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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)

1 700 15 51.2 2.95
2 700 20 54.4 2.63
3 700 25 56.1 2.51
4 750 15 52.1 2.72
5 750 20 57.3 2.54
6 750 25 57.4 2.45
7 800 15 56.4 2.5
8 800 20 56.6 2.52
9 800 25 - -

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2min，采用的试样尺寸为40×40mm的方形。
2.2.2一次烧结
为了确定最佳烧结温度，对试样进行了DSC差热分析，实验结果见图3。试样的熔点为1068.4℃，在600℃左右产生液相，低熔点组元发生熔化。试验采取部分液相烧结，烧结的主要目的是使颗粒之间结合更加紧密，消除内应力，有利于提高试样的密度，从而改善其性能。理论的液相烧结温度约为0.7～0.8T绝对熔点，通过前期试验并参考DSC结果，确定一次烧结温度为900℃。保温时间2h。

图3 试样DSC分析结果

2.2.3二次压制
二次压制的主要目的是使一次烧结后的试样结构更加紧密，提高其致密度，从而可以提高其力学性能和导电性能。通过研究，确定二次压制压力为700MPa，保压时间为3min。
2.2.4二次烧结
二次烧结是将二次压制后的试样进行的烧结。主要目的是，消除二次压制所产生的内部应力，通过退火使试样中的气泡及孔隙减少，提高试样的力学和导电性能。依据铜合金退火温度的相关标准确定，二次烧结的温度为580℃,保温时间为40min。

3 不同工艺制备材料组织性能的研究
3.1 抗氧化性能
铜及铜合金被用作电接触材料的最大障碍在于它们易于形成氧化膜，从而影响其工作稳定性。热压工艺和冷压工艺制得试验材料抗氧化性对比如图4所示。可以看出，用两种方法制的试验材料的抗氧化能力相对于纯铜Cu来说都有了很大提高。方法？
同时可以看出，随着时间的增长由热压工艺制得的新材料增重平缓，而冷压制得的新材料随时间增长较快。这主要是因为，热压工艺制得的材料致密度高，内部空隙少，材料表面氧化后氧化膜阻止了内部材料的进一步氧化。而由冷压制得 的材料，内部空洞较多，材料表面氧化后又进一步向材料内部腐蚀。所以氧化增重不断增加。故由热压工艺制作的新材料在河大程度上已经克服了铜及铜合金易于氧化腐蚀的特性，为新材料能够投入到生产应用提供了支持。

图4 氧化增重对比试验

3.2 电性能
3.2.1 电阻率
大气环境下影响电接触头材料导电率的主要是接触电阻。它主要由膜层电阻和会聚电阻组成。膜层电阻主要受膜层厚度的影响。会聚电阻，主要与触头材料的电阻率和两触头的接触点数有关。在会聚电阻一定的情况下，要想提高导电率只有降低膜层电阻。根据霍姆(Holm)理论,流过膜层的电流是通过隧道效应完成的。膜层电阻为
（3-1）
式中，S——接触面积,ρt——单位面积隧道电阻率，——相互电阻的霍姆(Holm)半径。单位面积电阻率ρt主要受膜层厚度的影响，二者的关系曲线如图4所示。当膜层厚度小于300nm时, 随膜层厚度的增加, ρt增加较小，膜层电阻增加也较小,在10mΩ的范围内；当膜层厚度大于300nm时, ρt增加较快，膜层电阻增加也很快,直至绝缘[5]。
由热压制得的新材料氧化膜厚度在100nm~500nm之间。而由冷压工艺制得的新材料氧化膜厚度一般远大于300nm至几微米。故真空热压工艺可以减小材料表面氧化膜厚度，因此有效的降低了材料的膜层电阻。从而使材料在工作状态下保持良好的电稳定性。热压法制得试验材料电阻率最低可达2.45µΩ*cm。

图5 隧道电阻率与膜层厚度的关系曲线[]

