国内铜基电接触材料专利综述

1、 第一作者:王岩,女,1973年生,1997年毕业于哈尔滨工业大学,硕士研究生。研究方向:铜基无银触头材料。综述国内铜基电接触材料专利综述王岩崔玉胜邵文柱甄良哈尔滨工业大学材料学院(150001摘要对近20年来低压电器用铜基电接触材料方面的专利进行了归纳整理,对专利中材料的设计思想,特别是与银基电接触材料设计思想的差别进行了分析。同时,对专利实施有可能对材料科学和材料加工领域整体技术进步的促进进行了展望。叙词:铜基电接触材料低压电器专利中图分类号: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前言铜基(包括铜合金及其复合材料电接触材料包括两大类:Cu 2W (WC 类和Cu 2Cr 合金类,它们已成功地应用于高压电器和真空电器中。目前,对于这些材料在

5、电弧理论、材料学及工艺学等方面的研究,旨在理论上的深入和技术上的完善。本文所述的是指近几年来应用于低压电器的铜基材料。低压电器的电触头大都是由含80%90%(质量百分数白银的复合材料制成的,世界上银的产量25%左右是用于制造电工和电子仪器所需的电触头元件1。银作为贵金属,产量有限且价格昂贵,为了节银,全世界在开展降低触头材料中银含量的研究的同时,也在进行以贱金属替代银基材料的研究工作。在这一研究领域中代替银的最合适的元素是铜,因为它在性质上与银最相近。我国从上世纪80年代末开始,兴起低压电器用铜基电接触材料的新热潮。试图制备出新型的铜基电触头材料,使之可完全满足低压电器的各种要求和标准。在铜基

6、电接触材料研制过程中,难于克服的主要障碍是铜基材料氧化时会产生较高的接触电阻。在新型低压开关电器的设计中,从节银的角度出发,触头尺寸较小,接触压力也较低,从而增大了触头的热负荷,故要求触头材料的接触电阻较低。迄今为止,这一研制还没有突破性的进展。现已公布的铜基电触头方面的专利数量虽然不少,但它们的产业化价值较小,其中只有极少部分被付诸于实践。2专利内容及讨论2.1专利及其主要内容近20年来,特别是1994年以后,出现了不少低压电器用铜基电接触材料方面的专利,这些专利可分为两大类:材料发明专利和加工工艺专利。这里着重介绍材料发明专利。对于加工工艺专3利,只收集到3项:专利号:99119340.7

7、,离子注入电工触点;专利号:99244258.3,离子注入电工触点;专利号:CN86107636,触头材料的生产方法。材料发明专利共收集到14项,其中除3项已撤消外,还有11项专利及其权利要求内容(见表1。2.2分析和讨论表1中11项材料发明专利所涉及的材料成分十分丰富,种类繁多。其中金属元素达20多种,非金属元素近10种,稀土元素3种;氧化物3种,碳化物6种。这一方面说明,低压电器用铜基电触头材料近些年来已引起研究者的关注;另一方面也说明,该研究方向正处于探索之中,它依旧沿袭银基电接触材料的设计思想,尚没有形成针对铜基材料的整体的设计路线。表1低压电器用铜基电触头材料发明专利及其权利要求内容

8、一览表序号专利号专利名称权利要求书内容1CN87103076铜基合金电触头材料(1一种电触头用无银复合材料及生产工艺,其特征是,含碳化钨3%10%(质量百分数,下同,石墨2%5%,余量为铜(2根据权利要求1的铜基合金材料,其特征是含碳化钨5%,石墨3%,余量为铜(3根据权利要求1的铜基合金材料,其特征是含碳化钨9%,石墨2%,余量为铜(4根据权利要求1的铜基合金材料,其特征是含碳化钨3%,石墨5%,余量为铜2CN94102452.0铜基低压电工触头合金材料铜基低压电工触头合金材料,其特征在于该材料基本上由如下合金组成(%:金刚石0.55.0,镉0.12.0,余量为铜3CN96115149.8铜

9、基粉末合金电触头材料(1一种铜基粉末合金电触头材料,其特征在于基本组分含量(%为:碳化硼微粉(B4C0.24,金刚石微粉(C00.4,余量为已知的铜镉合金(2如权利要求1所述的电触头材料,其特征在于:其中的碳化硼微粉可用等量的碳化硅代换(3如权利要求1所述的电触头材料,其特征在于:其中的已知铜镉合金组分原则上可用其他任何具有良好导电性的二元或多元铜合金代换4CN96114683.4低压电器用铜合金触头材料一种低压电器用铜合金触头材料,其材料的成分及配比(%为:镉0.1 5,铈0.0012.5,铅0.012.5,钽0.15,余量为铜5CN97106092.4低压电器用铜合金触头材料(1一种低压电

