專利名稱：一種含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明粉末冶金領域，具體涉及一種含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料及其制備方法。
背景技術：
Cu-Cr合金在高低溫都不會形成金屬間化合物相，其微觀組織結構通常由富Cu固溶體相和富Cr固溶體相組成，其中，富Cu的固溶體相具有良好的導電和導熱性能，而富Cr的固溶體則具有高硬度和高熔點特性，因此，Cu-Cr合金具有高強高導的雙重特性，已作為電觸頭材料在真空斷路器中獲得廣泛應用。為了提高Cu-Cr合金的機械性能和電學性能，國內外采用添加其它金屬元素如Fe、W、Nb、Mo、Zr、Te、Ti及Co等的方法對其進行改性，這些元素的添加通常不會在Cu-Cr合金的微觀組織中形成除富Cu的固溶體相和富Cr的固溶體相以外的新組成相。因此，目前國內外使用的Cu-Cr合金真空開關材料屬于典型的雙相合金。為了進一步提高真空開關的綜合性能特別是耐電壓性能和開斷能力，急需開發(fā)新型的中高壓真空電觸頭材料。中國專利1787137A公開了一種高性能銅一金剛石電觸頭材料及其制造工藝，雖然其導電性能和密度均優(yōu)于Cu-Cr合金，但是其高熔點組元金剛石的含量很低，因此其機械強度和抗熔焊性能無法滿足中高壓真空開關的使用要求；中國專利1887137A公開了一種微量添加元素銀的銅一金剛石電觸頭材料，基于和上面相同的原因，該觸頭材料也不適合用于中聞壓真空開關。中國專利101698911A公開了一種銅鋁基電觸頭復合材料，這一材料除了銅、鋁、錫以及稀土金屬外，還添加了不超過3%的B4C,但其目的是用于替代低壓開關中的銀基電觸頭材料，因此，也不適合中高壓真空開關；中國專利101452773A公開了一種銅基SiCp#土金屬陶瓷復合電觸頭材料，該材料除了金屬Cu、Te、Ni、稀土外，還含有不超過15%的陶瓷相SiC顆粒，其目的也是用來替代低壓開關中的銀基電接觸材料。中國專利101345143A公開了一種Cu/Ti3SiC2電接觸材料及其制備工藝，該材料除了金屬元素Cu外，含有最高達80% (質量百分比)的陶瓷相Ti3SiC2以及其它的微量添加齊U，其微觀組織結構主要由一個金屬相和一個陶瓷相構成，但是其不含有Cr相，并且高溫導電性能差，因此也不適合用于中高壓真空開關
發(fā)明內容

針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料及其制備方法，本發(fā)明觸頭材料的銅基體上除了分布著一個富Cr的金屬相外，還分布著一個陶瓷相，具有電阻率小、硬度和機械強度高、耐壓能力高、開斷能力強和抗熔焊性好的特點。本發(fā)明的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料，其化學組成按質量百分比為5 50%Cr，ΓΙΟ. 5%B4C，余量為 Cu。
本發(fā)明的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的制備方法按照以下步驟進行
Cl)在惰性氣氛保護下，按5 50%Cr，Γιο. 5%B4C的質量配比，將全部的Cr粉、全部的B4C粉以及占Cr粉重量5 15%的Cu粉混合均勻，得到混合粉末；
(2)將混合粉裝入坩堝內敦實、壓平，坩堝放置于真空加熱爐中，抽真空至彡5xlO-2Pa后，加熱至100(Tl40(rC，并保溫O. 5^10小時，得到燒結后的復合粉體，開爐冷卻；
(3)將銅棒置于坩堝內，重新啟動真空加熱爐，快速升溫至1350°C后，開始化銅，化銅完成后降低溫度至1100-1200°C，保溫20-60分鐘，最后關閉加熱系統(tǒng)，冷卻到室溫，得到復合材料坯； (4)在真空或惰性氣氛保護下對復合材料坯加熱至300 1050°C，并保溫O.5 10小時，進行退火處理，得到退火后的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料。本發(fā)明提供的銅基真空電觸頭復合材料的設計原則是在導電的銅基體相上均勻分布一個中等熔點的金屬相A以及一個高熔點的陶瓷相B，此外，所選擇的組成相之間可在特定條件下形成輕度冶金結合，以增強復合材料中不同相之間的結合力。本發(fā)明的基本原理是針對Cu-Cr合金是目前公認的最佳的中壓真空開關用電觸頭材料的特點，選擇常溫下熱導率和電導率很高的富Cu固溶體相作為復合材料的基體相，選擇富Cr的固溶體相作為金屬型第二相，并選擇比富Cr固溶體相的熔點和臨界擊穿電場更高但高溫下熱導率相差不大的B4C化合物作為陶瓷型第二相來共同增強銅基體，旨在使銅基復合材料的機械性能、抗熔焊性能和開斷能力得到綜合提高。為了達到較好的增強效果，本發(fā)明銅基復合材料中的富Cr固溶體相的質量百分比含量不低于5%，陶瓷相的質量百分比不低于I %。本發(fā)明的制備工藝的選取是由于陶瓷相的密度比兩個金屬相低很多，采用熔鑄等工藝很難獲得微觀結構均勻的復合材料，因此，本發(fā)明提供一種基于燒結一溶滲的粉末冶金工藝。本發(fā)明的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料和傳統(tǒng)的具有兩相結構的Cu-Cr合金觸頭材料相比，具有更高的機械強度、更高的耐電壓能力和開斷能力，無論是原始的復合材料坯還是退火工藝處理后的復合材料坯經過適當的機械加工后即可用于中高壓真空開關。


