專利名稱：一種抗熔焊性能高的銀鎳基電觸頭材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電器件材料，特別涉及小容量控制電器用抗熔焊性能高的銀鎳(AgNi)基電觸頭材料，另外，本發(fā)明還涉及這種AgNi基電觸頭材料Ni纖維取向及該觸頭材料的制備方法。
AgNi觸頭材料具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，接觸電阻低而穩(wěn)定，抗侵蝕性能優(yōu)良，并且易于加工，可以從線材或成型帶材直接焊接于觸頭底座，該材料可以非常有效地加以利用。另外，其制造成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。這些性能使得AgNi材料一直是小容量控制電器中首選的觸頭材料，得到很廣泛的應(yīng)用。然而由于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)開(kāi)關(guān)電器小型化、工作壽命和可靠性要求的不斷提高，以及現(xiàn)代工業(yè)配電電壓等級(jí)的提高，AgNi觸頭材料的缺點(diǎn)——抗熔焊性能差變得愈來(lái)愈明顯。這一缺點(diǎn)導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)小容量控制電器技術(shù)性能落后，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力薄弱。
因此，研究如何提高AgNi材料的抗熔焊性能，以擴(kuò)大其使用電流范圍，不僅保證380V下的電壽命，還要提高其在660V電壓等級(jí)下的工作電流，就具有重要的實(shí)用價(jià)值。
國(guó)外曾研究了Ni含量及粉末顆粒尺寸對(duì)AgNi觸頭材料抗電弧侵蝕性能的影響[1，2]。國(guó)內(nèi)也研究過(guò)Ni纖維方向?qū)gNi觸頭材料侵蝕性能的影響[3，4]。
CN1133646A公開(kāi)了一種銀一氧化鐵基材料的配方及其配置方法。這類材料含有作為其它有效成分的一種第III副族金屬氧化物，尤其是氧化釔(Y2O3)，另外至少含有第IV副族元素的金屬氧化物，如(FeWO4)，改善了焊接特性和短路特性。但是觸頭材料的溫升很容易超標(biāo)。中國(guó)專利86018242公開(kāi)了一種銀基觸頭材料的加工新工藝，利用油壓機(jī)控制擠壓速度和壓力，使錠坯在壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生塑性形變。擠壓出內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈纖維狀態(tài)組織，強(qiáng)化材料基體，從而使材料的均勻度、致密度、強(qiáng)度以及電性能均有明顯提高。但是不能保證觸頭材料的原有性能沒(méi)有降低。中國(guó)專利90104803.8公開(kāi)了一種銀基電觸頭材料的制造方法，將含有硼化物或碳、氮、硼化物形成元素的銀基粉末冶金材料壓制成電觸頭坯料，經(jīng)燒結(jié)后壓制成型。這種材料的制備方法只適用于小規(guī)模的生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低。
截至目前，如西門子等跨國(guó)公司在我國(guó)設(shè)立的制造接觸器的合資企業(yè)，絕大部分元件已國(guó)產(chǎn)化，但觸頭材料仍要從母公司進(jìn)口。
以下是發(fā)明人檢索的參考文獻(xiàn)1.Morin，L.；Jemma，N.B；Jeannot，D.；Pinard，J.；Nedelec，L.，Contacts materials performances under break arc in automotive applications.IEEETransactions on Components and Packaging Technologies，Volume23 Issue2，Jun 2000.pp367-375.
2.Zeng，R.；Guo，Y.C.；Tanaka，Y.；Horvat，J.；Ionescu，M.；Beales，T.P.；Apperley，M.；Liu，H.K.；Dou，S.X.；Fabrication and properties ofsome Ag-alloy sheathed Bi-2223 tapes.IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity，Volume9 Issue2，Jun 1999，PP2710-2713.
