新型铜基无银弱电接触材料的研究

【摘要】：触头元件是开关电器中的关键元件,开关电器的主要性能以及寿命在很大程度上决定于触头材料的好坏。随着开关电器制造水平的不断提高,品种的不断增加,特别是由于节约银等贵金属、保护其枯竭的自然资源的需要,节银电触头材料的研究受到人们的高度重视。 理想的电触头材料必须满足物理性能、力学性能、电接触性能、化学性能、加工制造性能等多方面的要求,这些要求是多样的,而且有些性能要求是相互矛盾的,因而一种单一材料能具有这些要求几乎是不可能的。为此,通常是采用粉末冶金的方法,把性能不同而又不能相互溶解或溶解度很小的两种或多种金属或合金组合在一起,制成复合材料,来实现上述主要性能要求,并获得最佳的综合性能。 本文根据电触头性能的要求,在铜基体内添加多种组元,采用粉末冶金工艺,研制出一种新型的高性能铜基无银电触头复合材料。该材料具有较高的导电率、较好的抗氧化性和抗熔焊性、较低的接触电阻以及良好的力学性能,满足了低中压电器中电触头的使用要求,可以替代目前广泛使用的银基电触头材料,同时还可提高开关电器的使用性能,大大降低电触头元件的成本。 电触头材料要求具有很好的抗电烧蚀和抗熔焊性能,但纯铜很难达到该种要求,这就需要选择一种低熔点组元,在铜的熔化温度以下,这种组元物质容易比铜先氧化、燃烧或蒸发,且形成的氧化物易于分解,分解时将消耗电弧能量使电弧容易熄灭,过剩的氧被逐出,形成小孔或微孔,这种多孔结构有利于触头的抗熔焊性。本文选择Sn、Cd、Zn、Bi、Sb为低熔点组元,对材料进行了电性能和氧化试验,结果显示,以Cd为低熔点组元的电接触材料的导电性能最佳,但Cd蒸汽具有毒性。Bi在电导率和接触电阻方面表现出来的综合性能要好一些。综合考虑Bi对各性能的影响,确定Bi的加入量为2%。 为提高铜基体的力学性能,增加其硬度,提高其耐磨性和抗熔焊性,需要含有高熔点、高硬度组元,使之与铜基体复合后具有良好的电性能和力学性能。选择WC、TiC、B_4C作为高熔点、高硬度组元,通过对加入这些组元试样的导电性和硬度比较可知,B_4C颗粒所表现出的性能最好。对B_4C不同含量对材料性能的影响的研究表明,在铜基复合材料中加入B_4C可提高材料的硬度和耐磨性,但加入量超过3%时,试样的硬度有下降的趋势,耐磨性随着