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CN104245976B - 触点材料 - Google Patents

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CN104245976B CN201380015121.7A CN201380015121A CN104245976B CN 104245976 B CN104245976 B CN 104245976B CN 201380015121 A CN201380015121 A CN 201380015121A CN 104245976 B CN104245976 B CN 104245976B
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Abstract

本申请涉及一种新型触点材料、用于生产所述触点材料的方法、以及所述触点材料的用途。

Description

触点材料
对于生产低压开关装置中的电触点，已经发现银/金属以及银/金属氧化物复合材料是有用的。使用最频繁的银/金属复合材料是银/镍，其中主要使用领域是相对低的电流。
已经发现特定的添加剂如WO3或MoO3在必须承受高热负荷的开关装置中是有用的。已经发现AgSnO2与这些添加剂在额定电流大于100安培以及在所谓的AC4负荷下的开关装置中特别有用。然而，在更低的开关电流下，这些材料的寿命相对较短。
AgSnO2WO3/MoO3材料通过挤出(extrudion)技术通过粉末冶金来生产。粉末冶金生产所具有的优点为能够以任何量使用任何类型的添加剂。因此，为了特定的性能如焊接电源或加热，可以优化上述材料。此外，粉末冶金结合挤出技术在生产触点零件中具有特别高的经济可行性。
同样使用了内氧化AgSnO2/In2O3材料。在DE-A 2428147中描述的这种材料含有5％-10％的SnO2以及还有1％-6％的In2O3。由于氧化动力学的原因，通常不可能为了影响特定的开关性能而控制氧化物添加剂浓度的改变。
DE-A 2754335描述了一种触点材料，该材料除了银之外还含有1.6％-6.5％的Bi2O3和0.1％-7.5％的SnO2。可以通过内氧化和粉末冶金两者之一生产这种材料。然而，如此高含量的Bi2O3会导致脆化，这样使得该材料只能通过单独的烧结而不能通过更经济可行的挤出技术来生产。
US 4,680,162披露了一种内氧化AgSnO2材料，该材料的锡含量大于4.5％，可以含有0.1％-5％铟和0.01％-5％铋的添加物。将这种金属合金粉末压缩并且然后进行内氧化。这些添加物防止了在内氧化时常见的不均匀氧化物沉积。然而，这种材料未显示出最佳的触点性能。
出版物“第十四届巴黎国际电触点会议关于调查新银-锡氧化物触点材料的开关行为的研究，1988年7月20-24日，第405-409页(Investigation into the Switchingbehaviour of csilver-tin oxide contact materials in Proc.of the 14thInt.Conf.on El.Contacts,Paris,1988June 20-24,p.405-409)”报告了通过粉末冶金生产的由银-锡氧化物制成的电触点的开关特性，该电触点可以含有来自下组的另外两种氧化物，该组的组成为：氧化铋、氧化铟、氧化铜、氧化钼和氧化钨，但是没有说明这些材料的确切组成。
US 4,695,330描述了一种用于生产具有0.5％-12％的锡、0.5％-15％的铟和0.01％-1.5％的铋的内氧化材料的具体方法。例如，从DE 4319137和DE 4331526中已知，通过粉末冶金术，通过混合粉末、冷等静压、烧结和挤出来生产基于银-锡氧化物的触点材料，以产生半成品。US 4,141,727披露了一种由银制成的触点材料，该材料包含作为混合氧化物粉末的铋-锡氧化物。此外，DE 2952128披露了在氧化锡粉与银粉混合以前，将其在900℃至1600℃下煅烧。