3.Li Zhenbiao；Cheng Lichun；Zou Jiyan；The metallurgical researchresearch on contact surface deterioration of AgNi，AgW，AgFe，AgCu contactmaterials.Electrical Contacts，1995，IEEE Holm Conference on Proceedings ofthe Forty-first，2-4 Oct 1995，pp346-349.
4.Zheng Xinjian；Wang Qiping，The types and the formation mechanisms ofAgNi contact morphology due to breaking arc erosion，Electrical Contacts，1993，IEEE Holm Conference on Proceedings of the Thirty-Ninth，27-29 Sep 1993，pp97-102.
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)解決方案是，抗熔焊性能高的AgNi基電觸頭材料，其特征在于，其成分包括鎳(Ni)≤10％、鎢(W)＜5％、二氧化鍺(GeO2)＜1％、碳酸鋰(Li2CO3)＜100ppm，余量為銀(Ag)；銀粉、鎢粉和鎳粉的純度均為99.96以上；銀粉和鎳粉的顆粒度為200-500目，鎢粉的顆粒度為100-300目。
實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的抗熔焊性能高的銀鎳基電觸頭材料的制備方法，采用壓制、燒結(jié)、擠壓成型。對(duì)工藝流程中的一些條件參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)控制，并考慮鎳的含量和纖維取向。其特征在于，包括以下步驟1)首先將銀粉、鎢粉和經(jīng)還原的鎳粉過(guò)篩；2)將銀粉、鎢粉和經(jīng)還原的鎳粉按上述比例混合，同時(shí)按上述添加潤(rùn)濕劑二氧化鍺和碳酸鋰，烘干；3)將上述烘干的粉末進(jìn)行充分混合；4)在150Mpa～280Mpa等靜壓壓強(qiáng)下將混合后的粉末壓制成坯料；5)在高溫?zé)Y(jié)爐中對(duì)壓制成型的坯料燒結(jié)；燒結(jié)溫度為750℃～900℃，燒結(jié)時(shí)間1h～10h，氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)；6)對(duì)燒結(jié)后的坯料進(jìn)行復(fù)壓，工藝參數(shù)同4)；7)對(duì)燒結(jié)后的坯料在液壓機(jī)上擠壓，坯料的加熱溫度為300℃～800℃，擠壓模具的預(yù)熱溫度為100℃～400℃，擠壓速度為5m/min～8m/min，擠壓比為10～80；8)擠壓后的帶材經(jīng)軋制成板材，板材厚度達(dá)0.5mm～3mm；
9)將板材沖制成觸頭，經(jīng)磨削清洗后即可制成AgNi基電觸頭。
本發(fā)明的新型AgNi基觸頭材料，經(jīng)在國(guó)家低壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心裝機(jī)試驗(yàn)表明，在600V、16A、AC-4工作類別下，電壽命較目前市場(chǎng)供應(yīng)的觸頭的電壽命提高5倍以上，而其他性能沒(méi)有下降，制造成本還略有降低。
為了分析目前已有AgNi基觸頭在運(yùn)行中存在的熔焊問(wèn)題，申請(qǐng)人選用了四種額定電流為16A的國(guó)產(chǎn)接觸器，在額定電壓660V，額定電流16A的條件下，進(jìn)行了AC-4工作類別的電壽命試驗(yàn)。
