熱壓成形對銅基電接觸材料組織與性能的影響

1、 熱壓成形對銅基電接觸材料組織與性能的影響濟南大學 王彬 耿浩然 郭忠全 滕新營摘要:本文對采用熱壓工藝制作的銅基電接觸材料進行了研究。得出了熱壓燒結的參數與材料性能的關系。熱壓燒結制作的電接觸材料各項性能都有了較大提高，簡化了制作工藝，大大降低了燒結溫度。所制作的銅基電觸頭材料的電阻率可達2.45µ*cm，硬度57.4HB，密度可達8.35g/cm3，抗氧化性和抗熔焊性得到明顯改善。關鍵詞: 電接觸材料 熱壓 稀土 目前，現有的電觸頭元件主要采用金屬銀材料制作，由于Ag的資源非常缺乏，價格昂貴，從而大大制約了其電觸頭材料的發(fā)展。為了降低成本，必須降低銀的含量。由于銅具有優(yōu)良的導電、

2、導熱性能，更主要的是銅的價格低廉，所以采用銅替代銀為基體來制作電接觸材料具有重大的經濟意義。但是，金屬銅在大氣環(huán)境中容易氧化，表面形成氧化銅，使導電性能惡化。同時，傳統(tǒng)電接觸材料采用冷壓燒結制作工藝制作，其工藝較復雜，能耗大，材料致密性較差，導致材料性能惡化。熱壓燒結與冷壓燒結成形技術相比，具有能在較低溫度下制備結構非常致密的材料，并可保證被加工粉料的化學成分穩(wěn)定，壓制壓力低，材料組織均勻、從而使材料性能改善等優(yōu)點1-3。同時，熱壓燒結可以促使材料組織發(fā)生一定的物理化學變化。本論文針對銅基電接觸復合材料研究了熱壓燒結工藝，并對比冷壓燒結工藝進行了材料的性能試驗和分析。1 試驗條件及方法1.1材

3、料成分試驗材料以銅為基體，并加入了C4B等多種元素。希望通過添加微量組元來改善銅基材料表面易于氧化、抗熔焊性差等問題。通過研究發(fā)現，調整試樣組分和加入微量可以有效降低銅基體表面氧化問題，并能使材料整體力學性能顯著提高，而對基體的導電性影響不大。銀基試驗材料？1.2 實驗設備及條件熱壓設備為HZK-30真空熱壓爐。電阻測量儀器為QJ44型直流電阻電橋。硬度測試的儀器為HD-187.5型布洛維硬度計。金相組織觀測采用日立S-2500型掃描電子顯微鏡。X射線物相分析采用德國BRUCK公司生產的D8ADVANCE型號x衍射儀。采用自行設計的電觸頭強化裝置進行強化試驗。實驗設定參數：電流I=60A，觸點

4、開、關一次的時間為2秒，試驗總運行時間1小時。2燒結工藝的研究2.1真空熱壓工藝的研究2.1.1熱壓工藝流程及參數的確定本工藝的具體流程為：混粉試樣預壓裝爐抽真空升溫保溫（30分鐘）加壓保壓（20分鐘）降溫取樣。復合材料真空熱壓燒結的熱壓壓力、溫度與試驗材料基本性能的關系見表1。采用三維立體圖形對數據進行處理，獲得電阻率與熱壓參數的關系如圖1所示，硬度與熱壓參數之間的關系如圖2所示。可見，隨著溫度及壓力的增加，試樣的導電率及力學性能相應地提高，但燒結溫度到達一定溫度后，提高的效果變的不明顯。試驗中發(fā)現，燒結溫度在800時，壓力施加過大會影響爐內氣氛及真空度，從而影響試樣性能，考慮試樣的綜合性能

5、以及觸頭材料的制作成本，實驗最終確定熱壓燒結的主要參數為：燒結溫度750、保溫時間30min、壓制壓力25MPa。在此工藝參數下，試樣的致密度能達到90%以上，觸頭材料能夠獲得較好的導電率及力學性能，適當降低燒結溫度能減少試樣的加工成本。 表1 熱壓燒結工藝參數與材料性能的關系 試樣號 溫度() 壓力(MPa) 硬度(HB) 電阻率(*cm) 1 700 15 51.2 2.952 700 20 54.4 2.633 700 25 56.1 2.514 750 15 52.1 2.725 750 20 57.3 2.546 750 25 57.4 2.457 800 15 56.4 2.58

