含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料及其制备方法

摘要

本发明提出了一种含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料及其制备方法。它由以下重量百分比的原料制成：Cr粉5-50%，TiB

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料及其制备方法。

背景技术

Cu-Cr合金材料因具有高的耐电压强度、大的开断电流能力和良好的抗熔焊 及低截流性能而广泛应用于真空断路器的触头材料。从Cu-Cr二元相图上看， Cu、Cr的互溶度很小，即使在1072℃时，Cr相在Cu相中的最大溶解度也只有 1.28%，因此CuCr触头材料实际上是由富Cu固溶体相和富Cr固溶体相组成。 Cu在组织中具有优良的导电和导热性能，Cr在组织具有高硬度、良好的抗熔焊 性能，因此Cu-Cr合金具有高强高导的双重特性。面对电力行业高电压、大容 量真空开关的实际需求，提高Cu-Cr触头材料的耐电压强度、开断能力和抗熔 焊性能十分必要。

中国专利10194439A公开了一种银基陶电触头材料及其制备方法。所涉及 触头材料的基体为银，增强相为二硼化钛，后者的含量在1%到40%之间。该材 料适用于酸性环境下工作的低压开关场合，不适用于中高压真空开关。

中国专利1246541A公开了反应法制备的铜/二硼化钛导电材料。该材料是 以二氧化钛、氧化硼、碳、铝、铁为原村料，通过热反应制备。该材料含有大 量的氧化物，不适用于真空开关材料。

中国专利1250108A公开了一种陶瓷增强铜合金材料及其制备方法。该合金 材料包括铜基体和作为增强相的硼化物陶瓷，其中增强相占铜合金重量为2-8%， 硼化物为二硼化锆或二硼化钛。其制备方法包括冶炼法和粉末冶金两种方法。 该材料主要用于集成电路的引线框加衬料、接插件材料、电阻焊电极材料等， 适用于酸性环境下工作的低压开关场合，但不适用于中高压真空开关。

发明内容

本发明提出了一种含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料及其制备方 法，解决了现有技术中的不足，本发明的触头材料以铜为基体，富Cr相合二硼 化钛陶瓷相作为增强相，其特点是电阻率小、硬度和机械强度高、耐压能力高、 开断能力强和抗熔焊性好。

本发明的技术方案是这样实现的：一种含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复 合材料，其特征在于：它由以下重量百分比的原料制成：Cr粉5-50%，TiB₂粉 1-20%，余量为Cu；所述Cu为Cu粉和Cu棒，其中Cu粉为Cr粉和TiB₂粉总重 量的10-15%，余量为Cu棒。

进一步的，它由以下重量百分比的原料制成：Cr粉15-35%，TiB₂粉5-15%， 余量为Cu；所述Cu为Cu粉和Cu棒，其中Cu粉为Cr粉和TiB₂粉总重量的 12-14%，余量为Cu棒。

更进一步的，它由以下重量百分比的原料制成：Cr粉25%，TiB₂粉15%，Cu 为60%；所述Cu为Cu粉和Cu棒，其中Cu粉为5.6%，Cu棒54.4%。。

上述的二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料的制备方法，它包括以下步骤：

（1）按比例称取Cr粉、TiB₂粉以及Cu粉，将其混合均匀，得到混合粉末；

（2）将步骤（1）中得到的混合粉末装入坩埚内墩实、压平，然后将坩埚 放置于真空加热炉中，抽真空至≤5×10^-2Pa后，加热至1000-1400℃，并保温 0.5-10小时，得到烧结后为多孔状的复合骨架，待温度冷却至100℃以下时开 炉；

（3）将铜棒置于放有步骤（2）中烧结后的复合骨架的坩埚内，将Cu棒置 于复合骨架的上部，启动真空加热炉，快速升温至1200-1350℃化铜，使Cu棒 熔化浸渗进入复合骨架的孔隙中形成致密的复合材料；化铜完成后降温至 1100-1200℃，保温20-60分钟；最后关闭加热系统，冷却到室温，得到复合铸 锭；

（4）在真空或惰性气体保护下对步骤（3）得到的复合铸锭加热至500-1050 ℃，并保温0.5-7小时，进行退火处理，得到退火后的含有二硼化钛陶瓷相的 铜铬触头复合材料。

进一步的，所述步骤（4）中惰性气体为氦气或氩气。

本发明提供的铜基真空电触头复合材料的设计原则：在导电的铜基体相上 均匀分布一个中等熔点的金属相Cr以及一个高熔点的陶瓷相TiB₂，二者可在特 定条件下形成轻度冶金结合，以增强复合材料中不同相之间的结合力。

本发明的基本原理：选择常温下热导率和电导率很高的富Cu固溶体相作为 复合材料的基体相，选择富Cr的固溶体相作为金属型第二相，并选择比富Cr 固溶体相的熔点和临界击穿电场更高但高温下热导率相差不大的TiB₂化合物作 为陶瓷型第二相来共同增强铜基体，旨在使铜基复合材料的机械性能、抗熔焊 性能和开断能力得到综合提高。为了达到较好的增强效果，本发明铜基复合材 料中的富Cr固溶体相的质量百分比含量不低于5%，陶瓷相的质量百分比不低于 1％。

本发明中制备工艺的设计思想：由于TiB₂陶瓷相的密度比两个金属组元低 很多，并且熔点高出Cr相一千摄氏度，采用熔铸等工艺二硼化钛很难熔化并且 获得微观结构均匀的复合材料。针对这些特点，本发明提供一种基于烧结－溶 渗的粉末冶金工艺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：和传统的具有两相结构的Cu-Cr 合金触头材料相比，本发明的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料具有更高 的机械强度、耐电压能力和开断能力，抗熔焊性也更好，无论是原始的复合材 料坯还是退火工艺处理后的复合材料坯经过适当的机械加工后即可用于中高压 真空开关。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 其中一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前 提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备的含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料的 金相照片。