研究性試驗(yàn)在西安交通大學(xué)低壓斷流實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)進(jìn)程采用可編程程序控制器進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)接觸器觸點(diǎn)閉合時(shí)時(shí)間的在線監(jiān)測(cè)，可判斷觸點(diǎn)是否已發(fā)生熔焊，并能在熔焊發(fā)生后進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖1為試驗(yàn)線路的示意圖，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)四種試品(見(jiàn)表1)為目前市場(chǎng)上的四種接觸器產(chǎn)品。
表1 4種樣品的AC-4電壽命試驗(yàn)結(jié)果
在上述試驗(yàn)條件下，所選4種小容量控制電器中，一種因觸頭脫落失效外，兩種因觸頭熔焊而早期失效，另一種因相間短路而失效。但相間短路之所以會(huì)發(fā)生，仍是由于橋式觸頭的某一斷口首先熔焊，使得電器熄弧條件嚴(yán)重劣化而引起相間短路。表1示出了四種樣品在AC-4電壽命試驗(yàn)結(jié)果。由此可以看出，小容量控制電器用AgNi基觸頭在運(yùn)行中的關(guān)鍵問(wèn)題是抗熔焊性低。此性能低劣，便會(huì)造成電器產(chǎn)品過(guò)早失效，無(wú)法滿足電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，并導(dǎo)致主要由貴金屬銀組成的觸頭材料的大量浪費(fèi)。
觸頭表面形貌是電弧作用下觸頭表面所發(fā)生的物理化學(xué)現(xiàn)象及觸頭失效模式的外部宏觀表現(xiàn)。為準(zhǔn)確掌握小容量控制電器用AgNi觸頭在運(yùn)行中存在的關(guān)鍵問(wèn)題，借助掃描電子顯微鏡(SEM)，對(duì)試驗(yàn)后的觸頭表面形貌特性進(jìn)行了觀察。SEM觀察表明，目前小容量控制電器用AgNi基觸頭材料基體裂紋、孔洞發(fā)生和發(fā)展嚴(yán)重。圖2示出了4號(hào)試品的觸頭失效后表面形貌的SEM相片。
對(duì)AgNi觸頭材料，孔洞出現(xiàn)的原因部分是制造過(guò)程中的原始缺陷，部分是由于液態(tài)銀比固態(tài)銀對(duì)氧氣的溶解度增加近40倍。裂紋出現(xiàn)的原因較多，對(duì)AgNi材料而言，主要是因孔洞造成的結(jié)構(gòu)缺陷，使材料機(jī)械強(qiáng)度下降，因而在熱應(yīng)力的多次作用下產(chǎn)生裂紋。
圖3示出了液態(tài)銀在觸頭表面鋪展不足，從而形成富銀區(qū)，不僅不能利用液態(tài)銀的流動(dòng)抑制孔洞和裂紋的發(fā)展，還降低了分散體系的粘性，增加了液態(tài)噴濺引起的材料損耗，也增加了觸頭熔焊后的熔焊強(qiáng)度。
總之，小容量控制電器用AgNi觸頭在運(yùn)行過(guò)程中存在的關(guān)鍵問(wèn)題是抗熔焊性能低劣。而從觸頭材料本身分析，其原因在于液態(tài)銀對(duì)觸頭表面的潤(rùn)濕作用弱，分散體系中粘性低，因而導(dǎo)致觸頭基體孔洞和裂紋的發(fā)展得不到有效抑制，熔焊點(diǎn)熔焊強(qiáng)度高。表面粗糙不平，富銀區(qū)發(fā)生傾向較高，材料整體性能的劣化速度太快。
從上述分析可以看出，為提高觸頭材料的抗熔焊性，降低觸頭材料的熔焊傾向是積極的對(duì)策，而降低熔焊強(qiáng)度只是消極、被動(dòng)的對(duì)策。鑒于小容量控制電器無(wú)專門磁吹滅弧裝置，提高其觸頭材料抗熔焊性能的思路是著重降低觸頭材料的熔焊傾向，輔以適當(dāng)降低熔焊強(qiáng)度的措施。
本發(fā)明的具體內(nèi)容如下1.擴(kuò)散電弧弧根——降低電弧輸入電極表面的熱流密度考慮到小容量控制電器的實(shí)際滅弧結(jié)構(gòu)，為達(dá)到擴(kuò)散電弧弧根的目的，通過(guò)在觸頭材料中添加合適的微量元素而實(shí)現(xiàn)。堿金屬具有失去最外層自由電子而成為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的屬性。在AgNi材料中，添加適量的堿金屬，可降低觸頭表面的逸出功，增加電子發(fā)射源，起到擴(kuò)散電弧弧根斑點(diǎn)、減小電弧對(duì)觸頭輸入的熱流密度。但是所加入的堿金屬的量必須嚴(yán)格控制，以免增加觸頭間電弧重燃的概率。
