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

发布时间：2017-10-17 03:12

  本文关键词：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

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【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。
【关键词】：铜基电接触材料 真空热压 高性能 致密化 层状结构 氮化钛
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM501.3;TB33
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 电接触材料概述12-13
• 1.2 电接触材料的发展现状13-14
• 1.3 电接触材料的一般性能要求14
• 1.4 铜基电接触材料及其制备工艺14-17
• 1.5 热压工艺及其特点17-18
• 1.6 热压工艺的塑性流动致密化理论18-20
• 1.7 本课题目的和意义20
• 1.8 本论文主要研究内容20-22
• 第二章 技术路线与实验方法22-32
• 2.1 技术路线22-23
• 2.2 实验设备及材料23-24
• 2.2.1 主要实验设备23-24
• 2.2.2 主要实验材料24
• 2.3 制备及表征方法24-32
• 2.3.1 热压烧结实验24-25
• 2.3.2 致密度测量25-26
• 2.3.3 硬度测量26-27
• 2.3.4 电导率测量27-28
• 2.3.5 抗氧化实验28
• 2.3.6 抗弯曲强度测试28-29
• 2.3.7 抗电弧烧蚀实验29-32
• 第三章 稀土钇对纯铜的性能及制备工艺的影响32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 实验安排及正交试验设计32-33
• 3.3 热压工艺下实验结果与分析33-37
• 3.3.1 钇的添加量对各指标的影响34-35
• 3.3.2 压力对各指标的影响35-36
• 3.3.3 烧结温度和烧结时间对各指标的影响36
• 3.3.4 热压工艺的实验验证36-37
• 3.4 冷压烧结工艺下实验结果与分析37-40
• 3.4.1 钇的添加量对各指标的影响38-39
• 3.4.2 冷压烧结工艺的实验验证39-40
• 3.5 热压与冷压烧结试样的性能和最优工艺参数对比40-43
• 3.6 小结43-44
• 第四章 铜-稀土合金粉对材料性能的影响44-52
• 4.1 Cu-Re合金粉的制备44-46
• 4.2 实验安排46
• 4.3 稀土种类及含量对电接触材料性能的影响46-50
• 4.3.1 对材料致密度的影响46-47
• 4.3.2 对材料硬度的影响47-48
• 4.3.3 对材料导电性的影响48-49
• 4.3.4 对材料抗氧化性的影响49-50
• 4.4 小结50-52
• 第五章 真空热压烧结工艺的初步探究52-62
• 5.1 热压工艺的主要影响因素52-53
• 5.2 材料的成分配比53-54
• 5.3 实验结果及分析54-60
• 5.3.1 初始压力对材料性能的影响54-55
• 5.3.2 保压压力对材料性能的影响55-56
• 5.3.3 烧结温度对材料组织及性能的影响56-60
• 5.3.4 保温时间对材料性能的影响60
• 5.4 小结60-62
• 第六章 层状结构电接触复合材料的制备及研究62-74
• 6.1 前言62
• 6.2 层状结构电接触复合材料试样的制备62-64
• 6.2.1 原料配比62-63
• 6.2.2 样品的制备63-64
• 6.3 实验结果与分析64-72
• 6.3.1 试样成分和微观组织分析64-67
• 6.3.2 致密度试验结果分析67
• 6.3.3 硬度试验结果分析67-68
• 6.3.4 导电性试验结果分析68
• 6.3.5 弯曲试验结果分析68-69
• 6.3.6 复合材料层间界面分析69-72
• 6.4 层状结构复合材料与常用接触材料的物理性能对比72-73
• 6.5 小结73-74
• 第七章 TiN、AlN对铜基电接触材料的影响74-86
• 7.1 引言74
• 7.2 TiN、AlN粉末的基本特性及表征74-76
• 7.3 复合材料的制备76
• 7.4 TiN、AlN对材料组织及性能的影响76-84
• 7.4.1 TiN、AlN对材料组织的影响76-79
• 7.4.2 对材料致密度的影响79-80
• 7.4.3 对材料硬度的影响80-81
• 7.4.4 对材料导电性的影响81-82
• 7.4.5 对材料抗氧化性的影响82-83
• 7.4.6 对材料抗电弧侵蚀性能的影响83-84
• 7.5 小结84-86
• 第八章 结论86-88
• 参考文献88-96
• 致谢96-97
• 附录97

【参考文献】

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1 思芳;王俊勃;刘松涛;杨敏鸽;杨尔慧;;Ag-SnO_2触头材料制备工艺的研究现状与发展趋势[J];电子元件与材料;2015年09期

2 潘振亚;陈讲彪;李金富;;含稀土Cu-Cr-Zr合金的微观组织和性能（英文）[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2015年04期

3 莫飞;凤仪;陈阳明;王雨晴;钱刚;豆亚坤;张学斌;;Effect of La_2O_3 on electrical friction and wear properties of Cu-graphite composites[J];Journal of Rare Earths;2015年03期

4 刘松涛;王俊勃;杨敏鸽;思芳;杨增超;;纳米掺杂Ag/SnO_2触头材料的制备及电弧侵蚀性能研究[J];西安工程大学学报;2014年05期

5 王瑞娟;王俊勃;宋宇宽;安招鹏;赵倩;;高压和真空铜基触头材料的研究进展[J];电工材料;2014年04期

6 夏静;向雄志;胡旭高;白晓军;;添加铟对Ag-CuO电触头材料的影响[J];贵金属;2014年03期

7 王松;郑婷婷;张吉明;陈永泰;谢明;;退火温度对AgSnO_2Y_2O_3电接触材料组织与性能的影响[J];烟台大学学报(自然科学与工程版);2014年03期

8 朱艳彩;王景芹;安立强;王海涛;;添加Ti元素的纳米Ag/SnO_2电接触材料的制备和研究（英文）[J];稀有金属材料与工程;2014年07期

9 张银娣;李晓莉;谢敬佩;王爱琴;王文焱;路王珂;;真空热压法制备铜基功能梯度材料及其性能[J];特种铸造及有色合金;2014年01期

10 符学龙;嵇正波;周忠旺;;新型纳米Al_2O_3强化铜基复合材料的制备及其摩擦学性能[J];材料保护;2014年01期

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本文编号：1046458