铜基新型电接触材料电性能分析.pdf

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1、8崔浩等：铜基新型电接触材料电性能分析电工材料2 0 0 9N o 3铜基新型电接触材料电性能分析崔浩，谢明，(杨有才，陈永泰，刘满门，张勇甲，刘捷昆明贵金属研究所，昆明6 5 0 1 0 6)摘要：用熔铸法和粉末冶金法制备了C u N i Z r Y 铜基电接触材料。通过电接触实验，得到了两种不同方法制备的铜基触头的材料转移和接触电阻数据，并进行了电接触性能分析；同时利用扫描电镜和E D A X 能谱分析对铜基触头材料进行了电侵蚀形貌观察及区域元素分析。关键词：铜基电接触材料；电弧侵蚀；微观组织形貌；接触电阻；材料转移中图分类号：T M 2 0 1 4；T F l 2 5；T G l l 5

2、文献标志码：A文章编号：1 6 7 1 8 8 8 7(2 0 0 9)0 3 0 0 0 8 一0 4A n a l y s i so fE l e c t r i c a lP r o p e r t i e so fC o p p e r b a s e dN e wE l e c t r i c a lC o n t a c tM a t e r i a lC U IH a o。X I EM i n g，Y A N GY o u c a i，C H E NY o n g t a i，L I UM a n m e n，Z H A N GY o n g-j i a。L I UJ i e(K

3、 u n m i n gI n s t i t u t eo fP r e c i o u sM e t a l s，K u n m i n g6 5 0 1 0 6，C h i n a)A b s t r a c t：C u N i Z r Yc o p p e r b a s e dn e we l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a lw a sp r e p a r e db yi r o nc a s t i n ga n dp o w d e rm e t a l l u r g y T h ed a t ao ft h ec o p

4、 p e r b a s e dc o n t a c t Sm a t e r i a lt r a n s f e ra n dc o n t a c ti m p e d a n c ew e r eo b t a i n e db yt w od i f f e r e n tw a y st h r o u g he l e c t r i c a lc o n t a c te x p e r i m e n t s T h ee l e c t r i c a lc o n t a c tp r o p e r t yw a sa n a l y z e d T h ec o p

5、 p e r b a s e dc o n t a c tm a t e r i a l se l e c t r i ce r o s i o nm i c r o s t r u c t u r ea n de l e m e n t a r ya n a l y s i sw e r ec a r r i e do u tb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n de n e r g ys p e c t r u m K e yw o r d s：c o p p e r b a s e da l l o ye l e

6、c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l；a r ce r o s i o n；m i c r o s t r u c t u r e；c o n t a c ti m p e d a n c e：m a t e r i a It r a n s f e r1 引言低压电器用电触头大都是由含8 0 9 0 白银的复合材料制成u j 银资源的2 5 3 0 被用于制造电上和电子仪器所需要的触头元器件1 2 1 0 有限的贵金属资源经过多年的开采和应用，目前正日趋贫乏价格逐年七升，为了从根本上解决银资源大骷消耗的问题，降低使用成本。开发廉价金属电接触材料势

7、在必行。本实验通过向铜基体中加入微馈元素许采用粉末冶金及熔铸两种方法制备r 新型铜基电接触材料，并对材料的电接触性能进行了较为深入的研究，目的是实现铜基电接触材料在低压电器领域对贵金属银合金的替代。基金项目：云南省自然科学蘸金项日(2 0 1)S E 0 0 3 8 Q)作者简介：崔浩(1 9 8 1 一)男硕士辽宁阜新人研究方向：粉体材料。收稿日期：2 0 0 9 一0 6 一0 22 实验2 1 合金粉末制备将9 9 9 5 的纯铜和9 9 9 的纯镍放入巾频感应炉中熔炼，待完全熔化后加入已制备好的(u Z r和C u Y 中间合金进行精炼，精炼后的合金液保持一定时间后，采用“惰性气体雾化

8、+转懿旋转离心雾化+水冷”的方式制备C u N i。Z r Y 合金粉末。2 2 工艺流程粉末冶金方法上艺流程：中间合金制备一熔炼一急冷雾化制粉一粉末退火一冷等睁压一烧结一复甩一复烧一再压一再烧一挤压一车削一轧制一拉拔一铆钉制备一电接触实验。熔铸方法工艺流程：中间合金制备一熔炼一浇铸一车削 万方数据电工材料2 0 0 9N o 3崔浩等：铜基新型电接触材料电性能分析9一轧制一拉拔一铆钉墩制一电接触实验。铆钉的墩制在Y E C 一1 6 复合触头自动机上进行。将乒1 3 6m m 的半软态丝材镦制成外形尺寸为声3 0 x0 8 R(0 4)+1 5 1 4 和 5 3 0 0 8+1 5 1 4