由于对触点材料的需求不断上升，已知的材料不能满足所有情况下或所有应用的需求。
描述
1.一种不含镉的电触点材料，该触点材料包含至少一种金属和锡酸镁Mg2SnO4。
2.如点1所述的触点材料，其中该金属是银或一种银合金。
3.如点1或2所述的触点材料，其中存在按体积计百分之0.2至百分之60的锡酸镁。
4.如点1至3中一项或多项所述的触点材料，其中存在按重量计5％至按重量计60％的锡酸镁。
5.如点1至3中一项或多项所述的触点材料，其中存在按重量计0.5％至按重量计13％的锡酸镁。
6.如点1至3中一项或多项所述的触点材料，其中存在按重量计0.5％至按重量计5％的锡酸镁。
7.如点1至6中一项或多项所述的触点材料，其中在该触点材料中存在的按重量计至少60％的锡酸镁具有1μm或更大的粒度。
8.如点1至7中一项或多项所述的触点材料，其中在该触点材料中存在的全部或一些锡酸镁具有的粒度为20nm至1μm。
9.如点1至8中一项或多项所述的触点材料，其中在该触点材料中存在的全部或一些锡酸镁具有的粒度为100nm至900nm。
10.如点1至9中一项或多项所述的触点材料，该触点材料包括另外的多种氧化物。
11.如点1至10中一项或多项所述的触点材料，其中附加地存在另外的多种氧化物，这些氧化物是来自下组，其组成为：氧化镁、氧化铜、氧化铋、氧化碲、氧化锡、氧化铟、氧化钨、氧化钼、它们的混合氧化物或它们的组合。
12.如点1至11中一项或多项所述的触点材料，其中，这些另外的氧化物可以单独或组合地以按重量计0.5％至按重量计30％的量存在。
13.如点1至12中一项或多项所述的触点材料，其中，这些另外的氧化物可以单独或组合地以按重量计2％至按重量计20％的量或以按重量计0.5％至按重量计7％的量存在。
14.如点1至13中一项或多项所述的触点材料，其中所使用的另外的氧化物是氧化锡，可任选地与氧化铟和/或氧化碲一起。
15.如点1至14中一项或多项所述的触点材料，其中在该触点材料中存在的按重量计至少60％的另外的氧化物具有1μm或更大的粒度。
16.如点1至14中一项或多项所述的触点材料，其中这些另外的氧化物具有的粒度为20nm至2μm或50nm至小于2000nm，或100nm至1800nm或200nm至900nm。
17.如点1至14中一项或多项所述的触点材料，其中60％的这些另外的氧化物具有的粒度为100nm至900nm。
18.如点1至17中一项或多项所述的触点材料，其中总的氧化物含量高达按重量计60％。
19.如点1至18中一项或多项所述的触点材料，该触点材料通过粉末冶金生产可获得。
20.如点1至19中一项或多项所述的触点材料用于生产电触点零件的用途。
21.一种电触点，包含如权利要求1至19中一项或多项所述的触点材料。
22.一种开关装置或电开关装置的移动开关零件，该移动开关零件包括点21所述的电触点。
23.一种用于从金属和锡酸镁Mg2SnO4生产触点材料的方法，该方法是通过以下方式进行的：将粉状锡酸镁Mg2SnO4或一种锡酸镁前体化合物与至少一种金属粉末以及可任选地另外的多种氧化物进行混合，对该混合物进行压制以获得一种压实件并对该压实件进行烧结以获得一种烧结体。
24.如点23所述的方法，其中所获得的该烧结体是在一个另外的加工步骤中形成的，尤其是挤出的。
25.如点23所述的方法，其中该烧结体是一个触点零件。
26.如点25所述的方法，其中该烧结体附加地包括氧化铜。
27.一种通过如点23和24之一所述的方法可获得的触点材料。
详细说明
