技术领域
[0001] 本发明涉及电接触材料技术领域，具体涉及一种适用于断路器的铜金刚石触头材料的制备方法及产品。
相关背景技术
[0002] 触头是低压电器的接触部件，其主要功能是接通、切断电路并且承载负载电流。触头材料的性能直接关联着低压电器的可靠性与使用寿命。现今，银基材料是低压电器中常见的触头材料，但由于主要成份是贵金属银，导致生产成本偏高，因此价格相对低廉、导电和导热性能仅次于银的铜，是来代银的理想材料。
[0003] 金刚石是石墨的同素异形体，具有极高的导热性能和高硬度、高耐磨性。在电弧高温的作用下，弥散分布的金刚石和环境中的氧发生反应，生成还原性CO，能够还原铜的氧化物；同时在一定程度上防止触头表面氧化膜的生成。因此，弥散分布的金刚石能提高铜基材料的抗熔焊性能和抗电弧烧蚀性。
[0004] 公布号为CN1787137A的发明专利，公开了一种微量添加元素银的铜‑金刚石电触头材料，具体是通过在铜基体中加入微量金属银、金刚石粉以及锆、铈、铬、铝、镧、钇和铌中的任一其它元素以增强铜基电触头材料的抗熔焊性和电寿命。在制备时，该电触头材料先用机械混粉法将铜粉、银粉、金刚石粉和其它元素进行混料，然后依次经等压成型、真空烧结、挤压成型、轧制或拉拔，最后机械加工成型。该发明混粉时采用机械混合工艺，本领域公知金刚石微粉粒径小、比表面积巨大，容易团聚；另一方面，金刚石微粉与电解铜粉、铜合金粉体体积差异百万倍，因此，采用机械混粉制备铜金刚石中易出现团聚现象，无法将其弥散分布于基体中，影响产品微观成分均匀性和电气性能，进而影响电触点的抗熔焊性和耐电弧烧损力。因此，采用机械混粉制备的铜金刚石材料触头的抗熔焊性能不高。
[0005] 铜金刚石材料触点与触桥焊接强度较差，存在一定是触点脱落风险。公布号为CN202311588150A的发明专利，公开了一种低压电器用的铜基触头材料及其制备方法。该材料由工作层和辅助焊接层组成，通过热轧复合形成结合区域。工作层含有碳化钛、钨、钼、金刚石微粉等成分，旨在提高抗氧化能力和抗熔焊性，而辅助焊接层为T2铜，具有特定厚度范围。制备方法包括混粉、压制、烧结、热挤压、复合热轧、扩散退火以及冷轧等步骤。工作层与辅助焊接层的界面结合为热轧复合和扩散退火，而在实际的氩弧焊封边操作去界面的氧化等过程中，往往难以做到配合良好，热轧复合界面无法保证干净，一定程度上影响了工作层与辅助焊接层的结合强度，存在较大触点脱落的风险；另一方面，该发明为了工作层与辅助焊接层的界面结合，进行了带料喷砂和氩弧焊封边等工艺，既增加了工艺流程，也提高了生产成本。
具体实施方式
[0032] 为了更好的解释本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0033] 实施例1
[0034] 1)称取9.9kg CuSb(0.22)合金粉、0.05kg石墨粉和0.05kg金刚石微粉，备用；
[0035] 2)将上述称取的金刚石微粉、石墨粉和CuSb(0.22)合金粉与15kg水混合均匀调成浆料，用棒销式微米砂磨机进行研磨，研磨时，选用尺寸为 的氧化锆球作为砂磨介质，研磨时间控制在1h，得到金刚石微粉弥散分布的混合粉浆；
[0036] 3)所得粉浆将混合粉浆置于真空度为5kPa、温度为120℃环境中烘干4h，得到粉末状的混合粉；
[0037] 4)所得混合粉置于等静压设备上成型，成型压力为170MPa，得到铜金刚石坯锭；
[0038] 5)使用电弧喷涂机对铜金刚石坯锭喷涂铜层，所使用的喷涂材料为白铜(B19)，控制喷涂厚度为2mm，得到外层为铜层即辅助焊接层的喷涂后坯锭；
[0039] 6)所得喷涂后坯锭置于烧结炉中，在氢气保护条件下进行烧结，升温程序为：先在450℃条件下烧结1h，然后在700℃条件下烧结1h，再在960℃条件下烧结4h，得到烧结后的坯锭；
[0040] 7)将烧结后的坯锭加热至850℃，送入挤压机中按100的挤压比进行挤压，挤压得到一面为工作层、一面为辅助焊接层的带料；
[0041] 8)将挤压所得带料在常温下，按每道次轧制变形量25％进行轧制至厚度为0.65mm，按常规工艺覆焊料得到成品带料；
[0042] 9)将所得成品带料按常规工艺冲压成片状触头，并进行电阻焊接。
[0043] 本实施例制得的触头材料的金相组织如图1所示，其电阻率≤2.4μΩ·cm，密度≥3
8.65g/cm，具有良好的电寿命及分断能力，适用于16A的小型断路器。
[0044] 对比例1
[0045] 1)称取9.9kg CuSb(0.22)合金粉、0.05kg石墨粉和0.05kg金刚石微粉，备用；
[0046] 2)将上述称取的物料置于混粉机中混合2h，得到混合粉；
[0047] 3)所得混合粉置于等静压设备上成型，成型压力为170MPa，得到铜金刚石坯锭；
[0048] 4)所得铜金刚石坯锭置于烧结炉中，在氢气保护条件下进行烧结，升温程序为：先在450℃条件下烧结1h，然后在700℃条件下烧结1h，再在960℃条件下烧结4h，得到烧结后的坯锭；
