后，發(fā)生快速損壞。這些都會(huì)使開關(guān)電器的可靠性降低。大量碳化物元素形成的存在，導(dǎo)致材料塑性降低，其與基體的結(jié)合強(qiáng)度也難于保證。合金化元素Cd的添加可以提高材料的抗氧化性能和自滅弧性能，但其劇毒性將使其應(yīng)用受到限制。國(guó)際上對(duì)于含Cd的銀基產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售已經(jīng)開始嚴(yán)格控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的電觸頭材料使用壽命和可靠性低以及使用時(shí)散發(fā)有毒物質(zhì)的缺陷，提供一種使用壽命和可靠性高而且不污染環(huán)境的電器觸點(diǎn)用復(fù)合材料。本發(fā)明材料成分方案如下；以重量百分比計(jì)，碲1.0～3.0、二硼化鈦0.5～3.5、二硼化鑭0.5～4.0、釩0.01～10.0、氧化錫1.0～10.0、銅余量，其中二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。本發(fā)明的材料中含有二硼化鈦、二硼化鑭、氧化錫和釩，這可降低觸頭的接觸電阻和直流條件下的材料轉(zhuǎn)移量，同時(shí)可使觸頭材料的持久強(qiáng)度提高。這種材料中含有的碲固溶于銅基體之中形成銅碲合金，可以明顯提高基體的抗氧化性，使材料接觸電阻低且穩(wěn)定。而且與銅鎘合金相比，碲對(duì)基體電阻率影響最小。氧化動(dòng)力學(xué)分析與電阻率測(cè)試表明，銅碲合金的綜合性能更優(yōu)，可以代替有毒性的銅鎘合金。與金剛石相比，添加的二硼化鈦和二硼化鑭具有較高的導(dǎo)電性和強(qiáng)度，在相對(duì)較低的燒結(jié)溫度下(如900℃)，與基體銅之間的界面結(jié)合強(qiáng)度很好，因此觸頭機(jī)械強(qiáng)度上升，尤其是循環(huán)載荷作用下的材料持久強(qiáng)度升高，保證了開關(guān)電器的可靠性。除此之外，上述材料中所添加的難熔金屬元素釩會(huì)固溶于銅基體之中，且在銅基體中的分散系數(shù)較大，因此在沖擊載荷條件下，材料會(huì)表現(xiàn)出較高的塑性。氧化錫的添加主要是增強(qiáng)材料的自滅弧能力。氧化錫在電弧作用下分解時(shí)，可以在1270K裂解為電離能極高的氧化亞錫多分子鏈，吸收大量的電弧能量，從而起到促進(jìn)電弧熄滅的作用。它與碲共同作用，完全可以替代有毒性的金屬鎘。
利用粉末冶金法可將上述材料制備成觸頭件。將上述添加組元粉末按一定配比混合；然后將混合粉末壓制成坯料并進(jìn)行燒結(jié)；然后再施壓，目的是提高材料密度；最終采用退火以消除應(yīng)力和優(yōu)化組織。利用本發(fā)明所制備出的觸頭件性能指標(biāo)如下密度8.3～8.8g/cm3;硬度HB650～800MPa；電阻率2.3～3.6μΩ·cm；按上述方法制備出的觸頭件與標(biāo)準(zhǔn)的觸頭標(biāo)樣在專用測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試交流條件下的電磨損量、出現(xiàn)工作層時(shí)觸頭表面的接觸壓降U，詳細(xì)數(shù)據(jù)列于表1之中(對(duì)比樣用X表示)。試驗(yàn)條件為I＝30A，U＝380V，cos＝0.8，開/關(guān)循環(huán)次數(shù)為10000次。電壓降為30次測(cè)試的平均值。電磨損量為觸頭對(duì)磨損量的平均值。
表1不同組分的電觸頭材料性能列表

試驗(yàn)表明，當(dāng)添加組元的含量低于上述組份含量下限時(shí)，這些組元對(duì)基體材料的服役性能沒(méi)有較大貢獻(xiàn)；而當(dāng)添加組元的含量高于上述組份含量上限時(shí)，將導(dǎo)致觸頭性能的急劇惡化。與表1中對(duì)比材料相比，組元的添加可降低觸頭材料的接觸電阻，有效提高材料的耐電弧燒蝕性和抗熔焊性，強(qiáng)化銅碲合金基體，還可使材料的強(qiáng)度保持持久。
具體實(shí)施例方式
一它由碲1.0～3.0、二硼化鈦0.5～3.5、二硼化鑭0.5～4.0、釩0.01～10.0、氧化錫1.0～10.0和作為余量的銅組成，其成分配比是重量百分比，二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。
具體實(shí)施例方式
