CN1632894A - 低压开关电器用银基稀土合金触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明低压开关电器用银基稀土合金触头材料及其制备方法，涉及银基稀土合金电开关触点材料，其化学组成为：稀土金属氧化物x＝1～7％、Me的氧化物y＝1～3％、SnO2z＝(12－x－y)％、余量为金属银，其中，稀土金属为La、Ce、Pr、或Nd；Me为Bi、In、Sb、或Tl；其制备方法是化学共沉淀制粉法，并将化学共沉淀法得到的共沉淀物进行成形及烧结处理。该材料是一种可靠性高、工作寿命长的环保型的触头材料，且价格便宜、制备成本较低。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及按所用材料区分的电开关触点，具体地说是银基稀土合金电开关触点材料。
背景技术
低压开关电器的先进性是以它的可靠性高、工作寿命长为主要标志。开关电器的触头，特别是触头材料，是保证其实现高可靠性和长寿命的关键。银-金属氧化物触头材料具有优良的开关运行特性，因而成为低压电器广泛应用的一类触头材料。电触头是开关电器中直接承担接通和分断电路的元件，它对开关电器的安全运行起着决定性的作用。随着现代工业的高速发展，高压输电网络负荷日益增加，电力拖动自动控制水平不断提高，对电触头提出了越来越高的要求，因此研究和开发新的触头材料受到了广泛的重视。目前国内大部分低压电器生产厂家还主要应用Ag/CdO作为触头材料。但Ag/CdO材料中的Cd具有毒性，对人体及环境构成危害。后来发现Ag/SnO2是一种可以和Ag/CdO相媲美的、最有希望取代Ag/CdO的无毒、环保型触头材料。然而，在应用中发现，Ag/SnO2的接触电阻和温升在相同条件下比Ag/CdO高；另外，近年来在接触器应用中又发现，Ag/SnO2在机械工业部JB2455-85标准中规定的AC3条件下工作，其电寿命又比Ag/CdO低。CN 1085346A“低电阻率Ag/SnO2电工触头材料及其制备”、CN 1425782A“掺杂金属氧化物银-二氧化锡电触头材料及其制备方法”和CN 86103279A“内氧化银--氧化锡系合金电触头材料及其制造方法”所披露的Ag/SnO2触头材料也都存在接触电阻和温升在相同条件下比Ag/CdO高和电寿命又比Ag/CdO低的缺点。CN 86107774“银混合稀土金属氧化物触头材料”公开了一种适用中、小负荷低压电器的银基金属氧化物触头材料，该材料含有混合稀土金属、锆、镍和余量银。该专利不是银-金属氧化物触头材料，开关运行特性较差。CN 1183623A“低压电器用特种合金电触头材料”介绍了一种低压电器用特种合金电触头材料，其材料的成分配比为(重量百分比)：碳0.1-3；碳化钒0.5-5；碳化铌0.5-10；氧化锆0.5-5；氧化镧0.01-1；碲0.1-1；铅0.5-5；硒0.1-1；铜余量，该专利是铜基合金，其电阻率必然高于银基合金。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可靠性高、工作寿命长的环保型的低压开关电器用银基稀土合金触头材料及其制备方法。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：低压开关电器用银基稀土合金触头材料的化学组成及其重量百分比为：稀土金属氧化物x＝1～7％、Me的氧化物y＝1～3％、SnO2z＝(12-x-y)％、余量为金属银，其中，稀土金属为La、Ce、Pr、或Nd；Me为Bi、In、Sb、或Tl。
本发明低压开关电器用银基稀土合金触头材料的化学组成中优选的稀土金属为La；Me为Bi。
本发明低压开关电器用银基稀土合金触头材料的制备方法是，采用化学共沉淀制粉法，并将化学共沉淀法得到的共沉淀物进行成形及烧结处理，具体操作步骤是：首先将Ag屑、稀土金属屑、Sn屑和Me屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、稀土金属碳酸盐和Me碳酸盐的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤，洗涤，烘干，后于400～500℃焙烧，得到Ag/稀土金属氧化物+SnO2+Me氧化物的复合粉，再把得到的Ag/稀土金属氧化物+SnO2+Me氧化物的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力≤50吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为800-920℃，最后采用压力≤40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。
上述方法中的采用普通模压成形法的压制压力优选为30～50吨。
上述方法中的固相烧结优选是利用箱式电阻炉对压坯进行烧结。
上述方法中的复压法采用压力优选为30～40吨。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1.本发明低压开关电器用银基稀土合金触头材料不含Cd，无毒，是环保型触头材料。
2.触头的使用寿命延长。其原因是：添加了稀土金属氧化物，减少了电弧侵蚀和飞溅侵蚀，使得电弧易于运动；SnO2是易分解的金属氧化物以减少电弧侵蚀；再加入Me的氧化物以改善Ag对稀土金属氧化物及SnO2的润湿性，总之，这些因素使本发明材料具有耐电弧侵蚀性、触头温升低及抗熔焊能力强的电气性能，故大大延长了触头的使用寿命。
3.本发明所提供的触头材料具有优良的综合性能，即具有较高的硬度、密度及电导率，从而提高了电器的接触性能及可靠性。其原因是：添加了稀土金属氧化物使本发明材料具有耐电弧侵蚀性、触头温升低及抗熔焊能力强的电气性能，提高电器的接触性能及可靠性；又由于本发明的制备方法中采用化学共沉淀制粉法，由此获得的这种触头材料，所含各种氧化物颗粒细小、弥散且均匀分布；再将化学共沉淀法得到的共沉淀物进行成形及烧结处理，使其电导率几密度大大增加，再对其进行复压，进一步提高了密度和性能。
这一点将在实施例1中得以进一步证实。
4.稀土元素的电负性低，很容易与氧形成较为稳定的化合物，在我国，稀土元素的储量很大，且价格便宜，因而采用添加稀土金属氧化物制造银-氧化锡-稀土氧化物合金，既经济又易行，便于全面推广。