[0049] 5)将烧结后的坯锭加热至850℃，送入挤压机中按100的挤压比进行挤压，得到带料；
[0050] 6)将挤压所得带料在800℃下，按变形量30％与T2铜进行热轧复合，得到复合带料；
[0051] 7)将所得复合带料在常温下按每道次轧制变形量25％进行轧制至厚度为0.65mm，按常规工艺覆焊料得到成品带料；
[0052] 8)将所得成品带料按常规工艺冲压成片状触头，并进行电阻焊接。
[0053] 本对比例制得的触头材料的金相组织如图2所示，其电阻率≤2.4μΩ·cm，密度≥3
8.60g/cm。
[0054] 实施例2
[0055] 1)称取9.7kg CuTe(0.5)Al(0.1)合金粉、0.1kg石墨粉和0.2kg金刚石微粉，备用；
[0056] 2)将上述称取的金刚石微粉、石墨粉和CuTe(0.5)Al(0.1)合金粉与20kg水混合均匀调成浆料，用棒销式微米砂磨机进行研磨，研磨时，选用尺寸为 的氧化锆球作为砂磨介质，研磨时间控制在2h，得到金刚石微粉弥散分布的混合粉浆；
[0057] 3)所得粉浆将混合粉浆置于真空度为8kPa、温度为120℃环境中烘干4h，得到粉末状的混合粉；
[0058] 4)所得混合粉置于等静压设备上成型，成型压力为150MPa，得到铜金刚石坯锭；
[0059] 5)使用电弧喷涂机对铜金刚石坯锭喷涂铜层，所使用的喷涂材料为白铜(B19)，控制喷涂厚度为3mm，得到外层为铜层即辅助焊接层的喷涂后坯锭；
[0060] 6)所得喷涂后坯锭置于烧结炉中，在氢气保护条件下进行烧结，升温程序为：先在450℃条件下烧结1h，然后在700℃条件下烧结1h，再在960℃条件下烧结4h，得到烧结后的坯锭；
[0061] 7)将烧结后的坯锭加热至850℃，送入挤压机中按100的挤压比进行挤压，挤压得到一面为工作层、一面为辅助焊接层的带料；
[0062] 8)将挤压所得带料在常温下，按每道次轧制变形量25％进行轧制至厚度为0.65mm，按常规工艺覆焊料得到成品带料；
[0063] 9)将所得成品带料按常规工艺冲压成片状触头，并进行电阻焊接。
[0064] 本实施例制得的触头材料的金相组织如图1所示，其电阻率≤2.6μΩ·cm，密度≥3
8.55g/cm，具有良好的电寿命及分断能力，适用于32A的小型断路器。
[0065] 实施例3
[0066] 1)称取9.85kg CuMg(0.3)合金粉和0.15kg金刚石微粉，备用；
[0067] 2)将上述称取的金刚石微粉、石墨粉和CuMg(0.3)合金粉与10kg水混合均匀调成浆料，用棒销式微米砂磨机进行研磨，研磨时，选用尺寸为 的氧化锆球作为砂磨介质，研磨时间控制在3h，得到金刚石微粉弥散分布的混合粉浆；
[0068] 3)所得粉浆将混合粉浆置于真空度为10kPa、温度为100℃环境中烘干4.5h，得到粉末状的混合粉；
[0069] 4)所得混合粉置于等静压设备上成型，成型压力为200MPa，得到铜金刚石坯锭；
[0070] 5)使用电弧喷涂机对铜金刚石坯锭喷涂铜层，所使用的喷涂材料为T2铜，控制喷涂厚度为5mm，得到外层为铜层即辅助焊接层的喷涂后坯锭；
[0071] 6)所得喷涂后坯锭置于烧结炉中，在氢气保护条件下进行烧结，升温程序为：先在500℃条件下烧结1h，然后在600℃条件下烧结2h，再在920℃条件下烧结6h，得到烧结后的坯锭；
[0072] 7)将烧结后的坯锭加热至880℃，送入挤压机中按120的挤压比进行挤压，挤压得到一面为工作层、一面为辅助焊接层的带料；
[0073] 8)将挤压所得带料在常温下，按每道次轧制变形量20％进行轧制至厚度为0.65mm，按常规工艺覆焊料得到成品带料；
[0074] 9)将所得成品带料按常规工艺冲压成片状触头，并进行电阻焊接。
[0075] 本实施例制得的触头材料的电阻率≤2.6μΩ·cm，密度≥8.55g/cm3，具有良好的电寿命及分断能力，适用于32A的小型断路器。
[0076] 在同样的装机条件下，对上述实施例1～3和对比例1制备的触头进行电寿命和短路分断试验，测试方法按《GB/T 10963.1‑2020家用及类似场所用过电流保护断路器第一部分：用于交流的断路器》，短路分断试验条件：试验电压240VAC，短路电流4.5KA；电寿命试验条件：额定电流、电压下4000次电寿命，240次/小时(断开位置13S)或120次/小时(断开位置28S)，功率因数0.85～0.9。结果如下述表1所示。
[0077] 表1：
[0078] 电寿命/次 短路分断试验实施例1 ≥4000 通过
实施例2 ≥4000 通过
实施例3 ≥4000 通过
对比例1 2000～3000 未通过
[0079] 可见，本发明所述方法制备的铜金刚石触头材料较常规机械混粉法制备的触头具有更好的抗熔焊性能。
