新型铜基电接触材料的高温氧化性能研究.pdf

2 0 1 6 年第4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 ‘7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 4 ．0 1 4 新型铜基电接触材料的高温氧化性能研究 王丽，张晓燕，雷源源，张俊杰 贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 0 3 摘要研究了铸态和热处理态新型铜基电接触材料的高温氧化行为，并用S E M 观察了表面氧化膜的微 观形貌。结果表明，与铸态材料相比，热处理态铜基电接触材料表面氧化膜的致密性和连续性较高，氧 化增重较低，表现出更好的高温氧化性能。 关键词铜基电接触材料；高温氧化；微观形貌 中图分类号T B 3 4文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 4 0 0 5 5 0 3 S t u d yo nH i g h t e m p e r a t u r eO x i d a t i o nP r o p e r t i e so fN e w C o p p e r - b a s e dE l e c t r i c a lC o n t a c tM a t e r i a l s W A N GL i ，Z H A N GX i a o y a n ，L E IY u a n y u a n ，Z H A N GJ u n j i e C o l l e g eo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t H i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o np r o p e r t i e so fn e wc o p p e r b a s e de l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a la tc a s ta n d h e a t t r e a t m e n ts t a t e sw e r es t u d i e d ．M i c r o m o r p h o l o g yo fs u r f a c eo x i d ef i l m sw a so b s e r v e db yS E M ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hc a s tm a t e r i a l s ，h e a t t r e a t m e n tc o p p e r b a s e dm a t e r i a l sh a v eh i g h e r c o m p a c t n e s sa n dc o n t i n u i t yo fs u r f a c eo x i d ef i l m ，l o w e ro x i d a t i o nm a s sg a i n ，a n db e t t e r a n t i o x i d a t i o n p r o p e r t y ． K e yw o r d s c o p p e r b a s e de l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l s ；h i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ；m i c r o m o r p h o l o g y 铜具有良好的导电性和导热性，价格比银低，且 资源丰富，使铜基材料成为银基电接触材料的理想 替代材料。但是铜及铜合金电接触材料在使用过程 中易形成电导率很低的氧化膜，增大触头的接触电 阻，并造成接触电阻不稳定，限制了其在低压电器触 头材料中的应用。因此在低压电器电接触材料的研 发中，铜基电接触材料成为重要的研究方向之 一[ 1 ≈] 。而研究铜基电接触材料的氧化行为，考察氧 化膜对电接触性能的影响，成为低压电器用铜基电 接触材料研究必须考虑的问题之一[ 4 “j 。本文结合 电接触材料的性能要求，研制了添加多种合金元素 以及少量稀土的铜基电接触材料，并研究了该新型 电接触材料的高温氧化行为。 1试验方法 新型铜基电接触材料的名义成分 质量分数 为6 0 ％C u 、3 0 ％N i 、及少量钛、钴、钼和稀土等。 材料制备过程为原料在Z 一0 ．0 1 真空感应熔炼炉中 进行熔炼，浇铸成0 8 0m m 的圆柱形锭坯，挤压至 0 1 5m m ，再进行热处理。热处理工艺为10 7 0 ℃ 1 0h 固溶处理 5 0 0 ℃4h 时效处理。 分别对铸态和热处理态的新型铜基材料进行高 温下的恒温氧化性能试验。试样尺寸为8m m 4 m m 4m m ，在中温箱式电阻炉中进行高温氧化试 验，氧化介质为静止空气，氧化温度分别为8 0 0 ℃和 9 0 0 ℃，氧化总时间3 0h 。每保温1 0h 后，将样品 收稿日期2 0 1 5 - 0 9 2 9 基金项目贵州省科学技术基金项目 黔科合S Y 字[ 2 0 1 3 1 3 1 2 4 号 作者简介王丽 1 9 7 5 一 ，女，贵州都匀人，硕士，讲师． 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y ] ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第4 期 随炉冷却至室温，取出称重，测定其氧化增重△w ， 并计算出单位面积试样的氧化增重A m 。每组试验 采用3 个试样，试验结果为其平均值。用K Y K Y 一 2 8 0 0 B 型扫描电镜观察试样氧化后的表面形貌。 2 试验结果与分析 2 ．