稀土改性B4C增强铜基电触头材料的制备与性能*

李 岩，宋美慧，张 煜，李艳春，张晓晨

（黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150028）

稀土改性B4C增强铜基电触头材料的制备与性能*

李 岩，宋美慧*，张 煜，李艳春，张晓晨

（黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150028）

以制备高性能铜基电触头材料为目的，采用稀土盐改性碳化硼颗粒对复合材料进行增强处理，利用硬度计、电导率仪、密度测定仪以及热导率仪等分析测试方法对复合材料性能进行分析测试。结果表明，改性B4C作为增强材料可以有效提高材料的硬度、导电和导热性能。当复合材料的质量比为：m改性碳化硼∶m铋粉∶m铜粉=2:2:96，压力在500MPa，烧结温度为900℃的条件下，电触头材料的性能最优，其中硬度可以达到179HB，电导率为 38.308Ms·m-1，热导率为 262W·（m·k）-1，密度为 7.9515g·cm-3。

电触头材料；稀土盐；改性碳化硼；硬度；导电和导热性能

电触头是高、低压电器中的关键性元件，担负着接通和分断电流的任务，其性能的好坏直接影响开关和电器运行的可靠性及使用寿命[1]。传统Ag基触头易硫化，易磨损，寿命波动较大[2,3]。铜具有很高的导电性、导热性、耐蚀性和优良的工艺性能，是作为替代Ag的最佳材料[4-6]。但是Cu用作电触头材料的主要障碍在于表面容易氧化，且氧化物具有极低的电导率，急剧增大了接触电阻，使材料在使用中容易发热，直接影响电接触开关的工作可靠性[7-9]。此外Cu材料的导电性与强度难以兼顾，即导电率高则强度很低，强度的提高是以损失电导率为代价[10]。因此，Cu及一般的Cu合金难于满足电触头材料的综合要求。因此，解决Cu的上述缺点是将其应用于电触头领域的前提。

本研究使用B4C作为增强体添加到Cu中形成B4Cp/Cu复合材料，预期将具有满足电触头材料的优异性能[11]。但是B4C与Cu不润湿，通过将稀土或稀土化合物引入B4Cp/Cu复合材料中，提高B4C-Cu界面润湿性和界面结合强度，在制备过程中采用高能球磨混粉工艺和粉末冶金烧结工艺，研制出一种新型带有稀土的B4Cp/Cu复合材料，以满足中低压电器用电接触材料的综合性能要求[12]。

1 实验部分

1.1 实验材料

使用 Y（NO3）3·6H2O作为表面改性剂对 B4C颗粒（粒径为200目）进行改性。将稀土盐改性B4C颗粒（粒径为200目）、铜粉（粒径为200目）和铋粉（粒径为300目）混合，进行球磨混粉，混粉时间为2h，球磨采用行星式球磨机；球磨所用料球为6mm和10mm的钢球，球料比为15∶1；将混合粉末在压力为500MPa的条件下进行压制，保压2min；将预制件放入真空烧结炉中，在900℃条件下烧结，然后随炉冷却至室温，得到改性B4C增强铜基电触头材料。

1.2 试验方法

采用HBRV-187.5型布洛维硬度计测定布氏硬度。试验参数为载荷F=612.9N，压头直径D=5mm，载荷保持时间为30s。用精度为1×10-3g的AE124J密度天平，采用浮力法确定固体密度。复合材料电导率采用SIGMATEST 2.069型涡流电导仪进行测量，测试频率60kHz。测试材料电导率单位为%IACS。复合材料与基体的热导率测试在德国Thermal Diffusivity NETZSCH LAF 427 Analysis激光导热分析仪上进行。

2 结果及讨论

2.1 B4C的稀土改性工艺

以无水乙醇为溶剂，按照 Y（NO3）3·6H2O 的浓度为1mol·L-1，配置稀土盐溶液，按照B4C粉体的质量与Y（NO3）3·6H2O溶液的体积比为1g∶10mL的比例，称取B4C粉体，将稀土硝酸盐溶液保持在20～25℃的恒温，然后加入B4C粉体，搅拌1h，洗涤干燥，将干燥后的粉体放入温度为500℃的马弗炉中烧结1h，得到稀土盐改性的B4C粉末。