所解决的问题是提供一种新型金属复合材料，该复合材料用作电开关装置中的一种触点材料时，与常用的基于银的银锡氧化物复合材料相比显示出改进的电弧腐蚀特性和较低的接触电阻。这一问题由一种金属复合材料解决，该金属复合材料包括至少一种金属和锡酸镁。锡酸镁(Mg2SnO4)是一种文献中已知的化合物，该化合物的制备在，例如，Electronics[电子学]，2005年第16期，第193-196页；Journal of Power Sources[电源杂志]，2001第97-98期，第223-225页；或Ceramics International[国际陶瓷学杂志]，2001年第27期，第325-334页中描述。为制备该化合物，可以将氧化镁(MgO)和氧化锡(SnO2)按合适的摩尔比(即：MgO:SnO2＝2:1)剧烈混合(如通过湿磨或干磨)，可任选地进行干燥，然后在约为1200℃至约1600℃的温度下煅烧约15至约25个小时。通常来讲对大气压没有特别的要求，所以可以在空气中煅烧。采用这种方式就可以获得一种锡酸镁和氧化镁的混合物，正如图1所示，该混合物中存在约4.4％的氧化镁和约95.6％的锡酸镁。通过使用约10％过量的氧化镁，可以获得高达98％的锡酸镁(Mg2SnO4)。
本专利申请还涉及一种包括至少一种金属和锡酸镁的触点材料用于生产电触点零件的用途，并且涉及包括这样一种触点材料的电触点，如下文所描述的。
所使用的金属尤其可以是银或银合金。例如，银镍合金具有良好的适用性。银单独地同样具有用于许多最终用途的优异特性。相比之下，镉并不存在，并且最多可以在不可避免的杂质范围内存在。通常来讲，锡酸镁的用量可以是按体积计0.02％至60％，或按体积计0.02％(尤其是按体积计0.2％)至按体积计25％(等于按重量计至13％)，尤其是按体积计2％至按体积计25％，或按体积计0.02％(尤其是按体积计0.2％)至按体积计60％(等于按重量计％)，尤其是按体积计2％至按体积计60％，或按体积计0.02％(尤其是按体积计0.2％)至按体积计5％(等于按重量计2.34％)。锡酸镁(Mg2SnO4)的加入量可以根据该使用进行有利的选择，其中用于挤出材料的加入量从按体积计约0.02％至按体积计25％(等于按重量计0至13％)，或按重量计0.5％至按重量计13％，在单独压制材料(类似于已知的Ag/W材料和Ag/WC材料)的情况下，加入量按体积计0.02％至按体积计60％(等于按重量计0至40％)，或按重量计0.5％至按重量计40％。在使用锡酸镁(Mg2SnO4)作为添加剂的情况下，按重量计0.5％至按重量计5％，或按重量计0.5％至按重量计1％，或按重量计1％至按重量计2.5％，或按体积计0.02％至按体积计5％(等于按重量计0至2.34％)是特别适合的。该锡酸镁(Mg2SnO4)作为一种分散相存在于该触点材料中，而该金属形成连续相。该锡酸镁(Mg2SnO4)可以具有的粒度为至少1μm。更具体地说，按重量计至少60％的锡酸镁具有1μm或更大的粒度，这在一个成形操作中的进一步加工(如通过挤出)的情况下尤为有利。如果触点零件是单独烧结的，反而也可以使用粒度为1μm或大于1μm、粒度在20nm至1μm或50nm至少于1000nm之间(特别是100nm至900nm的粒度)的锡酸镁(Mg2SnO4)或与之组合。在这种情况下，有利的是60％的锡酸镁具有的粒度为100nm至900nm。
此外，触点材料可以包括另外的氧化物。更具体地说，触点材料可以附加地包括多种氧化物，这些氧化物是来自下组，其组成为：氧化镁、氧化铜、氧化铋、氧化碲、氧化锡、氧化铟、氧化钨、氧化钼或它们的组合、它们的混合氧化物或它们的组合。存在的一种混合氧化物可以是Bi6WO12。
上述氧化物可以单独地或一起以按重量计0.5％至按重量计30％的量，或以按重量计2％至按重量计20％的量，至高达按重量计7％，尤其高达按重量计2％，或以按重量计0.5％至高达按重量计7％的量或以按重量计0.5％至高达按重量计2％的量而存在。在一个实施例中，使用了氧化锡，可任选的是与氧化铟、氧化碲或这两者一起作为另外的氧化物使用。在另一个实施例中，总的氧化物含量即锡酸镁Mg2SnO4的组合含量是高达按重量计60％。
在一个实施例中，另外的氧化物(如氧化锡)的至少60％具有1μm或更大的粒度，这在成形操作中的进一步加工(如通过挤出)的情况下尤为有利。