2.增加潤(rùn)濕性——抑制富銀區(qū)、孔洞、裂紋的發(fā)生與發(fā)展通過(guò)添加潤(rùn)濕劑，強(qiáng)化表面動(dòng)力學(xué)特性之中的潤(rùn)濕性，使液態(tài)銀在AgNi觸頭材料表面充分鋪展，降低富銀區(qū)發(fā)生傾向。利用液態(tài)銀的流動(dòng)，可抑制孔洞和裂紋的發(fā)生。此外，還增加了熔融液態(tài)銀的粘度，降低了因液態(tài)噴濺而產(chǎn)生的材料損耗。表2列出了幾種常用的潤(rùn)濕劑與液態(tài)銀之間的接觸角。
表2幾種常用的潤(rùn)濕劑與液態(tài)銀之間的接觸角
3.適當(dāng)提高與Ag親和力小的組份含量在新型AgNi基觸頭材料開(kāi)發(fā)中，適當(dāng)添加與銀親和力小的組份含量以降低熔焊強(qiáng)度。并嚴(yán)格控制其含量，以免造成觸頭溫升超標(biāo)。
4.制造工藝及鎳?yán)w維取向的確定本發(fā)明利用鎳?yán)w維取向與工作表面平行，鎳顆粒很容易在熔體中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以被擴(kuò)散輸送到熔體的較熱部分，并被迅速熔化和溶解，更快地達(dá)到“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”，使得材料具有更耐腐蝕的微觀結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明在制作新的AgNi材料時(shí)，采用壓制、燒結(jié)、擠壓成型。材料加工流程示意圖如圖4所示。對(duì)工藝流程中的一些條件參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)控制，并考慮鎳的含量和纖維取向。
權(quán)利要求
1.一種抗熔焊性能高的銀鎳基電觸頭材料，其特征在于，其成分包括鎳≤10％、鎢＜5％、二氧化鍺＜1％、碳酸鋰＜100ppm，余量為銀。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的抗熔焊性能高的銀鎳基電觸頭材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)首先將銀粉、鎢粉和經(jīng)還原的鎳粉過(guò)篩；2)將銀粉、鎢粉和經(jīng)還原的鎳粉按上述比例混合，同時(shí)按上述添加潤(rùn)濕劑二氧化鍺和碳酸鋰，烘干；3)將上述烘干的粉末進(jìn)行充分混合；4)在150Mpa～280Mpa等靜壓壓強(qiáng)下將混合后的粉末壓制成坯料；5)在高溫?zé)Y(jié)爐中對(duì)壓制成型的坯料燒結(jié)；燒結(jié)溫度為750℃～900℃，燒結(jié)時(shí)間1h～10h，氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)；6)對(duì)燒結(jié)后的坯料進(jìn)行復(fù)壓，工藝參數(shù)同4)；7)對(duì)燒結(jié)后的坯料在液壓機(jī)上擠壓，坯料的加熱溫度為300℃～800℃，擠壓模具的預(yù)熱溫度為100℃～400℃，擠壓速度為5m/min～8m/min，擠壓比為10～80；8)擠壓后的帶材經(jīng)軋制成板材，板材厚度達(dá)0.5mm～3mm；9)將板材沖制成觸頭，經(jīng)磨削清洗后即可制成AgNi基電觸頭。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型銀鎳電觸頭材料及制備方法。電觸頭材料有鎳Ni(≤10％)、鎢W(＜5％)、二氧化鍺GeO
文檔編號(hào)H01H1/02GK1478913SQ03134368
公開(kāi)日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2003年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者榮命哲, 王小華 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)