3.2.2抗熔焊性能
在电强化装置上对材料进行的电触头强化试验，设定实验参数为，电流I=60A，试验总运行时间1小时。对采用不同工艺制作的新材料以及常用的银基电触头材料进行了抗电弧侵蚀、抗熔焊性能试验。表面熔焊对比情况如图6所示。
可以观察到，在A大电流的试验条件下，采用冷压工艺制备的试验材料熔焊表面分布着均匀的金属液滴，这是由于材料在大电流的作用下发热发生熔焊、喷溅所致。银基触头表面烧蚀情况较严重，熔焊表面也产生熔焊、喷溅，而且有一些较大的空洞。主要是在工作过程中，焊接点在大于分断力的外力作用下,产生范性形变,在材料内部的夹杂物、析出相、晶界或亚晶界处产生应力集中,形成显微孔洞。与银基材料相比，铜基的表面熔焊没有明显的空洞，这说明新材料抗熔焊性较好，铜基材料中所加的高硬度B4C组分起到了明显的抗熔焊作用。热压工艺制得试验表面烧损情况得到进一步改善。分析原因主要是热压工艺显著提高了材料的致密度所致。

（a）冷压制新材料 （b）热压制新材料 （c） 银基材料
图6试样表面烧蚀SEM照片

3.3力学性能
通过热压方法制得的新材料硬度可达58HB，而由冷压工艺制得新材料硬度最大只有54HB。图5为两种工艺下制备材料微观组织结构的对比。其中黑色片状物为所加入的硬质相，并含有部分空隙。可以看出，冷压工艺制得的材料硬质材料呈大片、簇状分布，其中包含较多的空隙。而由热压制得的材料，硬质相颗粒更小，分散更均匀所包含的空隙也就越少，？
所以硬度就更高。材料在变形过程中，位错移动遇到硬质相粒子，位错便会在其周围留下位错环，使后来的位错难以通过，抵抗，使材料的强度增大。其强化机理可用orowan机理[6]来解释。试验对新材料进行了分析，SEM扫描照片见图7。

（a）冷压工艺制材料 （b）真空热压制材料
图7 铜基试验材料SEM观察照片

3．4 性能综合评价
通过对比以上性能可以得出，采用热压工艺制作的新型铜基电接触材料，在抗氧化性能、电学性能、力学性能等方面比传统工艺制作的材料都有一定的提高。铜基试验材料与市场上其他电触头材料相比，具有优良的综合性能，性能对比如表2所示。更重要的是，铜基试验材料制作工序简化，成本显著降低，使新材料具有很好的市场前景。

表2 铜基试验材料与现有几种触头材料主要技术性能比较[7、8]

触头材料 布氏硬度（HB） 电阻率(μΩ*cm) 抗拉强度(MPa)

新材料 57～65 2.4～2.8 240～260
CuCr25 105 3.4 290
40Cu60W 78～86 4.6 -
95Ag-5C 45 3.2 -
50Ag-50WC 65 3.0 180
85Ag-15CdO 65 2.38 255

4 结论
（1）以铜为基体加入多种微量元素，并采用真空热压烧结法制作了一种铜基电接触材料。新材料具有良好的综合性能，比较银基电触头大大降低了成本，简化了工艺。
（2）采用热压新工艺制作的新材料，电阻率可达2.45µΩ*cm，硬度达57.4HB，密度可达8.35g/cm3，烧结温度750℃。
（3）新材料在各项性能方面如电学性能、力学性能、抗氧化性、抗熔焊性能都有大幅提高。
参考文献
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[4] Murray P.,Rodgers E.P.,Williams A.E.Practical and theoretical aspects of the hot pressing of refractory oxides[J].Trans.Brit Ceram. Soc,1954,53(8):474-510
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[6] 侯增寿，卢光熙.金属学原理.上海科学技术出版社，1990
[7] 邵文柱，崔玉胜，杨德庄.电触头材料的发展与现状.电工合金，1999，（1）：11-35
[8] 张万胜．电触头材料国外基本情况[J]．电工合金，1995，（1）：1～20