一种复杂导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法技术

技术编号:19237065 阅读:6 留言:0更新日期:2018-10-24 01:48
一种复杂导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法,涉及一种铜基电接触材料及其制备方法。本发明专利技术是要解决低压电器开关分断触头寿命短的问题。复杂导电氧化物改性铜基电接触材料按质量百分比由复杂导电氧化物、镧、锆和余量的铜组成;复杂导电氧化物的分子式为ZnxCd(2‑x)SnO4,分子式中x为0~2。制备方法:称取二水醋酸镉、二水醋酸锌、五水氯化锡和铜合金粉末并分别溶于蒸馏水中搅拌得到悬浊液,调整pH值,得到沉淀物,洗涤,真空干燥,煅烧,过筛,冷压成型,烧结,挤压或轧制。本发明专利技术材料制备的触头件具有较高的接触导电能力、自灭弧能力、与基体润湿性和耐电弧烧蚀性。本发明专利技术适用于制备铜基电接触材料。

Complex conductive oxide modified copper based electrical contact material and preparation method thereof

The invention relates to a copper-based electric contact material modified by complex conductive oxide and a preparation method thereof, which relates to a copper-based electric contact material and a preparation method thereof. The invention aims to solve the problem of short service life of switch contacts of low-voltage electrical appliances. Copper-based contact materials modified by complex conductive oxides consist of complex conductive oxides, lanthanum, zirconium and residual copper in mass percentage, and the molecular formula of complex conductive oxides is ZnxCd (2_x) SnO 4, and the molecular formula of X is 0-2. Preparation methods: Cadmium acetate dihydrate, zinc acetate dihydrate, tin chloride pentahydrate and copper alloy powder were dissolved in distilled water and stirred to obtain suspension, adjusting pH value, getting precipitate, washing, vacuum drying, calcination, screening, cold pressing, sintering, extrusion or rolling. The contact parts prepared by the material of the invention have high contact conductivity, self-extinguishing ability, wettability with the substrate and arc ablation resistance. The invention is suitable for preparing copper based electrical contact materials.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法
本专利技术属于电工材料领域,具体涉及一种铜基电接触材料及其制备方法。
技术介绍
众所周知,大多数低压电器用电接触材料都是贵金属,如银基合金或复合材料材料。尽管银基材料可保证电接触元件的良好服役特性和电器的可靠工作,却导致了稀贵金属的大量消耗。与银相比,铜作为电接触材料最大的问题在于其易于氧化,且生成的氧化膜不导电。因此,以铜作为电接触材料基体时,必须要解决其在存储和服役过程中的氧化问题。目前研究结果认为,添加稀土元素(La、Ce、Y等)和微量元素(Zr、Te、In、Hf、Bi、Cd等)合金化能够有效控制铜的氧化膜生长速度。但在低压电器接通和分断时,电弧和焦耳热的作用仍然会使铜触头表面发生熔化和氧化,使其接触特性恶化。所以,如何有效控制铜触头工作层(表面氧化及电弧烧蚀形成的膜层)接触特性成为铜基电接触材料设计的关键性问题。基于电接触理论和参照银基电接触材料设计原则,目前低压电器上使用的铜基材料大都在基体合金化的基础上,通过添加第二相构成耐烧蚀骨架和保证其表层接触特性。较早用于低压开关的Cu-C(石墨、金刚石等,近几年也有人提出石墨烯、碳纳米管等)触头是利用石墨的高导电性提高了铜触头的接触导通能力,同时起到了抗熔焊作用,使其具有极高的通断能力。但由于石墨与基体之间润湿性较差,在热-力循环载荷作用下裂纹易于快速扩展,造成早期失效,因而Cu-C(石墨)触头电寿命较短。也有研究人员在Cu-C(金刚石)系列触头材料的基础上添加金属相如Nb、V、W、Ta、Mo等,主要利用这些金属相不易氧化、且添加金属相的低价氧化物具有良好导电性的特点,保证材料表面工作层具有较高的转换稳定性和抗腐蚀特性,使之在一些电器上得到了产业化应用。但由于上述添加的金属相与基体之间润湿性较差,会导致材料快速失效;且在长期服役时表面金属氧化物会与水蒸气反应形成钨酸铜类绝缘产物,使触头失去接触转换功能。也有研究者参考Ag-MeO触头材料设计,在铜合金添加SnO2、ZnO类氧化物及SiC、BN类陶瓷相作为第二相,但没有实际应用的报导。总之,目前这种设计思想所开发出的触头材料,已经无法满足接触器类长寿命电器和新型低接触压力高容量电器的要求。