二它由碲1.0～2.0、二硼化鈦0.5～2、二硼化鑭0.5～2.5、釩0.01～5.0、氧化錫1.0～5.0和作為余量的銅組成，其成分配比是重量百分比，二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。
具體實(shí)施例方式
三它由碲2.1～3.0、二硼化鈦2.1～3.5、二硼化鑭2.6～4.0、釩5.1～10.0、氧化錫5.1～10.0和作為余量的銅組成，其成分配比是重量百分比，二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。
具體實(shí)施例方式
四它由碲1.4、二硼化鈦2.0、二硼化鑭0.5、釩2.0、氧化錫2.0和作為余量的銅組成，其成分配比是重量百分比。本實(shí)施方式為最佳實(shí)施方式，利用本實(shí)施方式制備出的觸頭件與對(duì)比樣件在直流條件下的耐燒蝕和物質(zhì)轉(zhuǎn)移量實(shí)驗(yàn)如表2所示，對(duì)比樣件成分的重量百分比是銅為98.9、碲為1.1，試驗(yàn)條件為I＝100A，U＝400V，開/關(guān)循環(huán)次數(shù)為10000次，(+)表示質(zhì)量增加，(-)表示質(zhì)量減少。
表2本實(shí)施方式的材料和對(duì)比材料在直流條件下性能對(duì)比

由表中可見，本發(fā)明所提出的觸頭材料的磨損量相對(duì)于對(duì)比材料極低，從而證明本發(fā)明的本材料具有較高的耐電弧燒蝕性，工作面接觸壓降(即接觸電阻)較低，直流條件下的電物質(zhì)轉(zhuǎn)移量極低。試驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)比樣相比，本發(fā)明所提供的觸頭材料可提高電器開關(guān)的可靠性和使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種電器觸點(diǎn)用銅基電接觸復(fù)合材料，其特征是它由碲1.0～3.0、二硼化鈦0.5～3.5、二硼化鑭0.5～4.0、釩0.01～10.0、氧化錫1.0～10.0和作為余量的銅組成，其成分配比是重量百分比，二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電器觸點(diǎn)用銅基電接觸復(fù)合材料，其特征是它由碲1.0～2.0、二硼化鈦0.5～2、二硼化鑭0.5～2.5、釩0.01～5.0、氧化錫1.0～5.0和作為余量的銅組成，其成分配比是重量百分比，二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電器觸點(diǎn)用銅基電接觸復(fù)合材料，其特征是它由碲2.1～3.0、二硼化鈦2.1～3.5、二硼化鑭2.6～4.0、釩5.1～10.0、氧化錫5.1～10.0和作為余量的銅組成，其成分配比是重量百分比，二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電器觸點(diǎn)用銅基電接觸復(fù)合材料，其特征是它的成分為碲1.4、二硼化鈦2.0、二硼化鑭0.5、釩2.0、氧化錫2.0、銅為余量，其成分配比是重量百分比。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電器觸點(diǎn)用銅基電接觸復(fù)合材料，其成分重量百分比為碲1.0～3.0、二硼化鈦0.5～3.5、二硼化鑭0.5～4.0、釩0.01～10.0、氧化錫1.0～10.0和作為余量的銅組成，二硼化鈦和二硼化鑭含量之和不超過(guò)4。本發(fā)明的材料中含有二硼化鈦、二硼化鑭、氧化錫和釩，這可降低觸頭的接觸電阻，并使直流條件下的材料轉(zhuǎn)移量降低，同時(shí)可使觸頭材料的持久強(qiáng)度提高。碲固溶于銅基體之中形成銅碲合金，可以明顯提高基體的抗氧化性，使材料接觸電阻低且穩(wěn)定。二硼化鈦和二硼化鑭具有較高的導(dǎo)電性和強(qiáng)度，在相對(duì)較低的燒結(jié)溫度下如900℃，與基體銅之間的界面結(jié)合強(qiáng)度很好，保證了開關(guān)電器的可靠性。釩會(huì)固溶于銅基體之中，材料會(huì)表現(xiàn)出較高的塑性。
文檔編號(hào)H01H1/02GK1484263SQ0313254
公開日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者邵文柱, 甄良 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)