國內(nèi)銅基電接觸材料專利綜述

1、 第一作者:王巖,女,1973年生,1997年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué),碩士研究生。研究方向:銅基無銀觸頭材料。綜述國內(nèi)銅基電接觸材料專利綜述王巖崔玉勝邵文柱甄良哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院(150001摘要對近20年來低壓電器用銅基電接觸材料方面的專利進(jìn)行了歸納整理,對專利中材料的設(shè)計(jì)思想,特別是與銀基電接觸材料設(shè)計(jì)思想的差別進(jìn)行了分析。同時(shí),對專利實(shí)施有可能對材料科學(xué)和材料加工領(lǐng)域整體技術(shù)進(jìn)步的促進(jìn)進(jìn)行了展望。敘詞:銅基電接觸材料低壓電器專利中圖分類號:TM 503+.5A R evie w of Patents about CopperB asedElectrical Contact Materi

2、als in ChinaW A N G Y an CU I Y usheng S HA O Wenz hu ZH EN L iangSchool of Material Science of Engineering ,Harbin Institute of Technology (150001Abstract :S ome patents about silver 2free copper based electrical contact materials that were used in low 2voltageapparatus in 20years were listed here

3、to give a convenient consultation to related researchers.Rules ,which were concerned in design of these patent materials ,es pecially the difference between them and those silver 2based materi 2als ,were discussed.And the possibility to promote the comprehensive technical progress in aspect of mater

4、ial science research and material processing techniques development by implement of these patents were also predicted at the same time.K ey w ords :copper b ased electrical contact materials low voltage apparatus patent1前言銅基(包括銅合金及其復(fù)合材料電接觸材料包括兩大類:Cu 2W (WC 類和Cu 2Cr 合金類,它們已成功地應(yīng)用于高壓電器和真空電器中。目前,對于這些材料在

5、電弧理論、材料學(xué)及工藝學(xué)等方面的研究,旨在理論上的深入和技術(shù)上的完善。本文所述的是指近幾年來應(yīng)用于低壓電器的銅基材料。低壓電器的電觸頭大都是由含80%90%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)白銀的復(fù)合材料制成的,世界上銀的產(chǎn)量25%左右是用于制造電工和電子儀器所需的電觸頭元件1。銀作為貴金屬,產(chǎn)量有限且價(jià)格昂貴,為了節(jié)銀,全世界在開展降低觸頭材料中銀含量的研究的同時(shí),也在進(jìn)行以賤金屬替代銀基材料的研究工作。在這一研究領(lǐng)域中代替銀的最合適的元素是銅,因?yàn)樗谛再|(zhì)上與銀最相近。我國從上世紀(jì)80年代末開始,興起低壓電器用銅基電接觸材料的新熱潮。試圖制備出新型的銅基電觸頭材料,使之可完全滿足低壓電器的各種要求和標(biāo)準(zhǔn)。在銅基

6、電接觸材料研制過程中,難于克服的主要障礙是銅基材料氧化時(shí)會產(chǎn)生較高的接觸電阻。在新型低壓開關(guān)電器的設(shè)計(jì)中,從節(jié)銀的角度出發(fā),觸頭尺寸較小,接觸壓力也較低,從而增大了觸頭的熱負(fù)荷,故要求觸頭材料的接觸電阻較低。迄今為止,這一研制還沒有突破性的進(jìn)展?，F(xiàn)已公布的銅基電觸頭方面的專利數(shù)量雖然不少,但它們的產(chǎn)業(yè)化價(jià)值較小,其中只有極少部分被付諸于實(shí)踐。2專利內(nèi)容及討論2.1專利及其主要內(nèi)容近20年來,特別是1994年以后,出現(xiàn)了不少低壓電器用銅基電接觸材料方面的專利,這些專利可分為兩大類:材料發(fā)明專利和加工工藝專利。這里著重介紹材料發(fā)明專利。對于加工工藝專3利,只收集到3項(xiàng):專利號:99119340.7

