CN101656160A

CN101656160A - 银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN101656160A
Application number: CN200910094954A
Authority: CN
Inventors: 冯晶; 陈敬超; 于杰; 肖冰; 阮进; 周荣
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: CN101656160B

Abstract

本发明涉及一种电接触复合材料，特别是银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，属于材冶技术领域。本发明的方法是将粒度小于20微米的银基体粉与金属酸盐粉在混粉机中混合，使锡或铜元素占总重量的6～15％，再用频率为10～30KHz的超声波混合均匀，压制成素坯；素坯进行烧结，温度500～800℃，烧结锭坯再经复压复烧，复烧温度500～800℃；复压复烧坯送挤压机直接挤出线杆，对线杆进行加工，制成成品。本发明的方法工艺简单，加工性能优良，较好的解决了电接触材料的温升问题，使材料的综合性能提高，克服了目前电接触材料加工和使用的问题。

Description

银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种电接触复合材料，特别是银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，属于材冶技术领域。

背景技术

电触头是电器设备的关键元件之一，其功能是接通和切断电流。它既是载流体，又是机械零部件，必须具有良好的导电导热性及耐电弧烧损、抗熔焊、小的电磨损、低而稳定的接触电阻、不与使用介质起化学变化、有一定的强度和易于机械加工等特性。公知的电接触材料已有近100年的发展历史，最初使用纯金、纯银、纯铂作接点材料，40年代开始采用Ag-Cu、Au-Ag、Pt-Ir、Pt-Ag等合金，60年代以来发展了多元贵金属和各种贵金属复合材料。由于Ag及其合金优良的导电性能和良好的加工性以及价格较低，使得银基电接触材料广泛用于各种功率条件下工作，而且大量用于大、中负荷电器中。如各种开关、继电器、接触器等。公知的形成产业化和实际应用的触头材料可以归纳为四个系列：Ag-MeO(银与金属氧化物)系列电接触材料、Ag-C系列电接触材料、Ag-WC系列电接触材料、Ag-Ni系列电接触材料。几种电接触材料中目前应用最广泛的是Ag-MeO系列，公知的Ag-MeO系列电触头材料主要有AgCdO，AgSnO₂，AgZnO，AgSiO₂，银稀土氧化物(AgREO)等。AgCdO电接触材料的特点是：耐损蚀性好、抗熔焊能力强、接触电阻低而稳定，具有良好的使用性能，应用的电流从几十安到几千安，广泛应用于从几伏到上千伏的多种低压电器中，曾被称为“万能触点”。而在AgCdO中，依靠Cd蒸汽的挥发和O₂溢出来冷却基体材料并熄灭电弧，CdO的分解温度比Ag的熔点低，且CdO在较低的温度下就可以升华；CdO的存在同时提高了表面熔融物的粘度，可防止银被电弧吹离。但由于镉金属蒸汽有毒，污染环境，对人体有害，近二十年来，许多国家都展开了代镉材料的研究，取得了很大的进步。

日本自1972年提出限制使用AgCdO触点之后，积极开展“少镉、代镉”电接触材料的研究，研制成功并大量生产AgSn合金添加Bi、Mn、Cu等一种或多种元素进行内氧化的Ag-SnO₂电接触材料。所制造的触点具有耐损蚀性好、接触电阻低等特点。同时，美国、俄罗斯、法国、韩国等也积极开展Ag-MeO电接触材料的研制和产品开发工作。公知的此类电接触材料主要存在以下问题：如材料塑性差，难于加工，尤其使用纳米氧化物增强材料时性能虽然提升，但加工难度大，产品成材率低；氧化物除CdO外通常热稳定性好，高温不易分解，会使材料温升高，氧化物没有灭弧作用而使得电接触性能比银氧化镉差；公知的添加氧化物与银的润湿性差异较大等；这些问题使得几种Ag-MeO电接触材料在加工性和使用性能方面一直存在缺陷，尤其是粉末冶金制备的AgSnO₂材料被广泛应用与各种电器，使用过程中出现表面银金属飞溅而导致仅剩下较多的氧化锡颗粒，从而使得接触性能下降以致触头失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，可替代有毒的银氧化镉电接触材料，工艺简单，加工性能优良，较好的解决了电接触材料的温升问题，使材料的综合性能提高，克服了目前电接触材料加工和使用的问题。

解决本发明的技术问题所采用的方案是：将粒度小于20微米的银基体粉与金属酸盐粉在混粉机中混合，使锡或铜元素占总重量的6～15％，再用频率为10～30KHz的超声波混合均匀，压制成素坯；素坯进行烧结，温度500～800℃，烧结锭坯再经复压复烧，复烧温度500～800℃；复压复烧坯送挤压机直接挤出线杆，对线杆进行加工，制成成品。