圖I :本發(fā)明的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的制備工藝流程 圖2 :本發(fā)明的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的微觀結構示意 圖3 :本發(fā)明實施例I制備的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的金相照片；
圖4 本發(fā)明實施例I制備的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的掃描電鏡組織圖。
具體實施例方式本發(fā)明所使用原料是=(I)Cu粉純度彡99%，氧含量< 450ppm，粉末粒度為一200 目；(2)Cr粉純度≥99%，氧含量≥800ppm，粉末粒度為一 140目；(3)Cu棒純度≥99%，氧含量≥450ppm ；(4)B4 C粉純度≥95%，粉末粒度為一140目。本發(fā)明所使用的設備室(I)混粉機；(2)真空加熱爐，均為粉末冶金常規(guī)設備。實施例I
組成配比Cu 5. 00 kg,占質量百分比50% ；
Cr 4. 71 kg,占質量百分比47. 1% ；
B4C O. 29kg,占質量百分比2.9%。
(I)按上述化學配比，稱取4. 71kg鉻粉和O. 29kg碳化硼粉末混合均勻，再混入O. 5kg的銅粉，用混粉機混粉8小時；
(2)將混合粉裝入坩堝內敦實、壓平，坩堝放置于真空加熱爐中，抽真空至彡5xlO-2Pa后，加熱至1000°C，保溫10小時，得到燒結后的復合粉體，開爐冷卻；
(3)將4.5kg銅棒置于坩堝內，再次啟動真空加熱爐，快速升溫至1350°C，開始化銅，化銅完成后降低溫度至1100°C，保溫60分鐘，最后關閉加熱系統(tǒng)，得到復合材料坯；
(4)在真空下對復合材料坯加熱至300°C，并保溫10小時，進行退火處理，得到退火后的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料。本實施例制備的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的微觀組織如圖I、圖3和圖4所示，其中，B4C主要以三種方式存在一部分B4C是在鉻骨架燒結中，由于鉻顆粒的相互團聚，附著在鉻表面的B4C被包裹在鉻顆粒中，另一部分在鉻顆粒表面，少部分B4C在滲銅過程中，隨銅進行流動，最終在銅中形成獨立的B4C顆粒。本實施例制備的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的各項性能如下所示性能 密度:7· 83 g/cm3 ；
硬度115-118 HB;
電導率14. 3-15. I Ms/m (退火前)；
17. 4-18. 6 Ms/m (退火后)；
O含量490 ppm ；
N 含量27 ppm ο實施例2
組成配比Cu 5. 17kg，占質量百分比51. 65% ；
Cr 4. 57kg，占質量百分比45. 7% ；
B4C O. 265kg,占質量百分比2.65%。(I)按上述化學配比，稱取4. 57kg鉻粉和O. 265kg碳化硼粉末混合均勻，再混入O. 457kg的銅粉，用混粉機混粉8小時；
(2)將混合粉裝入坩堝內敦實、壓平，坩堝放置于真空加熱爐中，抽真空至<5xlO_2Pa后，加熱至1400°C，保溫O. 5小時，得到燒結后的復合粉體，開爐冷卻；
(3)將4.713kg銅棒置于坩堝內，再次啟動真空加熱爐，快速升溫至1350°C，開始化銅，化銅完成后降低溫度至1200°C，保溫20分鐘，最后關閉加熱系統(tǒng)，得到復合材料坯；
(4)在真空條件下對復合材料坯加熱至1400°C，并保溫O.5小時，進行退火處理，得到退火后的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料。本實施例制備的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的各項性能如下所示性能 密 度7. 76 g/cm3 ；
硬度:182-196 HB ；
電導率14.4-14.5 Ms/m (退火前)；
15. 1-15. 6 Ms/m (退火后)。實施例3
組成配比=Cu 6. 78 kg,占質量百分比67. 8% ；
Cr 3. 00 kg,占質量百分比30% ；
B4C O. 22kg,占質量百分比2.2%。(I)按上述化學配比，稱取3. OOkg鉻粉和O. 22kg碳化硼粉末混合均勻，再混入O. 45kg的銅粉，用混粉機混粉8小時；