7、,離子注入電工觸點(diǎn);專利號:99244258.3,離子注入電工觸點(diǎn);專利號:CN86107636,觸頭材料的生產(chǎn)方法。材料發(fā)明專利共收集到14項(xiàng),其中除3項(xiàng)已撤消外,還有11項(xiàng)專利及其權(quán)利要求內(nèi)容(見表1。2.2分析和討論表1中11項(xiàng)材料發(fā)明專利所涉及的材料成分十分豐富,種類繁多。其中金屬元素達(dá)20多種,非金屬元素近10種,稀土元素3種;氧化物3種,碳化物6種。這一方面說明,低壓電器用銅基電觸頭材料近些年來已引起研究者的關(guān)注;另一方面也說明,該研究方向正處于探索之中,它依舊沿襲銀基電接觸材料的設(shè)計(jì)思想,尚沒有形成針對銅基材料的整體的設(shè)計(jì)路線。表1低壓電器用銅基電觸頭材料發(fā)明專利及其權(quán)利要求內(nèi)容

8、一覽表序號專利號專利名稱權(quán)利要求書內(nèi)容1CN87103076銅基合金電觸頭材料(1一種電觸頭用無銀復(fù)合材料及生產(chǎn)工藝,其特征是,含碳化鎢3%10%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù),下同,石墨2%5%,余量為銅(2根據(jù)權(quán)利要求1的銅基合金材料,其特征是含碳化鎢5%,石墨3%,余量為銅(3根據(jù)權(quán)利要求1的銅基合金材料,其特征是含碳化鎢9%,石墨2%,余量為銅(4根據(jù)權(quán)利要求1的銅基合金材料,其特征是含碳化鎢3%,石墨5%,余量為銅2CN94102452.0銅基低壓電工觸頭合金材料銅基低壓電工觸頭合金材料,其特征在于該材料基本上由如下合金組成(%:金剛石0.55.0,鎘0.12.0,余量為銅3CN96115149.8銅

9、基粉末合金電觸頭材料(1一種銅基粉末合金電觸頭材料,其特征在于基本組分含量(%為:碳化硼微粉(B4C0.24,金剛石微粉(C00.4,余量為已知的銅鎘合金(2如權(quán)利要求1所述的電觸頭材料,其特征在于:其中的碳化硼微粉可用等量的碳化硅代換(3如權(quán)利要求1所述的電觸頭材料,其特征在于:其中的已知銅鎘合金組分原則上可用其他任何具有良好導(dǎo)電性的二元或多元銅合金代換4CN96114683.4低壓電器用銅合金觸頭材料一種低壓電器用銅合金觸頭材料,其材料的成分及配比(%為:鎘0.1 5,鈰0.0012.5,鉛0.012.5,鉭0.15,余量為銅5CN97106092.4低壓電器用銅合金觸頭材料(1一種低壓電

10、器用銅合金觸頭材料,其材料的成分及質(zhì)量(%為:鎘0.15,碳0.15,碳化物0.110,硼0.13,余量為銅(2根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸頭材料,其特征是:碳化物可選為碳化鈮、碳化鉭及兩者混合物6CN97125818.X低壓電器用特種合金電觸頭材料一種低壓電器用特種合金電觸頭材料,其材料的成分配比(%為:碳0.13,碳化釩0.55,碳化鈮0.510,氧化鋯0.55,氧化鑭0.01 1,碲0.11,鉛0.55,硒0.11,銅余量4(續(xù)表1序號專利號專利名稱權(quán)利要求書內(nèi)容7CN98120087.7銅基無銀無鎘低壓電工觸頭合金材料(1(143,一種銅基無銀無鎘低壓電工觸頭合金材料,其導(dǎo)電第一相核心組元是

