热压成形对铜基电接触材料组织与性能的影响

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1、热压成形对铜基电接触材料组织与性能的影响济南大学王彬耿浩然郭忠全滕新营摘要:本文对采用热压工艺制作的铜基电接触材料进行了研究。得出了热压烧结的参数与材料性能的关系。热压烧结制作的电接触材料各项性能都有了较大提高，简化了制作工艺，大大降低了烧结温度。所制作的铜基电触头材料的电阻率可达2.45µΩ*cm，硬度57.4HB，密度可达8.35g/cm3，抗氧化性和抗熔焊性得到明显改善。关键词:电接触材料热压稀土目前，现有的电触头元件主要采用金属银材料制作，由于Ag的资源非常缺乏，价格昂贵，从而大大制约了其电触头材料的发展。为了降

2、低成本，必须降低银的含量。由于铜具有优良的导电、导热性能，更主要的是铜的价格低廉，所以采用铜替代银为基体来制作电接触材料具有重大的经济意义。但是，金属铜在大气环境中容易氧化，表面形成氧化铜，使导电性能恶化。同时，传统电接触材料采用冷压烧结制作工艺制作，其工艺较复杂，能耗大，材料致密性较差，导致材料性能恶化。热压烧结与冷压烧结成形技术相比，具有能在较低温度下制备结构非常致密的材料，并可保证被加工粉料的化学成分稳定，压制压力低，材料组织均匀、从而使材料性能改善等优点[1-3]。同时，热压烧结可以促使材料组织发生一定的物理化学

3、变化。本论文针对铜基电接触复合材料研究了热压烧结工艺，并对比冷压烧结工艺进行了材料的性能试验和分析。1试验条件及方法1.1材料成分试验材料以铜为基体，并加入了C4B等多种元素。希望通过添加微量组元来改善铜基材料表面易于氧化、抗熔焊性差等问题。通过研究发现，调整试样组分和加入微量可以有效降低铜基体表面氧化问题，并能使材料整体力学性能显著提高，而对基体的导电性影响不大。银基试验材料？1.2实验设备及条件热压设备为HZK-30真空热压炉。电阻测量仪器为QJ44型直流电阻电桥。硬度测试的仪器为HD-187.5型布洛维硬度计。金相

4、组织观测采用日立S-2500型扫描电子显微镜。X射线物相分析采用德国BRUCK公司生产的D8ADVANCE型号x衍射仪。采用自行设计的电触头强化装置进行强化试验。实验设定参数：电流I=60A，触点开、关一次的时间为2秒，试验总运行时间1小时。2烧结工艺的研究2.1真空热压工艺的研究2.1.1热压工艺流程及参数的确定本工艺的具体流程为：混粉——试样预压——装炉——抽真空——升温——保温（30分钟）——加压——保压（20分钟）——降温——取样。复合材料真空热压烧结的热压压力、温度与试验材料基本性能的关系见表1。采用三维立体图

5、形对数据进行处理，获得电阻率与热压参数的关系如图1所示，硬度与热压参数之间的关系如图2所示。可见，随着温度及压力的增加，试样的导电率及力学性能相应地提高，但烧结温度到达一定温度后，提高的效果变的不明显。试验中发现，烧结温度在800℃时，压力施加过大会影响炉内气氛及真空度，从而影响试样性能，考虑试样的综合性能以及触头材料的制作成本，实验最终确定热压烧结的主要参数为：烧结温度750℃、保温时间30min、压制压力25MPa。在此工艺参数下，试样的致密度能达到90%以上，触头材料能够获得较好的导电率及力学性能，适当降低烧结温度

6、能减少试样的加工成本。表1热压烧结工艺参数与材料性能的关系试样号温度(℃)压力(MPa)硬度(HB)电阻率(μΩ*cm)17001551.22.9527002054.42.6337002556.12.5147501552.12.7257502057.32.5467502557.42.4578001556.42.588002056.62.52980025--图1电阻率与热压参数之间的关系图2硬度与热压参数之间的关系2.1.2真空热压工艺的致密化机理真空热压工艺有利于粉体材料的塑性流动,塑性流动对致密化的影响较大。而且,真空

7、热压消除了粉末的弹性应变,使得塑性流动成为致密化的主要因素。Murray塑性流动理论热压方程为[4]。(dρ/dt)p>0=(dρ/dt)p=0+3P/4η(1-ρ)（2-1）式中，ρ—相对密度；t—热压时间；P—外加压力；η—合金粘度。该方程说明，热压过程的致密化速度(dρ/dt)p>0比常规冷压的致密化速度(dρ/dt)p=0大,而且随着外加应力P的增大和热压温度的提高(即合金粘性系数的减小),热压的致密化过程速度加快,材料的密度提高。2.2冷压工艺传统的电接触材料制备主要是通过粉末冶金的方法来制作。由这种方法制作的

8、材料，主要是通过外力作用使材料发生塑性变形从而粘结在一起，其中空洞较多，所以难以保证材料高致密化要求。通常为了得到较高致密度的电接触材料，一般采用如下工艺流程：混粉——次压制——次烧结——二次压制——二次烧结。2.2.1一次压制一次压制主要是使试样成型。根据前期试验论证及相关资料，确定一次压制压力为350MPa，保压