稀土改性B4C增強(qiáng)銅基電觸頭材料的制備與性能*

李 巖，宋美慧，張 煜，李艷春，張曉晨

（黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150028）

稀土改性B4C增強(qiáng)銅基電觸頭材料的制備與性能*

李 巖，宋美慧*，張 煜，李艷春，張曉晨

（黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150028）

以制備高性能銅基電觸頭材料為目的，采用稀土鹽改性碳化硼顆粒對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行增強(qiáng)處理，利用硬度計(jì)、電導(dǎo)率儀、密度測(cè)定儀以及熱導(dǎo)率儀等分析測(cè)試方法對(duì)復(fù)合材料性能進(jìn)行分析測(cè)試。結(jié)果表明，改性B4C作為增強(qiáng)材料可以有效提高材料的硬度、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。當(dāng)復(fù)合材料的質(zhì)量比為：m改性碳化硼∶m鉍粉∶m銅粉=2:2:96，壓力在500MPa，燒結(jié)溫度為900℃的條件下，電觸頭材料的性能最優(yōu)，其中硬度可以達(dá)到179HB，電導(dǎo)率為 38.308Ms·m-1，熱導(dǎo)率為 262W·（m·k）-1，密度為 7.9515g·cm-3。

電觸頭材料；稀土鹽；改性碳化硼；硬度；導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能

電觸頭是高、低壓電器中的關(guān)鍵性元件，擔(dān)負(fù)著接通和分?jǐn)嚯娏鞯娜蝿?wù)，其性能的好壞直接影響開關(guān)和電器運(yùn)行的可靠性及使用壽命[1]。傳統(tǒng)Ag基觸頭易硫化，易磨損，壽命波動(dòng)較大[2,3]。銅具有很高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐蝕性和優(yōu)良的工藝性能，是作為替代Ag的最佳材料[4-6]。但是Cu用作電觸頭材料的主要障礙在于表面容易氧化，且氧化物具有極低的電導(dǎo)率，急劇增大了接觸電阻，使材料在使用中容易發(fā)熱，直接影響電接觸開關(guān)的工作可靠性[7-9]。此外Cu材料的導(dǎo)電性與強(qiáng)度難以兼顧，即導(dǎo)電率高則強(qiáng)度很低，強(qiáng)度的提高是以損失電導(dǎo)率為代價(jià)[10]。因此，Cu及一般的Cu合金難于滿足電觸頭材料的綜合要求。因此，解決Cu的上述缺點(diǎn)是將其應(yīng)用于電觸頭領(lǐng)域的前提。

本研究使用B4C作為增強(qiáng)體添加到Cu中形成B4Cp/Cu復(fù)合材料，預(yù)期將具有滿足電觸頭材料的優(yōu)異性能[11]。但是B4C與Cu不潤(rùn)濕，通過將稀土或稀土化合物引入B4Cp/Cu復(fù)合材料中，提高B4C-Cu界面潤(rùn)濕性和界面結(jié)合強(qiáng)度，在制備過程中采用高能球磨混粉工藝和粉末冶金燒結(jié)工藝，研制出一種新型帶有稀土的B4Cp/Cu復(fù)合材料，以滿足中低壓電器用電接觸材料的綜合性能要求[12]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

使用 Y（NO3）3·6H2O作為表面改性劑對(duì) B4C顆粒（粒徑為200目）進(jìn)行改性。將稀土鹽改性B4C顆粒（粒徑為200目）、銅粉（粒徑為200目）和鉍粉（粒徑為300目）混合，進(jìn)行球磨混粉，混粉時(shí)間為2h，球磨采用行星式球磨機(jī)；球磨所用料球?yàn)?mm和10mm的鋼球，球料比為15∶1；將混合粉末在壓力為500MPa的條件下進(jìn)行壓制，保壓2min；將預(yù)制件放入真空燒結(jié)爐中，在900℃條件下燒結(jié)，然后隨爐冷卻至室溫，得到改性B4C增強(qiáng)銅基電觸頭材料。