6、800 20 56.6 2.529 800 25 - -圖1 電阻率與熱壓參數之間的關系圖2 硬度與熱壓參數之間的關系2.1.2 真空熱壓工藝的致密化機理真空熱壓工藝有利于粉體材料的塑性流動, 塑性流動對致密化的影響較大。 而且, 真空熱壓消除了粉末的彈性應變, 使得塑性流動成為致密化的主要因素。Murray 塑性流動理論熱壓方程為4。(d/dt)p>0=(d/dt)p=0+3P/4(1-) （2-1）式中，相對密度；t 熱壓時間；P 外加壓力；合金粘度。該方程說明，熱壓過程的致密化速度(d/dt)p>0比常規(guī)冷壓的致密化速度(d/dt)p=0大, 而且隨著外加應力P的增大和熱壓溫

7、度的提高(即合金粘性系數的減小) , 熱壓的致密化過程速度加快,材料的密度提高。2.2冷壓工藝傳統(tǒng)的電接觸材料制備主要是通過粉末冶金的方法來制作。由這種方法制作的材料，主要是通過外力作用使材料發(fā)生塑性變形從而粘結在一起，其中空洞較多，所以難以保證材料高致密化要求。通常為了得到較高致密度的電接觸材料，一般采用如下工藝流程：混粉次壓制次燒結二次壓制二次燒結。2.2.1一次壓制一次壓制主要是使試樣成型。根據前期試驗論證及相關資料，確定一次壓制壓力為350MPa，保壓2min，采用的試樣尺寸為40×40mm的方形。2.2.2一次燒結為了確定最佳燒結溫度，對試樣進行了DSC差熱分析，實驗結果見

8、圖3。試樣的熔點為1068.4，在600左右產生液相，低熔點組元發(fā)生熔化。試驗采取部分液相燒結，燒結的主要目的是使顆粒之間結合更加緊密，消除內應力，有利于提高試樣的密度，從而改善其性能。理論的液相燒結溫度約為0.70.8T絕對熔點，通過前期試驗并參考DSC結果，確定一次燒結溫度為900。保溫時間2h。 圖3 試樣DSC分析結果2.2.3二次壓制二次壓制的主要目的是使一次燒結后的試樣結構更加緊密，提高其致密度，從而可以提高其力學性能和導電性能。通過研究，確定二次壓制壓力為700MPa，保壓時間為3min。2.2.4二次燒結二次燒結是將二次壓制后的試樣進行的燒結。主要目的是，消除二次壓制所產生的內

9、部應力，通過退火使試樣中的氣泡及孔隙減少，提高試樣的力學和導電性能。依據銅合金退火溫度的相關標準確定，二次燒結的溫度為580,保溫時間為40min。3 不同工藝制備材料組織性能的研究3.1 抗氧化性能銅及銅合金被用作電接觸材料的最大障礙在于它們易于形成氧化膜，從而影響其工作穩(wěn)定性。熱壓工藝和冷壓工藝制得試驗材料抗氧化性對比如圖4所示?？梢钥闯觯脙煞N方法制的試驗材料的抗氧化能力相對于純銅Cu來說都有了很大提高。方法？同時可以看出，隨著時間的增長由熱壓工藝制得的新材料增重平緩，而冷壓制得的新材料隨時間增長較快。這主要是因為，熱壓工藝制得的材料致密度高，內部空隙少，材料表面氧化后氧化膜阻止了內部材

10、料的進一步氧化。而由冷壓制得 的材料，內部空洞較多，材料表面氧化后又進一步向材料內部腐蝕。所以氧化增重不斷增加。故由熱壓工藝制作的新材料在河大程度上已經克服了銅及銅合金易于氧化腐蝕的特性，為新材料能夠投入到生產應用提供了支持。 圖4 氧化增重對比試驗3.2 電性能3.2.1 電阻率大氣環(huán)境下影響電接觸頭材料導電率的主要是接觸電阻。它主要由膜層電阻和會聚電阻組成。膜層電阻主要受膜層厚度的影響。會聚電阻，主要與觸頭材料的電阻率和兩觸頭的接觸點數有關。在會聚電阻一定的情況下，要想提高導電率只有降低膜層電阻。根據霍姆(Holm)理論,流過膜層的電流是通過隧道效應完成的。膜層電阻為 （3-1） 式中，S

11、接觸面積,t單位面積隧道電阻率，相互電阻的霍姆(Holm)半徑。單位面積電阻率t主要受膜層厚度的影響，二者的關系曲線如圖4所示。當膜層厚度小于300nm時, 隨膜層厚度的增加, t增加較小，膜層電阻增加也較小,在10m的范圍內；當膜層厚度大于300nm時, t增加較快，膜層電阻增加也很快,直至絕緣5。由熱壓制得的新材料氧化膜厚度在100nm500nm之間。而由冷壓工藝制得的新材料氧化膜厚度一般遠大于300nm至幾微米。故真空熱壓工藝可以減小材料表面氧化膜厚度，因此有效的降低了材料的膜層電阻。從而使材料在工作狀態(tài)下保持良好的電穩(wěn)定性。熱壓法制得試驗材料電阻率最低可達2.45µ*cm。