9、 的触头，分别用作动触头和静触头。电接触试验在昆明贵研金峰公司研制的触点试验机上进行，试验参数为D C l 8V，2 0A，阻性负载，间距1 5m m，闭合压力6 0c N，接触频率6 0 次分，操作方式为分断十闭合，操作次数1 00 0 0 次。电弧侵蚀形貌和能谱分析在昆明理工大学新材料制备与加工重点实验室的飞利浦X I 3 0E S E M T M P 扫描电镜和美国E D A X 公司的“p h o e n i x+O I M”一体化能谱仪下观察测定。3 结果及讨论3 1 材料转移及接触电阻变化图1、2 分别为熔铸法和粉末冶金法制备的铆钉的宏观电侵蚀形貌。由图可见，阳极铆钉出现凹坑，阴极

10、铆钉有凸起，因此确定材料转移方向均为阳极转向阴极。表l 为C u N i l Z r o 3 Y 0 2 及C u N i l Z r o3 Y o 2(P M)合金材料的质量变化数据，由表1 可见，粉末冶金方法制备的样品经电接触实验后，总质节损耗较大，而熔铸方法制备的样品总质最损耗相对较小。这可能是因为粉末冶金成型工艺过程压力不够，导致材料中存在孔隙，使材料的裂纹增多，增加了脱落几率。通过与A g S n 0 2 I n 2()3、A g M g N i 触头材料进行对比，可以看到新型铜基合金材料转移相对(a)阳极(b)阴极图1 熔铸法C u N i。Z r 疆。的宏观侵蚀形貌(a)阳极图2

11、 粉末冶金法制备C u N il z r 爿的宏观侵蚀形貌不大，尤其是熔铸态C u N i。Z r。，Y。：合金的总质量损耗与A g S n 0 2 I n p 3、A g M g N i 材料相当。网3 为熔铸法和粉末冶金法制备的C u N i。Z r 0 3 Y。2 电接触材料的接触电阻随操作次数的变化曲线。由图3 可见，粉末冶金方法得到的C u N i。Z r 0 3 Y。2 材料的接触电阻较高，且不稳定。这是由于粉末冶金方法得到的C u N i。Z r。3 Y 们材料的析出相更为细小，灭弧能力较弱，使得基体被氧化程(b)阴极度加重，从而导致接触电阻上升p J o表1 触头材料的质量变化

12、。，、翻1 圾质 鹿I；l】厦质毓总的质艟!竺!：!变丝：翌些生!三：竺些窒!量：塑璺C u N iJ Z hJ Y 20 1 5十0 1 00 0 5C u N i I Z n L d P M)-0 1 2，O 1 1o 2 3A g S n 0 2 1 n 2 0 j+O II-0 0 6+f)0 5A g M g N i+o 0 80 1 I-0 0 3 万方数据1 0崔浩等：铜基新型电接触材料电性能分析电工材料2 0 0 9N o 3a盛脚曩鲻操作次数图3 不同方法制造的C u N iI z r 的接触电阻随操作次数的变化3 2 电弧侵蚀形貌及能谱分析图4、5 分别为熔铸样品和粉末冶金

13、样品的电侵蚀形貌，表2 是该两种方法制备的C u N i，Z r 0 3 Y。2材料的能谱数据。从图4、5 可以发现多种侵蚀形貌特征并存，例如金属熔化流动、铺开的层状形貌、熔液在电磁力作用下因喷溅而出现的涡流和液滴、熔融的C u 在凝固时释放出气体而形成的孔洞、材料之间应力原因造成的裂纹、氧化物堆积产生的山谷状形貌等。比较图4 和图5 可以发现，熔铸方法得到的材料阳极表面为层铺状，孔隙较少未发现裂纹，有明显的涡流现象，说明溶液粘度较小；阴极则为山丘状形貌，结合表2 的能谱数据。说明这是因(a)阳极(a)阳极为电接触过程中氧化物多转移至阴极，使熔池内液体粘度增加所致；粉末冶金方法得到的材料孔隙较

14、多，有明显的裂纹(见图2(b)，熔化的金属液层铺面积相对较小，边缘可以见到浆糊状尖峰，这说明熔液有一定的粘度，且阴极阳极形貌差别相对较小，阳极主要呈层铺状，阴极则有一定的高低起伏。裂纹的形成主要与材料本身的组织结构和电弧侵蚀的作用过程有关。裂纹产生和扩展的潜在轨道主要是材料存在的孔洞、疏松微区、晶界或相界面等处的薄弱环节同时也与由于电弧热作用引起的应力大小、方向有关1 4 l o表2 不同方法制备的C u N il zr o 3 Yo 2 材料能谱数据通过对样品进行扫描电镜检测，没有发觋第二相颗粒存在。对材料的熔池部分进行区域元素分析，也没有发现Z r 和Y 的存在，这可能是凶为样品中只添加了