10、器用铜合金触头材料,其材料的成分及质量(%为:镉0.15,碳0.15,碳化物0.110,硼0.13,余量为铜(2根据权利要求1所述的触头材料,其特征是:碳化物可选为碳化铌、碳化钽及两者混合物6CN97125818.X低压电器用特种合金电触头材料一种低压电器用特种合金电触头材料,其材料的成分配比(%为:碳0.13,碳化钒0.55,碳化铌0.510,氧化锆0.55,氧化镧0.01 1,碲0.11,铅0.55,硒0.11,铜余量4(续表1序号专利号专利名称权利要求书内容7CN98120087.7铜基无银无镉低压电工触头合金材料(1(143,一种铜基无银无镉低压电工触头合金材料,其导电第一相核心组元是

11、铜,第二相骨架组元是金刚石,其特征在于第三相添加组元是起到改善电接触表面液相附着力,减少接触表面及触头基体裂纹的形成与扩展,最终达到降低电弧侵蚀作用的非镉和镉氧化物的金属元素或非金属元素;所述第三相添加组元可以是包括有以下元素或元素的组合中的一种,可以是锌(0.2%10%,可以是锡与铟的组合(0. 1%12%,0.1%10%,可以是铬(0.1%10%,可以是镁(0.1% 10%,可以是铝与铋的组合(0.01%5%,0.01%5%,可以是铷和锶的组合(0.01%5%,0.01%5%,可以是钇和锆的组合(0. 01%5%,0.01%5%,可以是硅与锗的组合(0.01%5%,0.01% 5%,可以是

12、镍(0.1%30%,可以是锑(0.01%10%,可以是铍与铌的组合(0.01%10%,0.01%5%,可以是钨与钼的组合(0. 1%10%,0.1%10%,可以是镓和镧的组合(0.01%10%,0. 01%5%;其成分配比(%为:第二相骨架组元金刚石为0.28,除第三相添加组元外,其余为铜8CN98116484.6电触头用无银触头材料及其生产工艺(1一种电触头用无银复合材料及生产工艺,其特征在于材料的质量(%是:碳化钨0.220,钴或镍或两种元素任意比例混合物0.5 10,钙或锶或钡任一种0.031.5,铜68.599.27(2如权利要求1所述的一种电触头用无银复合材料的生产工艺,其特征在于,

13、首先按比例称取各粉料并粉碎至300目以上,充分混合后,在压力机上于0.30.5GPa压力下预成型,然后将预压件置于烧结炉中,在6001100°C、氢气或惰性气体保护下烧结,最后将坯经0.61.0GPa压力复压而成(3根据权利要求2所述的电触头用无银复合材料的生产工艺,可将烧结体经锻、轧、冲制成片状触头;或烧结后经锻、轧、拉,也可直接挤成线材,线材调整后可镦制成复合或整体铆钉式触头998110906.3铜基无银电工触头材料(1一种铜基无银电工触头材料,其成分配比(%为:钼:1.51.8,金刚石0.40.5,镉1.52,镧0.0040.005,铜余量(2如权利要求1所述铜基无银电工触头材

14、料,成分中可以增加铌,其成分配比(%为:钼1.51.8,铌0.20.5,金刚石0.40.5,镉1.52,镧0.0040.005,铜余量1099112292.5铜基粉末合金电工触头材料(1一种铜基粉末合金电工触头材料,其特征在于主要组分的含量(%为:金刚石粉0.62.0,镉1.72.2,镧铈合金粉0.0020.1,三氧化二铝0.062.0,余量为铜(2按照权利要求1所述的铜基粉末合金电工触头材料,其特征在于镧铈合金的含量(%为:0.0020.01,三氧化二铝的含量为0.06 0.51101103263.4电触头用铜基复合材料一种电触头用铜基复合材料,其特征在于:材料的成分配比(%为:碳0.12.

15、0,碳化钨0.011.0,镉0.14,碳化铌0.55,镍0.53,氧化铝0.55,氧化镧0.012,硅0.11,硼0.11,铜余量3注:原专利中权利要求书中为14项,限于篇幅,仅摘要其内容。5分析上述各专利中所添加的组元相,可以发现以下特点:(1基体合金化。如前所述,与银相比,铜作为电接触材料的最大弱点在于容易氧化,形成绝缘或半导体导电性的氧化膜,使接触电阻升高。因此,增强铜基材料的抗氧化物,是铜基电接触材料设计的首要任务。合金化可以提高铜基材料的抗氧化和耐腐蚀性能。文献3,4曾对Cu2Cd合金在低温条件下的氧化和腐蚀方面的性能进行过研究并且发现,镉的添加对合金在氧化介质中的稳定性有不同程度的