11、銅,第二相骨架組元是金剛石,其特征在于第三相添加組元是起到改善電接觸表面液相附著力,減少接觸表面及觸頭基體裂紋的形成與擴(kuò)展,最終達(dá)到降低電弧侵蝕作用的非鎘和鎘氧化物的金屬元素或非金屬元素;所述第三相添加組元可以是包括有以下元素或元素的組合中的一種,可以是鋅(0.2%10%,可以是錫與銦的組合(0. 1%12%,0.1%10%,可以是鉻(0.1%10%,可以是鎂(0.1% 10%,可以是鋁與鉍的組合(0.01%5%,0.01%5%,可以是銣和鍶的組合(0.01%5%,0.01%5%,可以是釔和鋯的組合(0. 01%5%,0.01%5%,可以是硅與鍺的組合(0.01%5%,0.01% 5%,可以是

12、鎳(0.1%30%,可以是銻(0.01%10%,可以是鈹與鈮的組合(0.01%10%,0.01%5%,可以是鎢與鉬的組合(0. 1%10%,0.1%10%,可以是鎵和鑭的組合(0.01%10%,0. 01%5%;其成分配比(%為:第二相骨架組元金剛石為0.28,除第三相添加組元外,其余為銅8CN98116484.6電觸頭用無銀觸頭材料及其生產(chǎn)工藝(1一種電觸頭用無銀復(fù)合材料及生產(chǎn)工藝,其特征在于材料的質(zhì)量(%是:碳化鎢0.220,鈷或鎳或兩種元素任意比例混合物0.5 10,鈣或鍶或鋇任一種0.031.5,銅68.599.27(2如權(quán)利要求1所述的一種電觸頭用無銀復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝,其特征在于,

13、首先按比例稱取各粉料并粉碎至300目以上,充分混合后,在壓力機(jī)上于0.30.5GPa壓力下預(yù)成型,然后將預(yù)壓件置于燒結(jié)爐中,在6001100°C、氫氣或惰性氣體保護(hù)下燒結(jié),最后將坯經(jīng)0.61.0GPa壓力復(fù)壓而成(3根據(jù)權(quán)利要求2所述的電觸頭用無銀復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝,可將燒結(jié)體經(jīng)鍛、軋、沖制成片狀觸頭;或燒結(jié)后經(jīng)鍛、軋、拉,也可直接擠成線材,線材調(diào)整后可鐓制成復(fù)合或整體鉚釘式觸頭998110906.3銅基無銀電工觸頭材料(1一種銅基無銀電工觸頭材料,其成分配比(%為:鉬:1.51.8,金剛石0.40.5,鎘1.52,鑭0.0040.005,銅余量(2如權(quán)利要求1所述銅基無銀電工觸頭材

14、料,成分中可以增加鈮,其成分配比(%為:鉬1.51.8,鈮0.20.5,金剛石0.40.5,鎘1.52,鑭0.0040.005,銅余量1099112292.5銅基粉末合金電工觸頭材料(1一種銅基粉末合金電工觸頭材料,其特征在于主要組分的含量(%為:金剛石粉0.62.0,鎘1.72.2,鑭鈰合金粉0.0020.1,三氧化二鋁0.062.0,余量為銅(2按照權(quán)利要求1所述的銅基粉末合金電工觸頭材料,其特征在于鑭鈰合金的含量(%為:0.0020.01,三氧化二鋁的含量為0.06 0.51101103263.4電觸頭用銅基復(fù)合材料一種電觸頭用銅基復(fù)合材料,其特征在于:材料的成分配比(%為:碳0.12.

15、0,碳化鎢0.011.0,鎘0.14,碳化鈮0.55,鎳0.53,氧化鋁0.55,氧化鑭0.012,硅0.11,硼0.11,銅余量3注:原專利中權(quán)利要求書中為14項(xiàng),限于篇幅,僅摘要其內(nèi)容。5分析上述各專利中所添加的組元相,可以發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn):(1基體合金化。如前所述,與銀相比,銅作為電接觸材料的最大弱點(diǎn)在于容易氧化,形成絕緣或半導(dǎo)體導(dǎo)電性的氧化膜,使接觸電阻升高。因此,增強(qiáng)銅基材料的抗氧化物,是銅基電接觸材料設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。合金化可以提高銅基材料的抗氧化和耐腐蝕性能。文獻(xiàn)3,4曾對Cu2Cd合金在低溫條件下的氧化和腐蝕方面的性能進(jìn)行過研究并且發(fā)現(xiàn),鎘的添加對合金在氧化介質(zhì)中的穩(wěn)定性有不同程度的