在一个实施例中，另外的氧化物还可以使用20nm至2μm或50nm至少于2000nm的粒度，尤其是100nm至1800nm或200nm至900nm。在这种情况下，有利的是60％的另外的氧化物具有的粒度为100nm至900nm。
该触点材料可以通过从粉末冶金生产，内氧化或其组合中选择的一种生产方法来获得。
在通过粉末冶金生产该材料情况下，该触点材料的获得是通过将该金属或一种合金的粉末与锡酸镁(Mg2SnO4)或一种锡酸镁前体化合物以及可任选的另外的氧化物混合，将该粉末混合物冷等静压，并且在大约500℃至大约940℃的温度烧结，并且可任选的形成该烧结材料，例如通过挤出来产生线材或型材。所使用的锡酸镁前体化合物可以是在产生锡酸镁的加工条件下可进一步的分解的锡酸镁之外的产物以及有可能是进一步分解的产物。该进一步的分解产品必须是在加工条件下易挥发的或者是其存在不会破坏所获得的产物的特性的化学物质，理想地是其存在是所希望的物质，如所使用的金属或一种另外的氧化物，该氧化物来自下组，其组成为：氧化镁、氧化铜、氧化铋、氧化碲、氧化锡、氧化铟、氧化钨、氧化钼或它们的组合、它们的混合氧化物或它们的组合组成。例如，合适的化合物是锡和镁的醇化物，例如，六[(μ-(2-甲基-2-丙醇)]双[(2-甲基-2-丙醇)锡]磷酸二镁，CAS号139731-82-1。
可取的是，对于所使用的锡酸镁或锡酸镁前体化合物和/或另外的氧化物在与该金属或一种合金的粉末(例如银粉)混合之前已经具有所希望的粒度或粒度分布，或在与该金属或一种合金的粉末(例如银粉)混合之前在按重量计超过60％的程度上已经具有大于1μm的粒度。在这种情况下，过于细小的锡酸镁或者其他氧化物可以通过一种热处理，通过煅烧(例如，在温度大约为700℃至大约1400℃下)而粗化，直至按重量计超过60％的锡酸镁和另外的氧化物具有的粒度超过1μm。在压实块已烧结之后，这些被粗化了的氧化物粉末的使用给出了一种材料，该材料比具有更低的氧化物粒度的材料韧性更强且因此能够更容易成形，这在进一步的重整处理(例如挤出)情况下可以是有利的。在触点单独烧结的情况下，如上所述，还有可能使用具有较小粒度的锡酸镁(Mg2SnO4)粉末，在这种情况下，添加剂如烧结催化剂是有利的，例如氧化铜(CuO)，纳米级银粉或其他纳米材料。在这种情况下，当然还有可能使用其中按重量计60％在与金属粉末混合之前已经具有至少1μm的粒度的锡酸镁，而且还能使用其中60％锡酸镁具有50nm至小于1000nm的粒度，或尤其是60％的锡酸镁具有100nm至900nm的粒度的锡酸镁(Mg2SnO4)。
在通过内氧化生产的情况下，例如，一种银与基底金属的合金是由火法冶金生产的，并且常常在纯氧中被加压热处理，从而形成一种触点材料。这种过程从文献资料中可知并且例如在EP 1505164和EP 0508055中描述。
在通过内氧化结合粉末冶金生产而生产的情况下，有可能例如以该金属或一种合金的粉末的形式使用一种金属粉末，该金属粉末包括例如通过内氧化产生的另外的氧化物，例如具有一定氧化锡含量的银的金属粉末。在那种情况下，进一步的加工通过粉末冶金，即通过加入锡酸镁和/或另外的氧化物和/或金属粉末，以及随后的压制，烧结和可任选的成形(例如挤出)而继续进行。
在一个实施例中，该触点材料尤其包括银和锡酸镁以及另外地仅有的特有的杂质。在一个实施例中，该触点材料包含按重量计0.2％至20％的量的锡酸镁以及至按重量计100％的银和典型的杂质。
在本发明的另一个实施例中，该触点材料包括量为按重量计0.2％至20％的在至少60％的程度上具有1μm或者更大的粒度的锡酸镁，以及至按重量计100％的银和典型的杂质。
实例
实例1
锡酸镁的制备
称量13.03g的SnO2以及6.97g的MgO并且然后在250rpm下进行湿磨持续2×5分钟(福里茨行星式高能球磨机5(Fritsch Pulverisette 5)，2mmZrO2球，干燥异丙醇)。在干燥箱(温度)中干燥该粉末混合物并且然后用研钵和研杵粉碎。