16、影响。当镉含量<1%时,通过对添加各种合金元素的铜合金的性能对比可知,添加镉对铜基体的电阻率影响较小5。并且,由于镉的电离能较高,熔点和沸点较低,在电弧的高温作用下可以迅速分解挥发,带走触头表面的热量,冷却电弧,起到灭弧作用。镉含量过高时(>2.0%,虽然燃弧时间缩短,但材料脆性增大,也会对触头材料的导电性能产生很不利的影响6。铟、铪、碲和锆等元素也能起到与镉相似的作用。由于镉的毒性较大,所以在一些新型设计的电接触材料中,明确提出了“无镉”的概念,例如,表1中序号7专利就是一个典型。随着社会对环保要求越来越严格,“无镉”的理念必然会得到推崇,采用其他合金化元素代替镉元素可能会成为一

17、种趋势。但与其他行业应用的含镉材料带来的副作用相比,电接触材料中镉的毒性对环境和人类的危险程度,目前还缺乏量化的数据资料。基体合金化除了可以提高合金的抗氧化性以外,还可以提高合金的强度和耐磨性。一般合金化元素在铜中都具有有限的固溶度,可以采用时效强化处理,获得细小弥散分布的强化相组元。(2稀土元素的抗氧化作用。微量稀土元素对铜合金的氧化有抑制作用2,在这种情况下,氧化膜生长缓慢的机制可能与使铜离子在生成膜中扩散速度衰减有关。分析认为,这是由于在氧化膜的晶格中有三价阳离子,其中包括La3+的存在。从理论角度来看,这种解释并不充分,但从实际测试研究结果却表明,微量稀土元素对铜合金抗氧化性的提高作用

18、十分明显。表1的11项专利中,有7项专利添加了稀土元素。稀土元素的含量过高时,对铜合金抗氧化性的提高贡献不大7。由于稀土元素的电离能较低,过高的稀土含量,会降低材料的起弧电压,使材料的抗电弧烧蚀能力下降。因而,稀土元素的选择、作用机理和最终使用效果尚需深入研究。(3抗烧蚀骨架相的添加。在电接触材料设计时,通常加入高熔点难熔金属或陶瓷相,例如银基材料中通常加入氧化锡、氧化铜、氧化铝和氧化镉,以及钨、碳化钨等组元。其目的在于通过弥散强化提高材料的强度和耐磨性,通过相变吸收能量和增大熔池粘度提高材料的抗烧蚀性8。上述材料设计观念在铜基电接触材料设计中也被采纳,表1的11项材料发明专利中的成分,无一例

19、外地添加了难熔金属或陶瓷相。与现行的银基电接触材料相比,表1专利中的一个突出特点是:约有近半数的专利中采用了金刚石微粉。金刚石具有熔点高(3700°C、硬度大、耐磨损等性能。在铜基体中加入细小的金属石颗粒,可起到强化作用,提高硬度和耐磨性,这就要求金刚石粒子在材料中应弥散均匀分布。在粉末冶金触头材料中加入碳(如石墨,可有良好的抗熔焊作用9,10。从材料的成本看,金刚石含量提高会导致产品成本急剧增加。据报道11,碳是惟一可加速铜及其合金腐蚀的元素,但文中并未阐明所加入的固态碳(金刚石或石墨是否能加速氧化作用。在材料制备中,烧结过程会在金刚石颗粒表面产生石墨化12,于是在金刚石颗粒与铜基

20、体直接接触处会有石墨态碳存在。虽然研究表明,在铜基材料烧结温度下,金刚石颗粒只有一小部分(不超过1%2%可能发生石墨化,但在界面上石墨层的作用却可能较大,并有可能引起一定的宏观效果。文献13中并未解释碳对铜及其合金氧化动力学产生影响的原因,引起这种变化的机制并不是显而易见的,需要专门去研究。(4低固溶度抗氧化金属组元。有个别专利提出了添加铬、钼、铌和钽等在铜基体中固溶度极低的元素,显然,这些元素的加入对提高基体的抗氧化性能、强度和抗烧蚀性能具有一定作用。从添加量来看,这比较符合“导通理论”设计14。因此,可以将上述元素的添加理解为导通相构成。62.3专利实施对材料科学发展的促进在上述专利中,也