5.制备成本较低。本发明方法由化学共沉淀制粉法获得的各种氧化物颗粒细小，且均匀分布。而由以往的机械混粉法得到的稀土金属氧化物团状聚集体难以分散，而且机械混粉时间长，雾化制粉成本较高。另外，由于新材料的侵蚀量少，可节约触头材料的用量，也进一步降低了制备成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是Ag/SnO2+La2O3+Bi2O3的显微组织图。
图2是图1中近球形大颗粒的能谱分析图。
具体实施方式
实施例1
首先将Ag屑、La屑、Sn屑和Bi屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、La2(CO3)3和Bi2(CO3)3的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤、洗涤，烘干，后于420℃焙烧，得到Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉，再把得到的Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力30吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为900℃，最后采用压力40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。该合金触头材料的成分及重量百分比为：La2O3为2％，Bi2O3为2％，SnO2为8％，其余为银。合金性能指标：电阻率为2.34μΩ.cm、密度为9.78g/cm3、硬度为980Mpa。
将该新银基稀土合金触头材料按照所需触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，试验结果是：动主触头平均温升为28.7K、动触头平均侵蚀量为16.8mg。
本实施例由化学共沉淀制粉法得到触头材料的扫描电镜照片如图1所示，从图中可见共有两种近球形颗粒均匀分布于基体中：一种较为粗大，另一种较细小。其中较为粗大的颗粒，经能谱分析(见图2，图2是图1中近球形大颗粒的能谱分析图)确定为尺寸＜2.5μm的La2O3，其中较细小的颗粒，确定为尺寸＜0.5μm的SnO2和Bi2O3。
将本实施例触头材料按照触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，与同样的Ag/CdO材料触头进行对比。本触头材料与Ag/CdO的通断能力、温升及侵蚀量的试验结果见表1。
表1通断能力、温升及侵蚀量的试验结果
从表1中可以看出，本实施例触头材料通过了通断能力试验，与Ag/CdO相比，温升略小，但侵蚀量明显小于Ag/CdO，约为Ag/CdO的2/3。
实施例2
首先将Ag屑、Ce屑、Sn屑和Bi屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到均匀分散的Ag2CO3、Ce2(CO3)3和Bi2(CO3)3的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤、洗涤，烘干，后于420℃焙烧，得到Ag/Ce2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉，再把得到的Ag/Ce2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力30吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为920℃，最后采用压力40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。该合金触头材料的成分及重量百分比为：Ce2O3为5％，Bi2O3为3％，SnO2为4％，，其余为银。合金性能指标：电阻率为2.41μΩ.cm、密度为9.69g/cm3、硬度为986Mpa。
将该新材料按照触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，试验结果是：动主触头平均温升为27.5K、动触头平均侵蚀量为16.4mg。
实施例3
首先将Ag屑、Pr屑、Sn屑和In屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、Pr2(CO3)3和In2(CO3)3的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤、洗涤，烘干，后于420℃焙烧，得到Ag/Pr2O3+SnO2+In2O3的复合粉，再把得到的Ag/Pr2O3+SnO2+In2O3的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力30吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为900℃，最后采用压力40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。该合金触头材料的成分及重量百分比为：Pr2O3为4％，In2O3为2％，SnO2为4％，其余为银。合金性能指标：电阻率为2.29μΩ.cm、密度为9.88g/cm3、硬度为984Mpa。
将该新材料按照触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，试验结果是：动主触头平均温升为28.2K、动触头平均侵蚀量为16.2mg。
实施例4
首先将Ag屑、Nd屑、Sn屑和Tl屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、Nd2(CO3)3和Tl2(CO3)3的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤，洗涤，烘干，后于400℃焙烧，得到Ag/Nd2O3+SnO2+Tl2O3的复合粉，再把得到的Ag/Nd2O3+SnO2+Tl2O3的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力30吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为920℃，最后采用压力40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。该合金触头材料的成分及重量百分比为：Nd2O3为7％，Tl2O3为1％，SnO2为4％，其余为银。合金性能指标：电阻率为2.35μΩ.cm、密度为9.78g/cm3、硬度为981Mpa。
