基于热压工艺的高性能铜基电接触材料的制备及性能研究

摘要

电接触材料主要应用于电器开关系统中，其性能的优劣直接影响到整个传输系统的可靠性和使用寿命。近年来，接触材料制备方法不断发展、种类不断增加，铜基电接触复合材料的研究也随之越来越受到人们的重视。一般而言，提高粉末冶金制品性能最有效的手段主要是提高材料的致密度，致密度的提高手段主要有复压复烧、熔渗、热锻和热压工艺等。研究表明，利用热压工艺可以制得致密度大且组织均匀的高性能制品，且可以一次成型。因此，此方法已经在各种先进金属基及陶瓷基复合材料的制备中广泛应用。
　　本论文根据接触材料的各种性能的使用要求，采用先进的粉末冶金工艺—真空热压烧结工艺，制备了高性能的铜基电接触复合材料。首先通过粉末冶金法，研究了稀土钇对纯铜的组织和性能的影响；进而采用熔炼制粉工艺制备出新型Cu-Re合金粉，研究不同量和不同种类的稀土元素对接触材料的影响，并以此为基体，确定最优的热压烧结工艺参数，并对其致密化机理进行探讨分析；在此最优的工艺参数下，制备出了高性能的层状结构铜基电接触复合材料，并探讨了氮化钛、氮化铝对铜基电接触复合材料组织与性能的影响。研究结果表明：
　　（1）通过正交试验，采用热压烧结和冷压烧结工艺研究了稀土钇对纯铜组织与性能的影响，对两种工艺制备的试样进行了性能对比，并确定了热压工艺和冷压烧结工艺在制备Cu-Y复合材料时的最佳工艺参数，得出冷压烧结工艺下的最优压制压力是热压工艺的20倍，烧结温度也较高。热压工艺所制备的Cu-Y复合材料的综合性能明显优于冷压烧结工艺制备的试样。钇的添加使得铜材料的硬度和抗氧化性能均得到提高，起到了颗粒增强的作用。但是，钇的加入对铜的导电性能有不利影响。当钇的添加量为0.5wt.％时，材料具有较好的综合性能。
　　（2）采用雾化法制备了Cu-Re合金粉，探讨Y、Ce、La三种稀土元素对铜基电接触材料性能的影响。研究表明：稀土Y主要分布在纯铜的表面，隔绝了空气与部分颗粒表面直接接触，同时细化了纯铜颗粒，改善了界面性能，从而提高颗粒与基体的结合性能。随着稀土在铜合金粉中含量的增加，试样的致密度和电导率呈下降趋势，但硬度上升趋势明显。试样致密度和抗氧化性由高到低顺序为：添加 Y、Ce、La稀土的试样，且添加Y和Ce试样的致密度和电导率相差不大。添加不同稀土成分均能提高其抗氧化性能，当稀土在铜合金粉中含量为0.2 wt.%时效果最佳。
　　（3）通过单因素实验分析研究了热压烧结工艺参数（预压压力、保压压力、烧结温度、保温时间等）对电接触材料的致密度和导电性能的影响，确定了制备铜基电接触复合材料的最佳工艺参数为：初始压力5MPa，保压压力50MPa，烧结温度为800℃，保温时间为2h。且得出烧结温度和保压压力是影响试样性能的主要影响因素。在此工艺条件下试样的致密度和导电性分别达到了最大的99.56%、57.60%IACS。
　　（4）在真空热压烧结的最优工艺参数下成功制备了铜基电接触层状结构复合材料，试样表层具有很高的抗氧化性，材料整体具有优良的导电性。试样的致密度达到99.54%，导电性能达到72.56%IACS，较单一的铜基电接触复合材料的电导率提高了46.62%；抗弯强度达到263.37MPa，上层的硬度达到65.89HB。有预压试样的性能明显高于无预压试样。层状材料界面结合良好，属于冶金结合，且无微裂纹出现，界面不会成为梯度材料的薄弱点，不会减弱材料整体的性能。层状结构复合材料相比于常用的接触材料具有更为优异的物理性能。
　　（5）在基体材料中分别添加了氮化钛、氮化铝，得出添加的氮化钛均匀的分布于基体中，氮化铝在基体中出现了局部团聚现象，它们的添加均有助于阻碍基体铜晶粒的长大；添加氮化钛的试样晶粒尺寸均匀，晶粒尺寸随着添加量的增加有减小的趋势，且晶粒结合致密良好。随着氮化钛和氮化铝的加入，试样的致密度均呈现了不同程度的降低，从而导致了材料的导电性、抗氧化性能下降，但是材料的硬度增加，且抗电弧侵蚀性能增强。当氮化钛的添加量为1.5 wt.%时，试样的致密度、导电性、抗氧化性和抗电弧侵蚀性等均达到最佳。添加氮化钛试样的综合性能要优于添加氮化铝的试样。

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第一章 绪 论

1.1 电接触材料概述

1.2 电接触材料的发展现状

1.3 电接触材料的一般性能要求

1.4 铜基电接触材料及其制备工艺

1.5 热压工艺及其特点

1.6 热压工艺的塑性流动致密化理论

1.7 本课题目的和意义

1.8 本论文主要研究内容

第二章 技术路线与实验方法

2.1 技术路线

2.2 实验设备及材料

2.3 制备及表征方法

第三章 稀土钇对纯铜的性能及制备工艺的影响

3.1 引言

3.2 实验安排及正交试验设计

3.3 热压工艺下实验结果与分析

3.4 冷压烧结工艺下实验结果与分析

3.5 热压与冷压烧结试样的性能和最优工艺参数对比

3.6 小结

第四章 铜-稀土合金粉对材料性能的影响

4.1 Cu-Re合金粉的制备

4.2 实验安排

4.3 稀土种类及含量对电接触材料性能的影响

4.4 小结

第五章 真空热压烧结工艺的初步探究

5.1 热压工艺的主要影响因素

5.2 材料的成分配比

5.3 实验结果及分析

5.4 小结

第六章 层状结构电接触复合材料的制备及研究

6.1 前言

6.2 层状结构电接触复合材料试样的制备

6.3 实验结果与分析

6.4 层状结构复合材料与常用接触材料的物理性能对比

6.5 小结

第七章 TiN、AlN对铜基电接触材料的影响

7.1 引言

7.2 TiN、AlN粉末的基本特性及表征

7.3 复合材料的制备

7.4 TiN、AlN对材料组织及性能的影响

7.5 小结

第八章 结论

参考文献

致谢

附录