16、影響。當(dāng)鎘含量<1%時(shí),通過對添加各種合金元素的銅合金的性能對比可知,添加鎘對銅基體的電阻率影響較小5。并且,由于鎘的電離能較高,熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較低,在電弧的高溫作用下可以迅速分解揮發(fā),帶走觸頭表面的熱量,冷卻電弧,起到滅弧作用。鎘含量過高時(shí)(>2.0%,雖然燃弧時(shí)間縮短,但材料脆性增大,也會對觸頭材料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生很不利的影響6。銦、鉿、碲和鋯等元素也能起到與鎘相似的作用。由于鎘的毒性較大,所以在一些新型設(shè)計(jì)的電接觸材料中,明確提出了“無鎘”的概念,例如,表1中序號7專利就是一個(gè)典型。隨著社會對環(huán)保要求越來越嚴(yán)格,“無鎘”的理念必然會得到推崇,采用其他合金化元素代替鎘元素可能會成為一

17、種趨勢。但與其他行業(yè)應(yīng)用的含鎘材料帶來的副作用相比,電接觸材料中鎘的毒性對環(huán)境和人類的危險(xiǎn)程度,目前還缺乏量化的數(shù)據(jù)資料?；w合金化除了可以提高合金的抗氧化性以外,還可以提高合金的強(qiáng)度和耐磨性。一般合金化元素在銅中都具有有限的固溶度,可以采用時(shí)效強(qiáng)化處理,獲得細(xì)小彌散分布的強(qiáng)化相組元。(2稀土元素的抗氧化作用。微量稀土元素對銅合金的氧化有抑制作用2,在這種情況下,氧化膜生長緩慢的機(jī)制可能與使銅離子在生成膜中擴(kuò)散速度衰減有關(guān)。分析認(rèn)為,這是由于在氧化膜的晶格中有三價(jià)陽離子,其中包括La3+的存在。從理論角度來看,這種解釋并不充分,但從實(shí)際測試研究結(jié)果卻表明,微量稀土元素對銅合金抗氧化性的提高作用

18、十分明顯。表1的11項(xiàng)專利中,有7項(xiàng)專利添加了稀土元素。稀土元素的含量過高時(shí),對銅合金抗氧化性的提高貢獻(xiàn)不大7。由于稀土元素的電離能較低,過高的稀土含量,會降低材料的起弧電壓,使材料的抗電弧燒蝕能力下降。因而,稀土元素的選擇、作用機(jī)理和最終使用效果尚需深入研究。(3抗燒蝕骨架相的添加。在電接觸材料設(shè)計(jì)時(shí),通常加入高熔點(diǎn)難熔金屬或陶瓷相,例如銀基材料中通常加入氧化錫、氧化銅、氧化鋁和氧化鎘,以及鎢、碳化鎢等組元。其目的在于通過彌散強(qiáng)化提高材料的強(qiáng)度和耐磨性,通過相變吸收能量和增大熔池粘度提高材料的抗燒蝕性8。上述材料設(shè)計(jì)觀念在銅基電接觸材料設(shè)計(jì)中也被采納,表1的11項(xiàng)材料發(fā)明專利中的成分,無一例

19、外地添加了難熔金屬或陶瓷相。與現(xiàn)行的銀基電接觸材料相比,表1專利中的一個(gè)突出特點(diǎn)是:約有近半數(shù)的專利中采用了金剛石微粉。金剛石具有熔點(diǎn)高(3700°C、硬度大、耐磨損等性能。在銅基體中加入細(xì)小的金屬石顆粒,可起到強(qiáng)化作用,提高硬度和耐磨性,這就要求金剛石粒子在材料中應(yīng)彌散均勻分布。在粉末冶金觸頭材料中加入碳(如石墨,可有良好的抗熔焊作用9,10。從材料的成本看,金剛石含量提高會導(dǎo)致產(chǎn)品成本急劇增加。據(jù)報(bào)道11,碳是惟一可加速銅及其合金腐蝕的元素,但文中并未闡明所加入的固態(tài)碳(金剛石或石墨是否能加速氧化作用。在材料制備中,燒結(jié)過程會在金剛石顆粒表面產(chǎn)生石墨化12,于是在金剛石顆粒與銅基