将该粉碎的粉末混合物在空气中在1400℃下煅烧20小时并且然后磨成2μm的粒度(d50)(福里茨行星式高能球磨机5，2mm ZrO2球，干燥异丙醇)。通过对反应产物的X射线衍射以及Rietveld精修，发现所形成的产物包含95.6％的程度的锡酸二镁(Mg2SnO4)以及4.4％的程度的二氧化锡(SnO2)。
包含Mg2SnO4的触点材料的生产
将914.4g的银粉(优美科(Umicore)，雾化的银粉，筛选至<42μm)与按体积计百分之17.07的Mg2SnO4粉末(85.6g)在一个混合装置(MTI混合器，8min，1000rpm)中混合。将该粉末混合物转移到一个塑料圆柱形模具中并在800巴的压力下进行冷等静压以产生一个棒。将该棒在820℃下烧结2h并且然后挤出。
对比实例2：包含SnO2的触点材料的生产
将880g的银粉(与实例1中相同的银粉)与120g(对应于按体积计17.07％)的SnO2粉末在一个混合装置(MTI混合器，8min，1000rpm)中混合。将该粉末混合物转移到一个塑料圆柱形模具中并在800巴的压力下进行冷等静压以产生一个棒。将该棒在820℃下烧结2h并且然后挤出。
使用这两种触点材料的样品根据EN ISO 6892-1进行拉力试验，并且这两种触点材料的断裂伸长率被测定为27％。
使用所产生的触点材料来通过挤出生产触点零件(将5mm的导线，半成品，焊接上并修整，然后并入开关中)，并且将这些触点零件均用于在一个具有500的开关、350A的电流以及30mT/kA的熔断场(blowout field)的断路器中进行开关测试。结果在图2和3中示出。
图2示出了对于各自具有按体积计百分之17.07的氧化物含量的这两种触点材料，每次开关操作以mg计的腐蚀。在每一种情况下更低的柱示出了固定触点的变化，高的柱示出了移动触点的变化。
清楚的是，基于锡酸镁(Mg2SnO4)和银的触点材料示出了改善的腐蚀特性。
图3示出了这两种触点材料以兆欧计的触点电阻，其被报道为平均值(在每一种情况下右边的柱)以及99％的值。清楚的是，该平均值是可比的，但在基于锡酸镁(Mg2SnO4)和银的触点材料的情况下99％的值是低得多的，并且因此是超越银-锡氧化物材料大大改善的。

Claims (12)

1.一种生产由金属和锡酸镁Mg2SnO4制成的触点材料的方法，该方法是通过以下方式进行的：将粉状锡酸镁Mg2SnO4与至少一种金属粉末以及任选地另外的多种氧化物进行混合，对该混合物进行压制以获得一种压实件并对该压实件进行烧结以获得一种烧结体。
2.如权利要求1所述的方法，其中将所述烧结体在进一步的加工步骤中成形。
3.如权利要求2所述的方法，其中将所述烧结体在进一步的加工步骤中挤出。
4.如权利要求1所述的方法，其中该烧结体是一个触点零件。
5.如权利要求4所述的方法，其中该烧结体包括氧化铜。
6.如权利要求1至5之中任一项所述的方法，其中该金属是银或一种银合金。
7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述触点材料包含按体积计百分之0.2至百分之60的锡酸镁。
8.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述触点材料为电触点材料。
9.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在该触点材料中存在的按重量计至少60％的锡酸镁具有1μm或更大的粒度。
10.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述另外的多种氧化物选自下组：氧化镁、氧化铜、氧化铋、氧化碲、氧化锡、氧化铟、氧化钨、氧化钼或它们的组合。
11.用于生产电触点零件的方法，其包括步骤1)提供如权利要求1至10任一项的触点材料，2)将触点材料形成为电触点零件。
12.电触点零件，其包含由权利要求1至10任一项的方法所获得的触点材料。
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