1 恒温氧化动力学 根据试样经不同温度和不同时间氧化后的质量 变化，做出新型铜基电接触材料的氧化动力学曲线， 结果如图1 所示。 2 ”i B ．H H l ℃铸态 jl 1 5 2 1 2 5州l3 S 时间／1 1 图1合金的恒温氧化动力学曲线 F i g ．1 I s o t h e r m a lo x i d a t i o nk i n e t i c so fa l l o y 随着氧化时间的增加，试样重量不断增加，但增 重速率下降，氧化动力学遵循抛物线规律。对同一 处理状态的试样，氧化温度越高，增重越大。在相同 的氧化温度下，热处理态铜基材料的增重明显小于 铸态，且热处理态材料在9 0 0 ℃条件下的增重低于 铸态材料在8 0 0 ℃条件下的增重。 恒温氧化动力学的规律可用下述公式表示 △聊 2 一K 。f 1 式中，K 。为抛物线速度常数。 图2 为合金的 A m 2 ～t 关系曲线，根据图2 的 拟合曲线求出的不同状态下的K 。值如表1 所示。 表1材料的氧化抛物线速度常数K ， T a b l e1O x i d a t i o np a r a b o l i cr a t ec o n s t a n t o fm a t e r i a l s 从表1 可看出，同一氧化温度下，热处理态材 料的K 。值均低于铸态材料，大约仅为后者的一半； 热处理态材料在9 0 0 ℃氧化下的K ，值也低于铸态 I J l 日l l h 图2 合金的 A m 2 一t 关系曲线 F i g ．2 C u r v e so f A m 2 一to fa l l o y 材料在8 0 0 ℃氧化下的K 。值。由此可见，热处理态 铜基材料的高温氧化性能明显优于铸态材料。 2 ．2 表面氧化产物微观形貌 铸态铜基电接触材料经8 0 0 ℃、3 0h 氧化后试 样表面的微观形貌如图3 所示，热处理态材料经 9 0 0 ℃、3 0h 氧化后试样表面的微观形貌见图4 。 图3 铸态铜基材料经8 0 0 ℃ 氧化后的表面形貌 F i g ．3 S u r f a c em o r p h o l o g yo fc a s ts a m p l e a f t e ro x i d a t i o na t8 0 0 ℃ 图3 ～4 表明，铸态试样表面氧化膜中出现了较 大的裂缝 图3 a ，而热处理态试样氧化膜未出现裂 万方数据 2 0 1 6 年第4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 图4热处理态铜基材料经9 0 0 ℃ 氧化后的表面形貌 F i g ．4 S u r f a c em o r p h o l o g yo fh e a t t r e a t m e n t s a m p l ea f t e ro x i d a t i o na t9 0 0 ℃ 缝，保持了较好的连续性 图4 a ；比较图3 b 和图 4 b ，二者的氧化产物都呈片状，但热处理态材料氧 化膜的片尺寸明显大于铸态材料，前者氧化膜的致 密程度也高于后者。 2 ．3 讨论和分析 氧化试验结果表明，热处理态铜基电接触材料 的高温氧化性能优于铸态材料。从氧化膜对氧化过 程的影响分析，热处理态试样表面氧化膜的片尺寸 高于铸态材料，致密性也较高，使得其对基体材料的 保护能力优于后者，在一定程度上可降低基材的氧 化速率。经X 射线衍射物相分析，上述试样表面氧 化产物主要由C u O 和少量C u 。O 组成。两种氧化 物的P B R 值均大于1 ，氧化膜内存在压应力E7 ] ；由 图1 可知，铸态铜基电接触材料的氧化增重明显高 于热处理态，前者的氧化膜厚度势必大于后者，造成 前者氧化膜内的压应力更高，氧化膜的破裂倾向大 于后者。当铸态试样氧化膜的厚度增加到一定程度 时，压应力导致了氧化膜的破裂。 通过以上分析可知，与铸态铜基电接触材料相 比，热处理态材料的高温氧化性能更好，更适合用于 制作开关电器的触头元件。 3结论 热处理态铜基材料的表面氧化膜的致密程度和 连续性比铸态材料的要高，热处理态新型铜基电接 触材料的高温氧化性能优于铸态材料。 参考文献 [ 1 ] 王庆福，张彦敏，国秀花．S P S 法制备M g O ／C u 复合材料 抗电蚀性能研究[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 1 4 ，3 4 7 7 8 卜7 8 4 ． [ 2 ] 郭忠全，耿浩然，郭颖．纳米碳管增强铜基电接触材料制 备的优化设计E J 2 ．电子元件与材料，2 0 0 9 ，2 8 3 4 5 4 8 ． [ 3 ] 崔浩，谢明，杨有才，等．含微量N i 、Z r 、R E 的新型铜基电 接触材料组织与性能研究[ J ] ．电工材料，2 0 0 9 1 35 ，9 ． E 4 2 钱宝光，耿浩然，郭忠全，等．B 。C 对铜基复合材料的力 学性能与抗氧化性的影响[ J ] ．材料工程，2 0 0 5 5 4 8 - 5 1 ． E s 3M AJ i n g ，H EY e d o n g ，G A OW e i ，e ta 1 ．T h ee f f e c t o f m i c r o c r y s t a l l i z i n gont h eo x i d a t i o nr e s i s t a n c eo fC u ’C r a l l o yi na i r [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g A ， 2 0 0 8 ，4 8 8 1 ／2 3 1 1 - 3 1 7 ． E 6 ] 邵文柱，崔玉胜，王岩，等．C p ／C u C d 电接触材料大气氧 化动力学研究E J ] ．电工合金，2 0 0 0 3 3 4 3 9 ． [ 7 ] 李美栓．金属的高温腐蚀[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 1 4 5 4 6 ． 万方数据