将该新材料按照触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，试验结果是：动主触头平均温升为28.3K、动触头平均侵蚀量为16.3mg。
实施例5
首先将Ag屑、La屑、Sn屑和Bi屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、La2(CO3)3和Bi2(CO3)3的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤，洗涤，烘干，后于420℃焙烧，得到Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉，再把得到的Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力30吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为920℃，最后采用压力40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。该合金触头材料的成分及重量百分比为：La2O3为1％，Bi2O3为2％，SnO2为9％，其余为银。合金性能指标：电阻率为2.43μΩ.cm、密度为9.89g/cm3、硬度为985Mpa。
将该新材料按照触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，试验结果是：动主触头平均温升为28.8K、动触头平均侵蚀量为16.6mg。
实施例6
首先将Ag屑、La屑、Sn屑和Bi屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、La2(CO3)3和Bi2(CO3)3的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤，洗涤，烘干，后于420℃焙烧，得到Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉，再把得到的Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力30吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为920℃，最后采用压力40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。该合金触头材料的成分及重量百分比为：La2O3为4％，Bi2O3为3％，SnO2为5％，其余为银。合金性能指标：电阻率为2.38μΩ.cm、密度为9.91g/cm3、硬度为983Mpa。
将该新材料按照触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，试验结果是：动主触头平均温升为28.5K、动触头平均侵蚀量为16.5mg。
实施例7
首先将Ag屑、La屑、Sn屑和Bi屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、La2(CO3)3和Bi2(CO3)3的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤，洗涤，烘干，后于420℃焙烧，得到Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉，再把得到的Ag/La2O3+SnO2+Bi2O3的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力30吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为920℃，最后采用压力40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。该合金触头材料的成分及重量百分比为：La2O3为6％，Bi2O3为1％，SnO2为5％，其余为银。合金性能指标：电阻率为2.33μΩ.cm、密度为9.95g/cm3、硬度为978Mpa。
将该新材料按照触头尺寸及形状要求，加工成触头并焊接在触桥上，做温升、通断能力及侵蚀量试验，试验结果是：动主触头平均温升为28.9K、动触头平均侵蚀量为16.1mg。
Claims (7)
1.低压开关电器用银基稀土合金触头材料，其特征在于：该材料化学组成及其重量百分比为：稀土金属氧化物x＝1～7％、Me的氧化物y＝1～3％、SnO2 z＝(12-x-y)％、余量为金属银，其中，稀土金属为La、Ce、Pr、或Nd；Me为Bi、In、Sb、或Tl。
2.根据权利要求1所述的低压开关电器用银基稀土合金触头材料，其特征在于：稀土金属为La。
3.根据权利要求1所述的低压开关电器用银基稀土合金触头材料，其特征在于：Me为Bi。
4.权利要求1所述的低压开关电器用银基稀土合金触头材料的制备方法，其特征在于：采用化学共沉淀制粉法，并将化学共沉淀法得到的共沉淀物进行成形及烧结处理，具体操作步骤是：首先将Ag屑、稀土金属屑、Sn屑和Me屑按成份比配料，混合均匀后加入HNO3至全部溶解，得到混合溶液，然后再加入作为共沉淀剂的固体Na2CO3，控制PH＝8～9，使混合液以SnO2微粒为核心发生共沉淀，直到得到以SnO2微粒为核心的均匀分散的Ag2CO3、稀土金属碳酸盐和Me碳酸盐的共沉淀物完全析出为止，将该共沉淀物用去离子水过滤，洗涤，烘干，后于400～500℃焙烧，得到Ag/稀土金属氧化物+SnO2+Me氧化物的复合粉，再把得到的Ag/稀土金属氧化物+SnO2+Me氧化物的复合粉采用普通模压成形法加工成为具有所需形状和尺寸大小的坯块，此时总的压制压力≤50吨，再将压坯经过固相烧结，烧结温度为800-920℃，最后采用压力≤40吨的复压法对烧结后的压坯进行后处理制得低压开关电器用银基稀土合金触头材料。
5.根据权利要求4所述的低压开关电器用银基稀土合金触头材料的制备方法，其特征在于：采用普通模压成形法的压制压力为30～50吨。
6.根据权利要求4所述的低压开关电器用银基稀土合金触头材料的制备方法，其特征在于：固相烧结是利用箱式电阻炉对压坯进行烧结。
7.根据权利要求4所述的低压开关电器用银基稀土合金触头材料的制备方法，其特征在于：复压法采用压力为30～40吨。
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