(2)將混合粉裝入坩堝內敦實、壓平，坩堝放置于真空加熱爐中，抽真空至彡5xlO-2Pa后，加熱至ΙΟΟΟ ，保溫5小時，得到燒結后的復合粉體，開爐冷卻；
(3)將6.33kg銅棒置于坩堝內，再次啟動真空加熱爐，快速升溫至1350°C，開始化銅，化銅完成后降低溫度至1150°C，保溫30分鐘，最后關閉加熱系統(tǒng)，得到復合材料坯；
(4)在惰性氣氛保護下對復合材料坯加熱至1000°C，并保溫5小時，進行退火處理，得到退火后的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料。本實施例制備的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的各項性能如下所示性能 密度:7· 933 g/cm3 ；
硬度121-128 HB;
電導率18. 3-19. 5 Ms/m (退火前)；
20. 1-21. 5 Ms/m (退火后)。實施例4
組成配比Cu2. 90kg,占質量百分比42. 6% ；
Cr3. 19kg，占質量百分比46. 9% ；
B4CO. 71 kg,占質量百分比10. 5%。(I)按上述化學配比，稱取3. 19kg鉻粉和O. 71kg碳化硼粉末混合均勻，再混入O. 32kg的銅粉，用混粉機混粉8小時；
(2)將混合粉裝入坩堝內敦實、壓平，坩堝放置于真空加熱爐中，抽真空至彡5xlO-2Pa后，加熱至ΙΟΟΟ ，保溫5小時，得到燒結后的復合粉體，開爐冷卻；
(3)將2.58kg銅置于坩堝內，再次啟動真空加熱爐，快速升溫至1350°C，開始化銅，化銅完成后降低溫度至1150°C，保溫30分鐘，最后關閉加熱系統(tǒng)，得到復合材料坯；
(4)在惰性氣氛保護下對復合材料坯加熱至1050°C，并保溫5小時，進行退火處理，得到退火后的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料。本實施例制備的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的各項性能如下所示性能 密度7· 36 g/cm3 ；
硬度240-245 HB ；
電導率8.5-10.2 Ms/m (退火前)；
8. 8-10. 4 Ms/m (退火后)。
權利要求
1.一種含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料，其特征在于其化學組成按質量百分比為5 50%Cr，Γιο. 5%B4C，余量為 Cu。
2.根據權利要求I所述的一種含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料的制備方法，其特征在于按照以下步驟進行 Cl)在惰性氣氛保護下，按5 50%Cr，ΓΙΟ. 5%B4C的質量配比，將全部的Cr粉、全部的B4C粉以及占Cr粉重量5 15%的Cu粉混合均勻，得到混合粉末； (2)將混合粉裝入坩堝內敦實、壓平，坩堝放置于真空加熱爐中，抽真空至彡5xlO-2Pa后，加熱至100(Tl40(rC，并保溫O. 5^10小時，得到燒結后的復合粉體，開爐冷卻； (3)將銅棒置于坩堝內，重新啟動真空加熱爐，快速升溫至1350°C后，開始化銅，化銅完成后降低溫度至1100-1200°C，保溫20-60分鐘，最后關閉加熱系統(tǒng)，冷卻到室溫，得到復合材料坯； (4)在真空或惰性氣氛保護下對復合材料坯加熱至300 1050°C，并保溫O.5 10小時，進行退火處理，得到退火后的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料。
全文摘要
本發(fā)明粉末冶金領域，具體涉及一種含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料及其制備方法。本發(fā)明的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料，其化學組成按質量百分比為5~50%Cr，1~10.5%B4C，余量為Cu。將Cr粉、B4C粉以及Cu粉混合均勻，得到混合粉末，加入銅棒，放置于真空加熱爐中，當溫度升至1350℃后，開始化銅，化銅完成后降低溫度至1100-1200℃，保溫20-60分鐘，冷卻到室溫，得到復合材料坯，對其退火處理，得到含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料。本發(fā)明的含有陶瓷相的銅基真空電觸頭復合材料和具有更高的機械強度、更高的耐電壓能力和開斷能力，經過適當的機械加工后即可用于中高壓真空開關。
文檔編號C22C9/00GK102628114SQ20121008575
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權日2012年3月28日
發(fā)明者劉凱, 王小軍, 王文斌, 高建榮 申請人:東北大學, 陜西斯瑞工業(yè)有限責任公司