20、體直接接觸處會有石墨態(tài)碳存在。雖然研究表明,在銅基材料燒結(jié)溫度下,金剛石顆粒只有一小部分(不超過1%2%可能發(fā)生石墨化,但在界面上石墨層的作用卻可能較大,并有可能引起一定的宏觀效果。文獻(xiàn)13中并未解釋碳對銅及其合金氧化動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響的原因,引起這種變化的機(jī)制并不是顯而易見的,需要專門去研究。(4低固溶度抗氧化金屬組元。有個(gè)別專利提出了添加鉻、鉬、鈮和鉭等在銅基體中固溶度極低的元素,顯然,這些元素的加入對提高基體的抗氧化性能、強(qiáng)度和抗燒蝕性能具有一定作用。從添加量來看,這比較符合“導(dǎo)通理論”設(shè)計(jì)14。因此,可以將上述元素的添加理解為導(dǎo)通相構(gòu)成。62.3專利實(shí)施對材料科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)在上述專利中,也

21、存在一些難于理解的設(shè)計(jì),除了理論上可以理解或解釋的合金化處理外,還有一些元素解釋的合金化方式。例如,添加一些明顯會引起材料脆化或銅合金必須嚴(yán)格控制的雜質(zhì)類的組元;添加元素的比例范圍明顯過寬,甚至于出現(xiàn)無法制備的合金成分。對此種現(xiàn)象惟一的解釋可能是出于專利保護(hù)的考慮。同樣可能是出于對工藝方法和參數(shù)保密的原因,上述專利對于材料加工工藝的闡述較為簡單。但事實(shí)上,上述專利實(shí)施時(shí),存在一些材料工藝學(xué)領(lǐng)域中共性的難題。這些問題的解決,將會促進(jìn)電接觸材料、材料學(xué)以及工藝學(xué)的總體發(fā)展。(1超細(xì)相的均勻、彌散分布工藝。微米、亞微米和納米級超細(xì)第二相的添加,是上述專利的總體特點(diǎn)。這類材料的制備過程中,避免超細(xì)相團(tuán)

22、聚并使之均勻彌散分布的工藝問題的解決成為一個(gè)關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)。這個(gè)問題是目前材料加工領(lǐng)域最為復(fù)雜的問題之一。這個(gè)問題的解決,對于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備、陶瓷及其復(fù)合材料的制備以及先進(jìn)納米材料的制備和應(yīng)用都是十分重要的。上述專利實(shí)施過程中,必然嘗試?yán)酶鞣N傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的方式,解決超細(xì)粉或團(tuán)聚或分散問題。其成果必將為這個(gè)材料加工領(lǐng)域的關(guān)鍵問題的解決,提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和創(chuàng)新的理念。(2陶瓷相與基體之間的結(jié)合。對于含有陶瓷相的導(dǎo)電材料來說,陶瓷相與導(dǎo)電基體之間的浸潤性,是金屬陶瓷材料研究最為關(guān)心的問題之一。如果陶瓷相與基體之間的結(jié)合不牢固,硬質(zhì)點(diǎn)的加入使觸頭材料變脆,在受到電弧和沖擊力綜合作用時(shí),材

