基于熱壓工藝的高性能銅基電接觸材料的制備及性能研究.pdf

1、電接觸材料主要應(yīng)用于電器開關(guān)系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個傳輸系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。近年來，接觸材料制備方法不斷發(fā)展、種類不斷增加，銅基電接觸復(fù)合材料的研究也隨之越來越受到人們的重視。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復(fù)壓復(fù)燒、熔滲、熱鍛和熱壓工藝等。研究表明，利用熱壓工藝可以制得致密度大且組織均勻的高性能制品，且可以一次成型。因此，此方法已經(jīng)在各種先進(jìn)金屬基及陶瓷基復(fù)合材料的

2、制備中廣泛應(yīng)用。
　　本論文根據(jù)接觸材料的各種性能的使用要求，采用先進(jìn)的粉末冶金工藝—真空熱壓燒結(jié)工藝，制備了高性能的銅基電接觸復(fù)合材料。首先通過粉末冶金法，研究了稀土釔對純銅的組織和性能的影響；進(jìn)而采用熔煉制粉工藝制備出新型Cu-Re合金粉，研究不同量和不同種類的稀土元素對接觸材料的影響，并以此為基體，確定最優(yōu)的熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)，并對其致密化機(jī)理進(jìn)行探討分析；在此最優(yōu)的工藝參數(shù)下，制備出了高性能的層狀結(jié)構(gòu)銅基電接觸復(fù)合材料，并探

3、討了氮化鈦、氮化鋁對銅基電接觸復(fù)合材料組織與性能的影響。研究結(jié)果表明：
　?。?）通過正交試驗(yàn)，采用熱壓燒結(jié)和冷壓燒結(jié)工藝研究了稀土釔對純銅組織與性能的影響，對兩種工藝制備的試樣進(jìn)行了性能對比，并確定了熱壓工藝和冷壓燒結(jié)工藝在制備Cu-Y復(fù)合材料時的最佳工藝參數(shù)，得出冷壓燒結(jié)工藝下的最優(yōu)壓制壓力是熱壓工藝的20倍，燒結(jié)溫度也較高。熱壓工藝所制備的Cu-Y復(fù)合材料的綜合性能明顯優(yōu)于冷壓燒結(jié)工藝制備的試樣。釔的添加使得銅材料的硬度和抗

4、氧化性能均得到提高，起到了顆粒增強(qiáng)的作用。但是，釔的加入對銅的導(dǎo)電性能有不利影響。當(dāng)釔的添加量為0.5wt.％時，材料具有較好的綜合性能。
　?。?）采用霧化法制備了Cu-Re合金粉，探討Y、Ce、La三種稀土元素對銅基電接觸材料性能的影響。研究表明：稀土Y主要分布在純銅的表面，隔絕了空氣與部分顆粒表面直接接觸，同時細(xì)化了純銅顆粒，改善了界面性能，從而提高顆粒與基體的結(jié)合性能。隨著稀土在銅合金粉中含量的增加，試樣的致密度和電導(dǎo)率呈

5、下降趨勢，但硬度上升趨勢明顯。試樣致密度和抗氧化性由高到低順序?yàn)椋禾砑?Y、Ce、La稀土的試樣，且添加Y和Ce試樣的致密度和電導(dǎo)率相差不大。添加不同稀土成分均能提高其抗氧化性能，當(dāng)稀土在銅合金粉中含量為0.2 wt.%時效果最佳。
　?。?）通過單因素實(shí)驗(yàn)分析研究了熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)（預(yù)壓壓力、保壓壓力、燒結(jié)溫度、保溫時間等）對電接觸材料的致密度和導(dǎo)電性能的影響，確定了制備銅基電接觸復(fù)合材料的最佳工藝參數(shù)為：初始壓力5MPa，保壓

6、壓力50MPa，燒結(jié)溫度為800℃，保溫時間為2h。且得出燒結(jié)溫度和保壓壓力是影響試樣性能的主要影響因素。在此工藝條件下試樣的致密度和導(dǎo)電性分別達(dá)到了最大的99.56%、57.60%IACS。
　?。?）在真空熱壓燒結(jié)的最優(yōu)工藝參數(shù)下成功制備了銅基電接觸層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，試樣表層具有很高的抗氧化性，材料整體具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。試樣的致密度達(dá)到99.54%，導(dǎo)電性能達(dá)到72.56%IACS，較單一的銅基電接觸復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高了46

7、.62%；抗彎強(qiáng)度達(dá)到263.37MPa，上層的硬度達(dá)到65.89HB。有預(yù)壓試樣的性能明顯高于無預(yù)壓試樣。層狀材料界面結(jié)合良好，屬于冶金結(jié)合，且無微裂紋出現(xiàn)，界面不會成為梯度材料的薄弱點(diǎn)，不會減弱材料整體的性能。層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相比于常用的接觸材料具有更為優(yōu)異的物理性能。
　?。?）在基體材料中分別添加了氮化鈦、氮化鋁，得出添加的氮化鈦均勻的分布于基體中，氮化鋁在基體中出現(xiàn)了局部團(tuán)聚現(xiàn)象，它們的添加均有助于阻礙基體銅晶粒的長大；