21、存在一些难于理解的设计,除了理论上可以理解或解释的合金化处理外,还有一些元素解释的合金化方式。例如,添加一些明显会引起材料脆化或铜合金必须严格控制的杂质类的组元;添加元素的比例范围明显过宽,甚至于出现无法制备的合金成分。对此种现象惟一的解释可能是出于专利保护的考虑。同样可能是出于对工艺方法和参数保密的原因,上述专利对于材料加工工艺的阐述较为简单。但事实上,上述专利实施时,存在一些材料工艺学领域中共性的难题。这些问题的解决,将会促进电接触材料、材料学以及工艺学的总体发展。(1超细相的均匀、弥散分布工艺。微米、亚微米和纳米级超细第二相的添加,是上述专利的总体特点。这类材料的制备过程中,避免超细相团

22、聚并使之均匀弥散分布的工艺问题的解决成为一个关键的工艺环节。这个问题是目前材料加工领域最为复杂的问题之一。这个问题的解决,对于颗粒增强金属基复合材料的制备、陶瓷及其复合材料的制备以及先进纳米材料的制备和应用都是十分重要的。上述专利实施过程中,必然尝试利用各种传统和非传统的方式,解决超细粉或团聚或分散问题。其成果必将为这个材料加工领域的关键问题的解决,提供基础的数据和创新的理念。(2陶瓷相与基体之间的结合。对于含有陶瓷相的导电材料来说,陶瓷相与导电基体之间的浸润性,是金属陶瓷材料研究最为关心的问题之一。如果陶瓷相与基体之间的结合不牢固,硬质点的加入使触头材料变脆,在受到电弧和冲击力综合作用时,材

23、料表面易于产生裂纹,造成触头材料失效。上述专利内容中,已经提及采用包覆粉末等改善相间润湿性的方法,这种研究必将促进金属陶瓷材料工艺方法的进步。(3材料表面膜的形成与控制。铜基材料作为电接触材料的最大弱点在于其抗氧化能力不强。因此,新型电接触材料的表面膜结构和导通性,必然成为这一领域必须深入研究的内容之一。通过确定表面膜厚度与接触电阻的定量关系以及影响表面膜生长的因素,达到控制膜层生长的目的。目前,铜基材料氧化膜结构和氧化动力学研究还局限于高温领域,对于较低温度和常温条件下氧化问题研究的数据还很少。这方面的研究必将促进人们对于铜基材料氧化行为的全面认识,同时,为界面扩散理论研究提供新的数据。此外

24、,采用各种微观测试方法研究表面膜结构,不仅会促进表面及界面研究方法,还可以促进材料学表面技术研究领域的发展。3结束语综上所述,本文所涉及的大量专利的出现说明这个领域的研究有了进一步的发展,这也是市场需求的一种体现。从专利分析来看,铜基材料的设计思想有一定的进展,但还没有完全突破银基触头材料的设计理念。低压电器对电接触材料的要求是复杂的、多样的,有时甚至是矛盾的,任何一种材料都不可能满足所有电器的性能要求,任何一门单一的学科都不可能解决电接触材料设计的所有问题。这就要求电接触材料的设计和研究者不要仅仅局限于自身的专业(材料学或电器学方向去研究。低压电器用铜基电接触材料的研究工作才刚刚开始,上述专

25、利所设计的材料虽然有了一定范围,但有许多理论和实践问题尚未解决,这方面的研究工作还有很长的路要走,这就需要更多关心电接触材料的专家、学者进行深入地探索和研究。参考文献1邵文柱,崔玉胜,杨德庄.电接触材料的发展与现状J.电工合金,1999,(1:11352,.J.,1985,2002033,.J.2,1989,(6:576578(下转第39页7基于 Modbus 和 Device Net 总线技术的可通信智能电动机保护器 低压电器( 2003 4 4 结 语 可通信智能电动机保护器是构成智能化 、 可 通信电控系统的关键元器件之一 , 代表了电动机 保护器的发展方向 。本文介绍的基于 Modbu

26、s 和 DeviceNet 总线技术的可通信智能电动机保护器 图4 可通信智能电动机保护器的结构构成 保护器的结构设计有以下主要特点 : ( 1 主体模块面板采用 45 cm × cm 标准 45 模数设计 ,便于在标准控制柜面板上安装 ,提高了 通用性 。 ( 2 主体模块和电流监测模块之间采用卡轨 安装方式 , 信号传递通过标准 RJ 45 网络线便于 安装和维护 ,提高了现场调试的灵活性 。另外 ,通 过选配不同规格的互感器模块 , 主体保护模块不 变 ,该保护器可方便使用在不同电流等级场合 ,节 约了用户成本 。 ( 3 接线端子呈阶梯状一边布置 , 在和接触 器配合时便于接线 。 更加符合电动机实际运行情况 , 各项保护动作特 性与传统的热继电器型产品相比 , 具有较高的保 护精度和灵敏度 , 可靠性高