1.2 試驗(yàn)方法

采用HBRV-187.5型布洛維硬度計(jì)測(cè)定布氏硬度。試驗(yàn)參數(shù)為載荷F=612.9N，壓頭直徑D=5mm，載荷保持時(shí)間為30s。用精度為1×10-3g的AE124J密度天平，采用浮力法確定固體密度。復(fù)合材料電導(dǎo)率采用SIGMATEST 2.069型渦流電導(dǎo)儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試頻率60kHz。測(cè)試材料電導(dǎo)率單位為%IACS。復(fù)合材料與基體的熱導(dǎo)率測(cè)試在德國(guó)Thermal Diffusivity NETZSCH LAF 427 Analysis激光導(dǎo)熱分析儀上進(jìn)行。

2 結(jié)果及討論

2.1 B4C的稀土改性工藝

以無水乙醇為溶劑，按照 Y（NO3）3·6H2O 的濃度為1mol·L-1，配置稀土鹽溶液，按照B4C粉體的質(zhì)量與Y（NO3）3·6H2O溶液的體積比為1g∶10mL的比例，稱取B4C粉體，將稀土硝酸鹽溶液保持在20～25℃的恒溫，然后加入B4C粉體，攪拌1h，洗滌干燥，將干燥后的粉體放入溫度為500℃的馬弗爐中燒結(jié)1h，得到稀土鹽改性的B4C粉末。

圖1（a）-（c）稀土改性B4C粉末的形貌照片。

由圖1可以看出，由稀土鹽改性后的B4C粉末表面形成了Y2O3涂層。

圖1 改性B4C粉末的形貌照片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of modification B4C

圖2 中稀土改性B4C粉末的能譜圖，可以進(jìn)一步證明Y2O3涂層存在。說明稀土改性成功。

圖2 改性B4C粉末的能譜圖Fig.2 Energy spectrum analysis of modification B4C

2.2 改性B4C的添加量對(duì)材料性能的影響

圖3～6分別給出了材料的致密度和硬度隨改性碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。

圖3 改性B4C量對(duì)材料硬度的影響Fig.3 Hardness with different mass fraction of modification B4C

圖3 顯示了稀土改性B4C加入量對(duì)材料硬度的影響，可以看出，隨著B4C加入量的增加，材料的硬度也逐漸增大，當(dāng)B4C的量為3%時(shí)，其硬度達(dá)到最大值，當(dāng)B4C的量繼續(xù)增加時(shí)，其硬度值開始下降。這是由于加入適量B4C時(shí)，隨著B4C量的增加，它們均勻彌散分布在基體上，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了基體，從而引起材料的硬度增大。但B4C加入量過高時(shí)，會(huì)影響顆粒間的結(jié)合程度，降低材料的致密度，使材料的硬度下降，致密度變化詳見圖4。

圖4 改性B4C量對(duì)材料致密度的影響Fig.4 Density with different mass fraction of modification B4C

如圖5所示，銅基復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨著改性B4C的增加而減小，其原因是B4C本身不導(dǎo)電，加之在銅基體中的彌散分布增大了對(duì)電子的散射，導(dǎo)致導(dǎo)電性能的下降。

圖5 改性B4C量對(duì)材料電導(dǎo)率的影響Fig.5 Conductivity with different mass fraction of modification B4C

圖6 改性B4C量對(duì)材料熱導(dǎo)率的影響Fig.6 Thermal conductivity with different mass fraction of modification B4C

由圖6可見，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著改性B4C的加入而增加，可是當(dāng)加入量大于3%時(shí)，由于材料的致密度下降而影響了材料的導(dǎo)熱性能，因此，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率明顯下降。

2.3 Bi粉的添加量對(duì)材料性能的影響

純銅在電接觸材料工作過程中表現(xiàn)易生成CuO或Cu2O組成的氧化膜，在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下，導(dǎo)電率較差的氧化膜會(huì)集中覆蓋在電接觸材料的表面，接觸電阻迅速增大，在電弧高壓作用下，接觸表面升溫過高，甚至產(chǎn)生熔焊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電接觸材料時(shí)效，因此，在銅基體中加入適量的Bi不僅能有效提高電接觸的抗熔焊性能，還能防止復(fù)合材料接觸表面的銅基體氧化現(xiàn)象的發(fā)生。添加Bi以及添加量對(duì)材料性能影響詳見以下幾個(gè)方面。詳見圖7～9。