技术实现思路
本专利技术是要解决低压电器开关分断触头寿命短的问题,而提供一种复杂导电氧化物改性铜基电接触材料及其制备方法。本专利技术复杂导电氧化物改性铜基电接触材料按质量百分比由2%~15%的复杂导电氧化物、0.004%~0.01%的镧、0.1%~0.3%的锆和余量的铜组成;所述复杂导电氧化物的分子式为ZnxCd(2-x)SnO4,分子式中x为0~2。本专利技术复杂导电氧化物改性铜基电接触材料的有益效果为:1、本专利技术采用复杂导电氧化物作为第二相和基体合金化的原则进行材料设计,并通过液相原位合成共沉积及后续热处理等方法实现材料制备,获得耐电弧烧蚀性高、接触电阻低且稳定的新型铜基电接触材料;本专利技术制备的复杂导电氧化物改性铜基电接触材料用于电磁轨道炮导轨及高速列车受电弓滑板等强电弧烧蚀环境电能转换装置电接触元件的制造。2、本专利技术以复杂导电氧化物作为第二相,提高了材料的耐电弧烧蚀性。所添加复杂导电氧化物以ZnxCd(2-x)SnO4为主体,通过液相共沉积及后续热处理实现与铜合金复合,在铜基体中形成高导电的复杂氧化物微纳米弥散相;复杂导电氧化物改性铜基电接触材料性能指标如下:密度为8.4~8.7g/cm3;硬度为HB65~95;电阻率为2.0~2.5μΩ.cm。3、本专利技术复杂导电氧化物改性铜基电接触材料中添加复杂导电氧化物可以起到提高电接触材料的接触导电能力、自灭弧能力和与基体润湿性;其中原理为:①、接触电阻低且稳定:ZnO和SnO2在纯态的导电性很差,经过与CdO复合后,其导电性会大大提高,例如Zn0.5Cd1.5SnO4的电阻率可以降低到10-2Ωcm的量级,从而可以在触头表面及工作层中起到接触导通的作用。由于第二相组元良好的导电性,即使其含量较高的情况下也不会降低材料的导电性,不会提高接触电阻。同时,由于复杂导电氧化物不会与大气环境介质发生进一步反应,从而可以保持接触状态的稳定;②、自灭弧能力提高:复杂氧化物在电弧高温作用下分解出的CdO具有自灭弧特性;SnO2和ZnO的纯态氧化物稳定性很高,熔点均为2000K以上,但SnO2和ZnO形成复合氧化物后在高温下的饱和蒸汽压可达10-4atm.,SnO2和ZnO形成复合氧化物后在电弧作用下会发生电离和进一步分解,从而吸收能量,使电弧阴极斑点在触头表面移动速度的提高,并缩短燃弧时间,从而起到自灭弧的作用,能够降低电接触材料的电磨损;③、界面润湿性改善:对于Ag-MeO触头材料的研究表明,通过提高氧化物的导电性,可以及大地改善Ag-SnO2的接触特性,使其应用上了一个新的台阶。关于这种效应的作用原理目前尚不清楚,DidiereJnnaot等认为是在高温条件下,添加剂与第二相发生反应,生成如Bi2Sn2O7、Ag2MoO4、AgSbO3等导电性较好的物相而改善了润湿性。复杂氧化物也具有上述特性,因而可以达到与基体较好的润湿效果。而本专利技术采用铜基体合金化方式改善添加相与基体的润湿性和提高基体抗氧化能力。本专利技术在铜中固溶0.1wt.%~0.3wt.%的合金化元素Cr可使其强度比退火T2纯铜强度提高150~200%,电阻率上升15~20%;再复合添加0.001wt.%~0.005wt.%La,可使合金在大气环境下80~120℃范围内氧化速率下降30~60%;同时,随着元素含量的变化,铜合金与复杂导电氧化物陶瓷在1500K的润湿角可在25~105°范围内调节。本专利技术复杂导电氧化物改性铜基电接触材料中复杂导电氧化物添加量低于2%时,其对复合材料的服役性能没有较大贡献;而当添加添加量高于15%时,将导致触头性能的急剧恶化。与现有Cu-1wtCp材料相比,复杂导电氧化物的添加可降低触头材料的接触电阻,有效提高材料的耐电弧烧蚀性和抗熔焊性,强化铜合金基体,还可使材料的强度保持持久。采用本专利技术复杂导电氧化物改性铜基电接触材料制备的CJ20交流接触器在AC4工作制下的电寿命可以达到6万次以上;采用本专利技术复杂导电氧化物改性铜基电接触材料制备的DZ47-60小型断路器上的电寿命测试结果也超过2万次。上述复杂导电氧化物改性铜基电接触材料的制备方法具体按以下步骤进行:一、按质量百分比为复杂导电氧化物:2%~15%、镧:0.004%~0.01%、锆:0.1%~0.3%和余量的铜称取二水醋酸镉、二水醋酸锌、五水氯化锡和铜合金粉末;所述复杂导电氧化物的分子式为ZnxCd(2-x)SnO4,分子式中x为0~2;所述铜合金粉末的粒度为25~44μm;所述铜合金为Cu-La-Zr合金;所述二水醋酸镉分子式为Cd(CH3COO)2·2H2O,五水氯化锡分子式为SnCl4·5H2O,二水醋酸锌分子式为Zn(CH3COO)2·2H2O;二、将步骤一中称取的二水醋酸镉、二水醋酸锌、五水氯化锡分别溶于蒸馏水中,得到浓度为1.55M~1.65M醋酸镉溶液、浓度为1.55M~1.65M醋酸锌溶液和浓度为0.75M~0.85M氯化锡溶液;将醋酸镉溶液、醋酸锌溶液和氯化锡溶液混合,然后加入铜合本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种复杂导电氧化物改性铜基电接触材料,其特征在于:复杂导电氧化物改性铜基电接触材料按质量百分比由2%~15%的复杂导电氧化物、0.004%~0.01%的镧、0.1%~0.3%的锆和余量的铜组成;所述复杂导电氧化物的分子式为ZnxCd(2‑x)SnO4,分子式中x为0~2。