具体实施方式

下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本发明的其中的几个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明所使用原料是：

（1）Cu粉：纯度≥99％，氧含量≤450ppm，粉末粒度为－200目；

（2）Cr粉：纯度≥99％，氧含量≤1200ppm，粉末粒度为－140目+240目；

（3）Cu棒：纯度≥99％，氧含量≤50ppm；

（4）TiB₂粉：纯度≥95％，粉末粒度为－200目。

本发明所使用的设备为混粉机和真空加热炉，二者均为粉末冶金常规设备。

在本实施例中，生产本发明的含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料10 kg，所用的各原料的组成配比为：

Cu：5.00kg，占质量百分比50.0%；其中Cu粉0.6kg，占质量百分比6.0%， Cu棒4.4kg，占质量百分比44.0%；

Cr：4.9kg，占质量百分比49.0%；

TiB₂：0.10kg,占质量百分比1.0%。

制备的步骤：

（1）按上述的化学配比，称取4.9kgCr粉和0.10kg TiB₂粉末混合均匀， 再混入0.6kg的Cu粉，用混粉机混粉8小时，得到混合粉末；

（2）将混合粉装入坩埚内墩实、压平，然后将坩埚放置于真空加热炉中， 抽真空至5×10^-2Pa后，加热至1000℃，保温10小时，得到烧结后为多孔状的 复合骨架，待温度冷却至100℃以下时开炉；

（3）将4.4kgCu棒置于放有步骤（2）中烧结后的复合骨架坩埚内，将Cu 棒置于复合骨架的上部，再次启动真空加热炉，快速升温至1350℃化铜，使Cu 棒熔化浸渗进入复合骨架的孔隙中形成致密的复合材料；化铜完成后降温至 1100℃，保温60分钟，最后关闭加热系统，冷却到室温，得到复合铸锭；

（4）在真空下对复合铸锭加热至500℃，并保温5小时，进行退火处理， 得到退火后的含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料。

本实施例制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的微观组织金相图 如图1所示，所得的金相照片是100倍的金相显微镜下所得，其中，TiB₂主要以 三种方式存在：一部分TiB₂分布在Cr骨架中，它们是在Cr颗粒团聚过程中被 包裹在Cr颗粒中，另一部分TiB₂在Cr颗粒表面，其余部分TiB₂则以独立的颗 粒形式分布在Cu基体中。

实施例2

本实施例中所使用的原料和设备同实施例1。

在本实施例中，生产本发明的含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料10 kg，所用的各原料的组成配比为：

Cu：5.00kg，占质量百分比50.00%；其中Cu粉0.65kg，占质量百分比6.5%， Cu棒4.35kg，占质量百分比43.5%；

Cr：4.30kg，占质量百分比43.0%；

TiB₂：0.70kg,占质量百分比7.0%。

制备的步骤：

（1）按上述化学配比，称取4.30kgCr粉和0.7kg TiB₂粉末混合均匀，再 混入0.65kg的Cu粉，用混粉机混粉8小时；

（2）将混合粉装入坩埚内墩实、压平，然后将坩埚放置于真空加热炉中， 抽真空至5×10^-2Pa后，加热至1400℃，保温0.5小时，得到烧结后为多孔状的 复合骨架，待温度冷却至100℃以下时开炉；

（3）将4.35kgCu棒置于放有步骤（2）中烧结后的复合骨架坩埚内，将Cu 棒置于复合骨架的上部，再次启动真空加热炉，快速升温至1200℃化铜，使Cu 棒熔化浸渗进入复合骨架的孔隙中形成致密的复合材料；化铜完成后降温至 1100℃，保温20分钟，最后关闭加热系统，冷却到室温，得到复合铸锭。

（4）在氦气的保护下对复合材料坯加热至750℃，并保温5小时，进行退 火处理，得到退火后的含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料。

实施例3

本实施例中所使用的原料和设备同实施例1。

在本实施例中，生产本发明的含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料10 kg，所用的各原料的组成配比为：

Cu：6.80kg，占质量百分比68.00%；其中Cu粉0.48kg，占质量百分比4.8%， Cu棒6.32kg，占质量百分比63.2%；

Cr：2.00kg，占质量百分比20.0%；

TiB₂：1.20kg,占质量百分比12.0%。

制备的步骤：

（1）按上述化学配比，称取2.00kgCr粉和1.20kg TiB₂粉末混合均匀，再 混入0.48kg的Cu粉，用混粉机混粉8小时；

（2）将混合粉装入坩埚内墩实、压平，然后将坩埚放置于真空加热炉中，抽真 空至5×10^-2Pa后，加热至1000℃，保温5小时，得到烧结后为多孔状的复合骨 架，待温度冷却至100℃以下时开炉；

（3）将6.32kgCu棒置于放有步骤（2）中烧结后的复合骨架的坩埚内，将Cu 棒置于复合骨架的上部，再次启动真空加热炉，快速升温至1300℃，开始化铜， 使Cu棒熔化浸渗进入复合骨架的孔隙中形成致密的复合材料；化铜完成后降温 至1150℃，保温30分钟，最后关闭加热系统，得到复合铸锭；

（4）在氩气的保护下对复合铸锭加热至1000℃，并保温5小时，进行退火 处理，得到退火后的含有二硼化钛陶瓷相的铜铬触头复合材料。

上述实施例1-3中制备的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料的各项性 能以及现有技术中的Cu-Cr合金材料的各项性能的对比的如下表所示：

从上述表中可以看出，本发明中的含有陶瓷相的铜基真空电触头复合材料 硬度较正常CuCr50显著提高，O含量也在很大程度上降低了。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。