本方法控制工艺条件使得金属酸盐均匀分布在复合材料中，金属酸盐颗粒由于含有金属离子而弱化了单一氧化物的化学键，增加了金属与金属原子间的金属键，使得与银基体所形成的界面结合较好，并由于金属酸盐通常较氧化物粒子软而保持了良好的加工性；获得的新型电接触材料在高温电弧作用下部分会分解，降低触头材料的使用温度和起到一定灭弧作用，同时可形成对应的纳米级金属氧化物保持以往电接触材料的特性，不仅防止了银金属被电弧吹散，而且提高了接触强度，较好的解决了电接触材料的温升问题而使材料的综合性能提高。本发明制备的电接触复合材料工艺简单，成本较低，一定程度上克服了目前电接触材料加工和使用的问题，使用范围得到增加，使用寿命得以延长。

本发明的技术方案还包括：

所述的银基体粉采用银粉、银锡合金粉或银铜合金粉的任一种；金属酸盐粉采用锡酸银，锡酸铜，钛酸银，锆酸银，银铜氧化合物中的一种或几种；在混合原料中还加入了粒度小于45微米的调整元素钨、钼的一种或两种。

超声波混合原料粉末时，超声波装置的功率可在1～5千瓦之间调节，振荡粉末5～60分钟；银锡或银铜合金粉末系通过银锡合金的熔炼、水雾化制粉工艺获得。

素坯成形时，采用钢模双向压制为400～800MPa，采用冷等静压成形为200～350MPa；素坯烧结时间4～16小时；烧结锭坯复压压力300～600MPa，烧结锭坯复烧时间4～12小时，复压复烧坯挤出温度400～650℃。

原料粉中添加的钨为总重量的2％以下，钼为总重量的1.5％以下；

本发明所述的银基金属酸盐电接触复合材料具体原料配方为：①银粉+金属酸盐粉的一种或多种+添加元素中的一种或两种；②银锡合金粉或银铜合金粉+金属酸盐粉的一种或多种+添加元素中的一种或两种。

一、原料成分、粒度及其所占重量百分比

1、原料：

银粉(市售，纯度大于99.9％)或银锡(铜)合金粉末(市售或自制，纯度大于99.9％)，金属酸盐粉(市售或湿化学法自制，纯度大于99.9％，包括：锡酸银，锡酸铜，钛酸银，锆酸银，银铜氧化合物等)，粉末粒度小于20微米。锡或铜元素占总重量的6～15％，余量为银和金属酸盐中的其它元素；

2、添加的性能调整元素：

①钨(W)：不超过总重量的2％，粒度小于45微米；

②钼(Mo)：不超过总重量的1％；粒度小于45微米；

二、技术条件

①混粉条件

将筛选好的粉末放入混粉机混合，并采用高功率超声进行均匀化，超声波装置的功率可在1～5千瓦之间调节，频率为10～30KHz，超声波振荡粉末5～60分钟；

②素坯成形压力

钢模双向压制：400～800MPa；

或：

冷等静压成形：200～350MPa；

③素坯烧结温度500～800℃，时间4～16小时，精确控温以防止金属酸盐在复合材料制备阶段发生分解；

④烧结锭坯复压压力300～600MPa；

⑤烧结锭坯复烧温度500～800℃，时间4～12小时，精确控温以防止金属酸盐在复合材料制备阶段发生分解；

⑥复压复烧坯挤压温度400～650℃。

本发明的有益效果是：

混粉过程采用高功率超声波分散法，使得金属银粉和添加物分散更加均匀，部分增强相颗粒可以根据生产和性能需求而原位生成，从而吸收掉部分不稳定金属酸盐分解释放的氧气；金属酸盐中含有金属键，降低了共价键与银基体所形成的界面结合而导致的塑性变差，优良的界面结合使材料的综合性能有较大的提高；

由于添加的金属酸盐的弹性模量等力学性质较低，部分金属酸盐的结构还呈层状结构，远没有氧化锡等氧化物的硬度高，故不会使材料产生明显的加工硬化，材料的加工性能更接近于合金材料而非金属基复合材料，材料成型与后续加工性能良好，产品成材率高，可方便地制成各种形状，解决了银氧化物电接触材料后续加工难的问题；

添加的增强相是金属酸盐，可以在电弧作用下分解，吸收一定的热量并降低电接触材料的温度，起到一定灭弧作用，并且金属酸盐分解后形成金属氧化物(如氧化锡，氧化铜等)，还能达到以往银金属氧化物复合材料的效果和作用，使得电接触材料的电接触寿命大大提高，扩大了该类材料的使用范围。

