本文關(guān)鍵詞：基于熱壓工藝的高性能銅基電接觸材料的制備及性能研究

  更多相關(guān)文章： 銅基電接觸材料 真空熱壓 高性能 致密化 層狀結(jié)構(gòu) 氮化鈦

【摘要】：電接觸材料主要應(yīng)用于電器開關(guān)系統(tǒng)中,其性能的優(yōu)劣直接影響到整個傳輸系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。近年來,接觸材料制備方法不斷發(fā)展、種類不斷增加,銅基電接觸復(fù)合材料的研究也隨之越來越受到人們的重視。一般而言,提高粉末冶金制品性能最有效的手段主要是提高材料的致密度,致密度的提高手段主要有復(fù)壓復(fù)燒、熔滲、熱鍛和熱壓工藝等。研究表明,利用熱壓工藝可以制得致密度大且組織均勻的高性能制品,且可以一次成型。因此,此方法已經(jīng)在各種先進金屬基及陶瓷基復(fù)合材料的制備中廣泛應(yīng)用。本論文根據(jù)接觸材料的各種性能的使用要求,采用先進的粉末冶金工藝—真空熱壓燒結(jié)工藝,制備了高性能的銅基電接觸復(fù)合材料。首先通過粉末冶金法,研究了稀土釔對純銅的組織和性能的影響;進而采用熔煉制粉工藝制備出新型Cu-Re合金粉,研究不同量和不同種類的稀土元素對接觸材料的影響,并以此為基體,確定最優(yōu)的熱壓燒結(jié)工藝參數(shù),并對其致密化機理進行探討分析;在此最優(yōu)的工藝參數(shù)下,制備出了高性能的層狀結(jié)構(gòu)銅基電接觸復(fù)合材料,并探討了氮化鈦、氮化鋁對銅基電接觸復(fù)合材料組織與性能的影響。研究結(jié)果表明:(1)通過正交試驗,采用熱壓燒結(jié)和冷壓燒結(jié)工藝研究了稀土釔對純銅組織與性能的影響,對兩種工藝制備的試樣進行了性能對比,并確定了熱壓工藝和冷壓燒結(jié)工藝在制備Cu-Y復(fù)合材料時的最佳工藝參數(shù),得出冷壓燒結(jié)工藝下的最優(yōu)壓制壓力是熱壓工藝的20倍,燒結(jié)溫度也較高。熱壓工藝所制備的Cu-Y復(fù)合材料的綜合性能明顯優(yōu)于冷壓燒結(jié)工藝制備的試樣。釔的添加使得銅材料的硬度和抗氧化性能均得到提高,起到了顆粒增強的作用。但是,釔的加入對銅的導(dǎo)電性能有不利影響。當(dāng)釔的添加量為0.5wt.%時,材料具有較好的綜合性能。(2)采用霧化法制備了Cu-Re合金粉,探討Y、Ce、La三種稀土元素對銅基電接觸材料性能的影響。研究表明:稀土Y主要分布在純銅的表面,隔絕了空氣與部分顆粒表面直接接觸,同時細化了純銅顆粒,改善了界面性能,從而提高顆粒與基體的結(jié)合性能。隨著稀土在銅合金粉中含量的增加,試樣的致密度和電導(dǎo)率呈下降趨勢,但硬度上升趨勢明顯。試樣致密度和抗氧化性由高到低順序為:添加Y、Ce、La稀土的試樣,且添加Y和Ce試樣的致密度和電導(dǎo)率相差不大。添加不同稀土成分均能提高其抗氧化性能,當(dāng)稀土在銅合金粉中含量為0.2 wt.%時效果最佳。(3)通過單因素實驗分析研究了熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)(預(yù)壓壓力、保壓壓力、燒結(jié)溫度、保溫時間等)對電接觸材料的致密度和導(dǎo)電性能的影響,確定了制備銅基電接觸復(fù)合材料的最佳工藝參數(shù)為:初始壓力5MPa,保壓壓力50MPa,燒結(jié)溫度為800℃,保溫時間為2h。且得出燒結(jié)溫度和保壓壓力是影響試樣性能的主要影響因素。在此工藝條件下試樣的致密度和導(dǎo)電性分別達到了最大的99.56%、57.60%IACS。(4)在真空熱壓燒結(jié)的最優(yōu)工藝參數(shù)下成功制備了銅基電接觸層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,試樣表層具有很高的抗氧化性,材料整體具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。試樣的致密度達到99.54%,導(dǎo)電性能達到72.56%IACS,較單一的銅基電接觸復(fù)合材料的電導(dǎo)率提高了46.62%;抗彎強度達到263.37MPa,上層的硬度達到65.89HB。有預(yù)壓試樣的性能明顯高于無預(yù)壓試樣。層狀材料界面結(jié)合良好,屬于冶金結(jié)合,且無微裂紋出現(xiàn),界面不會成為梯度材料的薄弱點,不會減弱材料整體的性能。層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料相比于常用的接觸材料具有更為優(yōu)異的物理性能。(5)在基體材料中分別添加了氮化鈦、氮化鋁,得出添加的氮化鈦均勻的分布于基體中,氮化鋁在基體中出現(xiàn)了局部團聚現(xiàn)象,它們的添加均有助于阻礙基體銅晶粒的長大;添加氮化鈦的試樣晶粒尺寸均勻,晶粒尺寸隨著添加量的增加有減小的趨勢,且晶粒結(jié)合致密良好。隨著氮化鈦和氮化鋁的加入,試樣的致密度均呈現(xiàn)了不同程度的降低,從而導(dǎo)致了材料的導(dǎo)電性、抗氧化性能下降,但是材料的硬度增加,且抗電弧侵蝕性能增強。當(dāng)?shù)伒奶砑恿繛?.5 wt.%時,試樣的致密度、導(dǎo)電性、抗氧化性和抗電弧侵蝕性等均達到最佳。添加氮化鈦試樣的綜合性能要優(yōu)于添加氮化鋁的試樣。