圖7 Bi量對(duì)材料硬度的影響Fig.7 Hardness with different mass fraction of Bi

圖8 Bi量對(duì)材料致密度的影響Fig.8 Density with different mass fraction of Bi

Bi粉添加量對(duì)材料的致密度和硬度均有影響，當(dāng)Bi的添加量為2（wt）%時(shí)，Bi粉能夠完全熔于銅基體中，從而表現(xiàn)出最佳的硬度，可以達(dá)到179（HB），致密度也可以達(dá)到99.6%。復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨著Bi粉量的增加而增加，而當(dāng)大于2（wt）%后，材料的致密度下降，影響電導(dǎo)率的表現(xiàn)，因此，Bi粉的最佳添加量為 2（wt）%，電導(dǎo)率可以到 66%IACS，見圖 9。

2.4 壓制工藝對(duì)材料性能的影響

采用鋼模模壓成形，壓力機(jī)型號(hào)為YES-3000（濟(jì)南東測(cè)試驗(yàn)機(jī)技術(shù)有限公司）。為了減小鋼模內(nèi)表面在壓制時(shí)的摩擦力，提高壓坯的強(qiáng)度，在每次壓制前在鋼模內(nèi)表面均勻涂一層的硬脂酸鋅。壓制壓力 300、350、400、450 、500 和 550MPa，保壓時(shí)間30s，模具材料是冷作模具鋼Crl2，生坯端面是φ60×5mm，每次壓制時(shí)的裝粉量經(jīng)由電子天平稱量。圖10～12為不同壓力下材料密度、致密度、硬度和電導(dǎo)率的變化情況。

圖10 壓制壓強(qiáng)對(duì)材料致密度的影響Fig.10 Density with different pressure

圖11 壓制壓強(qiáng)對(duì)材料硬度的影響Fig.11 Hardness with different pressure

圖12 壓制壓強(qiáng)對(duì)材料電導(dǎo)率的影響Fig.12 Conductivity with different pressure

復(fù)合材料的密度和致密度隨著壓力的增加而增加，當(dāng)壓力過小時(shí)，試樣不易成型，且致密度不夠高，影響試樣最終的性能。壓力過大對(duì)試樣致密度的提高效果不明顯，且壓力過大，試樣與模具之間的摩擦力越大，側(cè)壓力以及彈性內(nèi)應(yīng)力也相應(yīng)提高，起模也越困難，對(duì)模具的壽命不理；另外壓制壓力過高，試樣容易產(chǎn)生分層，這由壓制壓力過高時(shí)彈性后效明顯增大導(dǎo)致。因此，最終確定壓制壓力為500MPa。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過稀土鹽的改性處理后，B4C粉體與Cu界面潤(rùn)濕性得到改善。

（2）確定復(fù)合材料的最佳添加量以及壓制工藝。

（3）得到的銅基電觸頭材料性能如下：硬度為179HB；致密度達(dá)到99.6%；電導(dǎo)率為66%IACS；熱導(dǎo)率可以達(dá)到 262W·（m·℃）-1。

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Preparation and properties of reinforced copper-based electrical contact material modified by rare earth B4C

LI Yan,SONG Mei-hui,ZHANG Yu,LI Yan-chun,ZHANG Xiao-chen
（Institute of Advanced Technology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150028,China）

The high-performance copper-based electrical contact materials were prepared via B4C modified by rare earth salt as reinforced agent.The properties were obtained by means of the durometer，conductivity meter，densimeter and thermal conductivity.The results showed that the modified B4C as reinforced agent can effectively inhibit hardness,electrical and thermal conductivity of the electrical contact.When the mass ratio of composite material was:mmodifiedparticles∶mBi∶mCu=2∶2∶96,preparation pressure was 500MPa,sintering temperature was 900℃,the property of electrical contact was optimal.The hardness could be up to 179（HB）,electrical conductivity was 38.308Ms·m-1,thermal conductivity was 262W·（m·k）-1,density was 7.9515g·cm-3.

electrical contact；rare earth salt；modified B4C；hardness；electrical and thermal conductivity

TB331

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171010

2017-06-06

黑龍江省科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)資金項(xiàng)目資助（No.GC15F004）

李 巖（1983-），女，黑龍江人，碩士，助理研究員，主要從事金屬基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用開發(fā)工作。