金属酸盐的添加方式和添加含量可以方便地根据工艺要求来改变，通过添加其含量可以调整复合材料的力学性质和电导性质，改善复合材料的整体加工性能并使添加物的作用发挥达到最佳效果。

原料准备简单、可以方便地在原生产技术的条件下添加金属酸盐、工艺流程容易控制、生产周期短、产品成本低，寿命长；且可实现大批量生产，生产过程对环境无污染或少污染。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

实施例一

按12％的锡酸银(Ag₂SnO₃)粉(重量百分比)、87％的银粉(重量百分比)，1％的钨粉(重量百分比)，将粉末置入混料机中混合；用功率为1KW，频率为20KHz的超声波振荡粉末10分钟，使其均匀化。在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力为600MPa；素坯经过750℃、4小时烧结成为锭坯；锭坯以500MPa的压力复压，700℃、10小时复烧，然后在500℃的温度条件下挤压成线杆，最后冷拉拔成线(丝)材。

实施例二

按15％的银铜氧化合物(Ag₂CuO₃和AgCuO₂)粉(重量百分比)、80％的银粉(重量百分比)，4.5％的银锡合金粉(重量百分比)，0.5％的钼粉(重量百分比)，将粉末置入混料机中混合；用功率为3KW，频率为25KHz的超声波振荡粉末30分钟，使其均匀化。在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力为650MPa；素坯经过750℃、4小时烧结成为锭坯；锭坯以600MPa的压力复压，700℃、8小时复烧，然后在550℃的温度条件下挤压成线杆，最后冷拉拔成线(丝)材。

实施例三

按15％的锡酸铜(CuSnO₃)粉(重量百分比)、84％的银粉(重量百分比)，0.5％的钨粉(重量百分比)，0.5％的钼粉(重量百分比)，将粉末置入混料机中混合；用功率为1KW，频率为20KHz的超声波振荡粉末25分钟，使其均匀化。在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力为600MPa；素坯经过700℃、4小时烧结成为锭坯；锭坯以600MPa的压力复压，650℃、8小时复烧，然后在500℃的温度条件下挤压成线杆，最后冷拉拔成线(丝)材。

实施例四

按6％的锡酸银(Ag₂SnO₃)粉(重量百分比)、5％的钛酸银(Ag₂TiO₃)粉(重量百分比)、88％的银粉(重量百分比)，1％的钨粉(重量百分比)，将粉末置入混料机中混合；用功率为2KW，频率为10KHz的超声波振荡粉末20分钟，使其均匀化。在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力为650MPa；素坯经过700℃、6小时烧结成为锭坯；锭坯以500MPa的压力复压，700℃、7小时复烧，然后在500℃的温度条件下挤压成线杆，最后冷拉拔成线(丝)材。

Claims

1、银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，其特征是：将粒度小于20微米的银基体粉与金属酸盐粉在混粉机中混合，使锡或铜元素占总重量的6～15％，再用频率为10～30KHz的超声波混合均匀，压制成素坯；素坯进行烧结，温度500～800℃，烧结锭坯再经复压复烧，复烧温度500～800℃；复压复烧坯送挤压机直接挤出线杆，对线杆进行加工，制成成品。

2、根据权利要求1所述的银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，其特征是：银基体粉采用银粉、银锡合金粉或银铜合金粉的任一种；金属酸盐粉采用锡酸银，锡酸铜，钛酸银，锆酸银，银铜氧化合物中的一种或几种；在混合原料中还加入了粒度小于45微米的调整元素钨、钼的一种或两种。

3、根据权利要求2所述的银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，其特征是：超声波混合原料粉末时，超声波装置的功率可在1～5千瓦之间调节，振荡粉末5～60分钟；银锡或银铜合金粉末系通过银锡合金的熔炼、水雾化制粉工艺获得。

4、根据权利要求2所述的银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，其特征是：素坯成形时，采用钢模双向压制为400～800MPa，采用冷等静压成形为200～350MPa；素坯烧结时间4～16小时；烧结锭坯复压压力300～600MPa，烧结锭坯复烧时间4～12小时，复压复烧坯挤出温度400～650℃。

5、根据权利要求2所述的银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，其特征是：原料粉中添加的钨为总重量的2％以下，钼为总重量的1.5％以下。

6、根据权利要求3、4或5所述的银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，其特征是具体原料配方为：银粉+金属酸盐粉的一种或多种+添加元素中的一种或两种)。

7、根据权利要求3、4或5所述的银基金属酸盐电接触复合材料的制备方法，其特征是具体原料配方为：银锡合金粉或银铜合金粉+金属酸盐粉的一种或多种+添加元素中的一种或两种。