【技术特征摘要】
1.一种复杂导电氧化物改性铜基电接触材料,其特征在于:复杂导电氧化物改性铜基电接触材料按质量百分比由2%~15%的复杂导电氧化物、0.004%~0.01%的镧、0.1%~0.3%的锆和余量的铜组成;所述复杂导电氧化物的分子式为ZnxCd(2-x)SnO4,分子式中x为0~2。2.如权利要求1所述的复杂导电氧化物改性铜基电接触材料的制备方法,其特征在于:该制备方法具体按以下步骤进行:一、按质量百分比为复杂导电氧化物:2%~15%、镧:0.004%~0.01%、锆:0.1%~0.3%和余量的铜称取二水醋酸镉、二水醋酸锌、五水氯化锡和铜合金粉末;所述复杂导电氧化物的分子式为ZnxCd(2-x)SnO4,分子式中x为0~2;二、将步骤一中称取的二水醋酸镉、二水醋酸锌、五水氯化锡分别溶于蒸馏水中,得到浓度为1.55M~1.65M醋酸镉溶液、浓度为1.55M~1.65M醋酸锌溶液和浓度为0.75M~0.85M氯化锡溶液;将醋酸镉溶液、醋酸锌溶液和氯化锡溶液混合,然后加入铜合金粉末和蒸馏水,在温度为60℃~85℃的水浴条件下搅拌得到悬浊液;三、在搅拌条件下,向悬浊液中加入浓度为2.95M~3.05M的碳酸氨溶...

【专利技术属性】
技术研发人员:邵文柱徐成彦姜建堂甄良
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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