15、O 3 的Z r 和0 2 的Y，而仪器的精图4 熔铸法C u N i|z r J 2 的微观侵蚀形貌图5 粉末冶金法制备C u N il z r J 的微观侵蚀形貌(b)阴极(b)阴极 万方数据电工材料2 0 0 9N o 3崔浩等：铜基新型电接触材料电性能分析l l度仅为0 5 所致。通过对表2 中0 含量分析可知，粉末冶金样品发生了严重氧化，另外粉末冶金样品阴极和阳极成分均匀。没有偏聚现象发生，而熔铸样品中N i 向阳极偏聚，0 则集中在阴极，说明材料产生了金属相电弧，含N i 的析出相优先被腐蚀，保证了基体相的稳定性。4 结论(1)C u N i，Z r。3 Y 0 2 铜基新型触头元

16、件的材料转移为阴极向阳极的转移，材料转移较小。(2)C u N i。Z r。3 Y 0 2 铜基新型触头元件电弧侵蚀过程复杂。多种侵蚀形貌特征并存。(3)熔铸法制备的样品材料损耗相对较小。接触电阻低而稳定，抗电弧侵蚀性能良好；粉末冶金法制备的样品成分分布均匀，但灭弧能力较弱，氧化严重，接触电阻较高。(4)熔铸法制备的C u N i。Z r。，Y o 2 合金触头元件经过D C l 8V，2 0A。循环1 00 0 0 次考核，电学性能指标良好。可以代替A g S n O：I n 2 0，材料应用于低压电器中。参考文献：【1】王岩崔玉胜邵文柱等国内铜基电接触材料专利综述【J】低压电器2 0 0

17、3(4)：3 6【2】邵文柱，崔玉胜杨德庄电接触材料的发展与现状【J】电工合金1 9 9 9(1)：1 1 3 5【3】钱宝光耿浩然郭忠全等B 4 C 对铜摹复合材料的力学性能与抗氧化性的影响【J】材料工程2 0 0 5(5)：4 8 5 0【4】郑新建。王其平A g N i 触头材料电弧侵蚀形貌的类璋!及其形成机理【J 1 西安交通大学学报1 9 9 3 2 7(2)：7 9(上接第7 页)图68 0 0 下常压氧化6 h 的不同体系A g s n 系合金粉压坯组织氧化时能降低S n 0 2 的团聚现象，添加L a 的A g S n合金粉末的氧化物弥散均匀分布在银基体上。添加S b 的A g

18、 S n 合金粉末的氧化物主要聚集在粉末的颗粒边界上。因此L a 作为一种A g S n O：电触头材料的添加元素有很大的应用前途，L a 能使氧化物的分布更均匀，从而使材料性能提高。(4)不同添加物及不同成分含量对A g S n 系合金电触头材料的组织、性能等的影响。将通过后续的压制、烧结、热锻、片材制备等实验进一步探讨。参考文献：【l】郑冀高品李松林等新型银氧化锡电接触材料【JJ 稀有金属材料与工程2 0 0 5。3 4(3)：4 8 3【2 l 江珍雅陈敬超A g s n 合金粉非抛物线性内氧化研究【J 1 贵金属2 0 0 6 2 7(2)：2 2 2 5【3】谭光讯覃向忠高压氧化技术

19、在制造A g S n O：电触头材料上的应用【J】电工材料，2 0 0 4(2)：1 1 一1 3【4 1 马静，何业东，陈维视，等合金选择氧化理论研究进展【J 1 河北工业科技2 0 0 5 2 2(3)：1 6 8 1 6 8【5】程礼椿李震彪邹积岩添加物对A g S n O z 触头材料运行性能的影响和作用【J】电工合金1 9 9 5(2)：9 一1 2【6 1 曹曙光谢明陈力等稀土元素在银氧化锡触头材料中作用的研究【J】贵金属2 0 0 5 2 6(1)：1 9 2 0 万方数据铜基新型电接触材料电性能分析铜基新型电接触材料电性能分析作者：崔浩，谢明，杨有才，陈永泰，刘满门，张勇甲，刘

20、捷，CUI Hao，XIE Ming，YANG You-cai，CHEN Yong-tai，LIU Man-men，ZHANG Yong-jia，LIU Jie作者单位：昆明贵金属研究所,昆明,650106刊名：电工材料英文刊名：ELECTRICAL ENGINEERING MATERIALS年，卷(期)：2009(3)参考文献(4条)参考文献(4条)1.郑新建;王其平 AgNi触头材料电弧侵蚀形貌的类型及其形成机理 1993(02)2.钱宝光;耿浩然;郭忠全 B4C对铜基复合材料的力学性能与抗氧化性的影响期刊论文-材料工程 2005(05)3.邵文柱;崔玉胜;杨德庄 电接触材料的发展与现状 1999(01)4.王岩;崔玉胜;邵文柱 国内铜基电接触材料专利综述期刊论文-低压电器 2003(04)本文链接：http:/