12、圖5 隧道電阻率與膜層厚度的關系曲線3.2.2抗熔焊性能在電強化裝置上對材料進行的電觸頭強化試驗，設定實驗參數為，電流I=60A，試驗總運行時間1小時。對采用不同工藝制作的新材料以及常用的銀基電觸頭材料進行了抗電弧侵蝕、抗熔焊性能試驗。表面熔焊對比情況如圖6所示。可以觀察到，在A大電流的試驗條件下，采用冷壓工藝制備的試驗材料熔焊表面分布著均勻的金屬液滴，這是由于材料在大電流的作用下發(fā)熱發(fā)生熔焊、噴濺所致。銀基觸頭表面燒蝕情況較嚴重，熔焊表面也產生熔焊、噴濺，而且有一些較大的空洞。主要是在工作過程中，焊接點在大于分斷力的外力作用下,產生范性形變,在材料內部的夾雜物、析出相、晶界或亞晶界處產生應力

13、集中,形成顯微孔洞。與銀基材料相比，銅基的表面熔焊沒有明顯的空洞，這說明新材料抗熔焊性較好，銅基材料中所加的高硬度B4C組分起到了明顯的抗熔焊作用。熱壓工藝制得試驗表面燒損情況得到進一步改善。分析原因主要是熱壓工藝顯著提高了材料的致密度所致。 （a）冷壓制新材料 （b）熱壓制新材料 （c） 銀基材料圖6試樣表面燒蝕SEM照片 3.3力學性能通過熱壓方法制得的新材料硬度可達58HB，而由冷壓工藝制得新材料硬度最大只有54HB。圖5為兩種工藝下制備材料微觀組織結構的對比。其中黑色片狀物為所加入的硬質相，并含有部分空隙?？梢钥闯?，冷壓工藝制得的材料硬質材料呈大片、簇狀分布，其中包含較多的空隙。而由熱

14、壓制得的材料，硬質相顆粒更小，分散更均勻所包含的空隙也就越少，？所以硬度就更高。材料在變形過程中，位錯移動遇到硬質相粒子，位錯便會在其周圍留下位錯環(huán)，使后來的位錯難以通過，抵抗，使材料的強度增大。其強化機理可用orowan機理6來解釋。試驗對新材料進行了分析，SEM掃描照片見圖7。 （a）冷壓工藝制材料 （b）真空熱壓制材料圖7 銅基試驗材料SEM觀察照片34 性能綜合評價通過對比以上性能可以得出，采用熱壓工藝制作的新型銅基電接觸材料，在抗氧化性能、電學性能、力學性能等方面比傳統(tǒng)工藝制作的材料都有一定的提高。銅基試驗材料與市場上其他電觸頭材料相比，具有優(yōu)良的綜合性能，性能對比如表2所示。更重要

15、的是，銅基試驗材料制作工序簡化，成本顯著降低，使新材料具有很好的市場前景。表2 銅基試驗材料與現有幾種觸頭材料主要技術性能比較7、8觸頭材料 布氏硬度（HB） 電阻率(*cm) 抗拉強度(MPa) 新材料 5765 2.42.8 240260CuCr25 105 3.4 29040Cu60W 7886 4.6 -95Ag-5C 45 3.2 - 50Ag-50WC 65 3.0 18085Ag-15CdO 65 2.38 2554 結論（1）以銅為基體加入多種微量元素，并采用真空熱壓燒結法制作了一種銅基電接觸材料。新材料具有良好的綜合性能，比較銀基電觸頭大大降低了成本，簡化了工藝。（2）采用熱

16、壓新工藝制作的新材料，電阻率可達2.45µ*cm，硬度達57.4HB，密度可達8.35g/cm3，燒結溫度750。（3）新材料在各項性能方面如電學性能、力學性能、抗氧化性、抗熔焊性能都有大幅提高。參考文獻1 鄧華，隋錦.真空熱壓燒結工藝及設備在超硬材料制品生產中的應用J.金剛石與磨料磨石工程，2004，3：62-652 謝明, 陳力, 陳紅.真空熱壓技術在制備CuCr合金中的應用研究J.云南冶金，2002，31（1）：38-413 趙乃勤，李國俊，王長巨,等.粉末冶金真空熱壓法制備WC/Cu復合電阻焊電極J.兵器材料科學與工程，1997，20（3）：39-444 Murray P.,Rodgers E.P.,Williams A.E.Practical and theoretical aspect