图1（a）-（c）稀土改性B4C粉末的形貌照片。

由图1可以看出，由稀土盐改性后的B4C粉末表面形成了Y2O3涂层。

图1 改性B4C粉末的形貌照片Fig.1 SEM photographs of modification B4C

图2 中稀土改性B4C粉末的能谱图，可以进一步证明Y2O3涂层存在。说明稀土改性成功。

图2 改性B4C粉末的能谱图Fig.2 Energy spectrum analysis of modification B4C

2.2 改性B4C的添加量对材料性能的影响

图3～6分别给出了材料的致密度和硬度随改性碳化硼的质量分数的变化情况。

图3 改性B4C量对材料硬度的影响Fig.3 Hardness with different mass fraction of modification B4C

图3 显示了稀土改性B4C加入量对材料硬度的影响，可以看出，随着B4C加入量的增加，材料的硬度也逐渐增大，当B4C的量为3%时，其硬度达到最大值，当B4C的量继续增加时，其硬度值开始下降。这是由于加入适量B4C时，随着B4C量的增加，它们均匀弥散分布在基体上，阻碍了位错运动，强化了基体，从而引起材料的硬度增大。但B4C加入量过高时，会影响颗粒间的结合程度，降低材料的致密度，使材料的硬度下降，致密度变化详见图4。

图4 改性B4C量对材料致密度的影响Fig.4 Density with different mass fraction of modification B4C

如图5所示，铜基复合材料的电导率随着改性B4C的增加而减小，其原因是B4C本身不导电，加之在铜基体中的弥散分布增大了对电子的散射，导致导电性能的下降。

图5 改性B4C量对材料电导率的影响Fig.5 Conductivity with different mass fraction of modification B4C

图6 改性B4C量对材料热导率的影响Fig.6 Thermal conductivity with different mass fraction of modification B4C

由图6可见，复合材料的热导率随着改性B4C的加入而增加，可是当加入量大于3%时，由于材料的致密度下降而影响了材料的导热性能，因此，复合材料的热导率明显下降。

2.3 Bi粉的添加量对材料性能的影响

纯铜在电接触材料工作过程中表现易生成CuO或Cu2O组成的氧化膜，在长期工作状态下，导电率较差的氧化膜会集中覆盖在电接触材料的表面，接触电阻迅速增大，在电弧高压作用下，接触表面升温过高，甚至产生熔焊现象，从而导致电接触材料时效，因此，在铜基体中加入适量的Bi不仅能有效提高电接触的抗熔焊性能，还能防止复合材料接触表面的铜基体氧化现象的发生。添加Bi以及添加量对材料性能影响详见以下几个方面。详见图7～9。

图7 Bi量对材料硬度的影响Fig.7 Hardness with different mass fraction of Bi

图8 Bi量对材料致密度的影响Fig.8 Density with different mass fraction of Bi

Bi粉添加量对材料的致密度和硬度均有影响，当Bi的添加量为2（wt）%时，Bi粉能够完全熔于铜基体中，从而表现出最佳的硬度，可以达到179（HB），致密度也可以达到99.6%。复合材料的电导率随着Bi粉量的增加而增加，而当大于2（wt）%后，材料的致密度下降，影响电导率的表现，因此，Bi粉的最佳添加量为 2（wt）%，电导率可以到 66%IACS，见图 9。

2.4 压制工艺对材料性能的影响

采用钢模模压成形，压力机型号为YES-3000（济南东测试验机技术有限公司）。为了减小钢模内表面在压制时的摩擦力，提高压坯的强度，在每次压制前在钢模内表面均匀涂一层的硬脂酸锌。压制压力 300、350、400、450 、500 和 550MPa，保压时间30s，模具材料是冷作模具钢Crl2，生坯端面是φ60×5mm，每次压制时的装粉量经由电子天平称量。图10～12为不同压力下材料密度、致密度、硬度和电导率的变化情况。

图10 压制压强对材料致密度的影响Fig.10 Density with different pressure

图11 压制压强对材料硬度的影响Fig.11 Hardness with different pressure

图12 压制压强对材料电导率的影响Fig.12 Conductivity with different pressure

复合材料的密度和致密度随着压力的增加而增加，当压力过小时，试样不易成型，且致密度不够高，影响试样最终的性能。压力过大对试样致密度的提高效果不明显，且压力过大，试样与模具之间的摩擦力越大，侧压力以及弹性内应力也相应提高，起模也越困难，对模具的寿命不理；另外压制压力过高，试样容易产生分层，这由压制压力过高时弹性后效明显增大导致。因此，最终确定压制压力为500MPa。

3 结论

（1）经过稀土盐的改性处理后，B4C粉体与Cu界面润湿性得到改善。

（2）确定复合材料的最佳添加量以及压制工艺。

（3）得到的铜基电触头材料性能如下：硬度为179HB；致密度达到99.6%；电导率为66%IACS；热导率可以达到 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

黑龙江省科技成果转化引导资金项目资助（No.GC15F004）

李 岩（1983-），女，黑龙江人，硕士，助理研究员，主要从事金属基复合材料的研究与应用开发工作。