【關(guān)鍵詞】：銅基電接觸材料 真空熱壓 高性能 致密化 層狀結(jié)構(gòu) 氮化鈦
【學(xué)位授予單位】：濟南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM501.3;TB33
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 電接觸材料概述12-13
• 1.2 電接觸材料的發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.3 電接觸材料的一般性能要求14
• 1.4 銅基電接觸材料及其制備工藝14-17
• 1.5 熱壓工藝及其特點17-18
• 1.6 熱壓工藝的塑性流動致密化理論18-20
• 1.7 本課題目的和意義20
• 1.8 本論文主要研究內(nèi)容20-22
• 第二章 技術(shù)路線與實驗方法22-32
• 2.1 技術(shù)路線22-23
• 2.2 實驗設(shè)備及材料23-24
• 2.2.1 主要實驗設(shè)備23-24
• 2.2.2 主要實驗材料24
• 2.3 制備及表征方法24-32
• 2.3.1 熱壓燒結(jié)實驗24-25
• 2.3.2 致密度測量25-26
• 2.3.3 硬度測量26-27
• 2.3.4 電導(dǎo)率測量27-28
• 2.3.5 抗氧化實驗28
• 2.3.6 抗彎曲強度測試28-29
• 2.3.7 抗電弧燒蝕實驗29-32
• 第三章 稀土釔對純銅的性能及制備工藝的影響32-44
• 3.1 引言32
• 3.2 實驗安排及正交試驗設(shè)計32-33
• 3.3 熱壓工藝下實驗結(jié)果與分析33-37
• 3.3.1 釔的添加量對各指標的影響34-35
• 3.3.2 壓力對各指標的影響35-36
• 3.3.3 燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間對各指標的影響36
• 3.3.4 熱壓工藝的實驗驗證36-37
• 3.4 冷壓燒結(jié)工藝下實驗結(jié)果與分析37-40
• 3.4.1 釔的添加量對各指標的影響38-39
• 3.4.2 冷壓燒結(jié)工藝的實驗驗證39-40
• 3.5 熱壓與冷壓燒結(jié)試樣的性能和最優(yōu)工藝參數(shù)對比40-43
• 3.6 小結(jié)43-44
• 第四章 銅-稀土合金粉對材料性能的影響44-52
• 4.1 Cu-Re合金粉的制備44-46
• 4.2 實驗安排46
• 4.3 稀土種類及含量對電接觸材料性能的影響46-50
• 4.3.1 對材料致密度的影響46-47
• 4.3.2 對材料硬度的影響47-48
• 4.3.3 對材料導(dǎo)電性的影響48-49
• 4.3.4 對材料抗氧化性的影響49-50
• 4.4 小結(jié)50-52
• 第五章 真空熱壓燒結(jié)工藝的初步探究52-62
• 5.1 熱壓工藝的主要影響因素52-53
• 5.2 材料的成分配比53-54
• 5.3 實驗結(jié)果及分析54-60
• 5.3.1 初始壓力對材料性能的影響54-55
• 5.3.2 保壓壓力對材料性能的影響55-56
• 5.3.3 燒結(jié)溫度對材料組織及性能的影響56-60
• 5.3.4 保溫時間對材料性能的影響60
• 5.4 小結(jié)60-62
• 第六章 層狀結(jié)構(gòu)電接觸復(fù)合材料的制備及研究62-74
• 6.1 前言62
• 6.2 層狀結(jié)構(gòu)電接觸復(fù)合材料試樣的制備62-64
• 6.2.1 原料配比62-63
• 6.2.2 樣品的制備63-64
• 6.3 實驗結(jié)果與分析64-72
• 6.3.1 試樣成分和微觀組織分析64-67
• 6.3.2 致密度試驗結(jié)果分析67
• 6.3.3 硬度試驗結(jié)果分析67-68
• 6.3.4 導(dǎo)電性試驗結(jié)果分析68
• 6.3.5 彎曲試驗結(jié)果分析68-69
• 6.3.6 復(fù)合材料層間界面分析69-72
• 6.4 層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與常用接觸材料的物理性能對比72-73
• 6.5 小結(jié)73-74
• 第七章 TiN、AlN對銅基電接觸材料的影響74-86
• 7.1 引言74
• 7.2 TiN、AlN粉末的基本特性及表征74-76
• 7.3 復(fù)合材料的制備76
• 7.4 TiN、AlN對材料組織及性能的影響76-84
• 7.4.1 TiN、AlN對材料組織的影響76-79
• 7.4.2 對材料致密度的影響79-80
• 7.4.3 對材料硬度的影響80-81
• 7.4.4 對材料導(dǎo)電性的影響81-82
• 7.4.5 對材料抗氧化性的影響82-83
• 7.4.6 對材料抗電弧侵蝕性能的影響83-84
• 7.5 小結(jié)84-86
• 第八章 結(jié)論86-88
• 參考文獻88-96
• 致謝96-97
• 附錄97

【參考文獻】

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本文編號：1046458