23、料表面易于產(chǎn)生裂紋,造成觸頭材料失效。上述專利內(nèi)容中,已經(jīng)提及采用包覆粉末等改善相間潤濕性的方法,這種研究必將促進(jìn)金屬陶瓷材料工藝方法的進(jìn)步。(3材料表面膜的形成與控制。銅基材料作為電接觸材料的最大弱點(diǎn)在于其抗氧化能力不強(qiáng)。因此,新型電接觸材料的表面膜結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通性,必然成為這一領(lǐng)域必須深入研究的內(nèi)容之一。通過確定表面膜厚度與接觸電阻的定量關(guān)系以及影響表面膜生長的因素,達(dá)到控制膜層生長的目的。目前,銅基材料氧化膜結(jié)構(gòu)和氧化動(dòng)力學(xué)研究還局限于高溫領(lǐng)域,對于較低溫度和常溫條件下氧化問題研究的數(shù)據(jù)還很少。這方面的研究必將促進(jìn)人們對于銅基材料氧化行為的全面認(rèn)識,同時(shí),為界面擴(kuò)散理論研究提供新的數(shù)據(jù)。此外

24、,采用各種微觀測試方法研究表面膜結(jié)構(gòu),不僅會促進(jìn)表面及界面研究方法,還可以促進(jìn)材料學(xué)表面技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展。3結(jié)束語綜上所述,本文所涉及的大量專利的出現(xiàn)說明這個(gè)領(lǐng)域的研究有了進(jìn)一步的發(fā)展,這也是市場需求的一種體現(xiàn)。從專利分析來看,銅基材料的設(shè)計(jì)思想有一定的進(jìn)展,但還沒有完全突破銀基觸頭材料的設(shè)計(jì)理念。低壓電器對電接觸材料的要求是復(fù)雜的、多樣的,有時(shí)甚至是矛盾的,任何一種材料都不可能滿足所有電器的性能要求,任何一門單一的學(xué)科都不可能解決電接觸材料設(shè)計(jì)的所有問題。這就要求電接觸材料的設(shè)計(jì)和研究者不要僅僅局限于自身的專業(yè)(材料學(xué)或電器學(xué)方向去研究。低壓電器用銅基電接觸材料的研究工作才剛剛開始,上述專

25、利所設(shè)計(jì)的材料雖然有了一定范圍,但有許多理論和實(shí)踐問題尚未解決,這方面的研究工作還有很長的路要走,這就需要更多關(guān)心電接觸材料的專家、學(xué)者進(jìn)行深入地探索和研究。參考文獻(xiàn)1邵文柱,崔玉勝,楊德莊.電接觸材料的發(fā)展與現(xiàn)狀J.電工合金,1999,(1:11352033,.J.2,1989,(6:576578(下轉(zhuǎn)第39頁7基于 Modbus 和 Device Net 總線技術(shù)的可通信智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 低壓電器( 2003 4 4 結(jié) 語 可通信智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是構(gòu)成智能化 、 可 通信電控系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件之一 , 代表了電動(dòng)機(jī) 保護(hù)器的發(fā)展方向 。本文介紹的基于 Modbus 和 DeviceNet

26、總線技術(shù)的可通信智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器 圖4 可通信智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成 保護(hù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下主要特點(diǎn) : ( 1 主體模塊面板采用 45 cm × cm 標(biāo)準(zhǔn) 45 模數(shù)設(shè)計(jì) ,便于在標(biāo)準(zhǔn)控制柜面板上安裝 ,提高了 通用性 。 ( 2 主體模塊和電流監(jiān)測模塊之間采用卡軌 安裝方式 , 信號傳遞通過標(biāo)準(zhǔn) RJ 45 網(wǎng)絡(luò)線便于 安裝和維護(hù) ,提高了現(xiàn)場調(diào)試的靈活性 。另外 ,通 過選配不同規(guī)格的互感器模塊 , 主體保護(hù)模塊不 變 ,該保護(hù)器可方便使用在不同電流等級場合 ,節(jié) 約了用戶成本 。 ( 3 接線端子呈階梯狀一邊布置 , 在和接觸 器配合時(shí)便于接線 。 更加符合電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況 , 各項(xiàng)保護(hù)動(dòng)作特 性與傳統(tǒng)的熱繼電器型產(chǎn)品相比 , 具有較高的保 護(hù)精度和靈敏度 , 可靠性高 ,