本發(fā)明涉及一種合金材料，更具體的說是涉及一種層狀銀銅釬三復合電觸頭材料及其制備方法。
背景技術：
繼電器、接觸器、斷路器的核心元件為電觸頭(點)，它承擔著接通分斷電流的繁重任務，觸頭元件的優(yōu)劣取決于電觸頭(點)材料的性能和科學有效的組合，它是電器安全的重要保證。
目前，市場上使用量最大的觸頭材料是銀合金和銅合金兩大類。銅合金觸頭材料部分應用在斷路器及高壓開關上，銅合金觸頭材料雖然價格低廉，但銅合金電觸頭抗氧化性能差，在裝機后到商用的時間長短不一，電器擱置時間長、使用時電觸頭表面會形成氧化膜，另外在使用時分斷會釋放大量的熱，也會造成表面受熱氧化生成氧化膜，使接觸電阻增大影響導電性和導熱性，使電器的溫升增加；開關溫升的增高，會加速開關內所有元器件的失效，縮短其電壽命。因此出現(xiàn)惡性循環(huán)，使電器過熱導致?lián)p壞及出現(xiàn)觸點熔焊釀成安全事故。
現(xiàn)有銀合金觸頭材料廣泛應用在繼電器、接觸器、斷路器上。其中，銀鎢和銀碳化鎢石墨是使用在斷路器上的典型材料。
另外一般的小型斷路器使用銀氧化鎘或銀石墨合金(如AgC4)觸頭材料等。但其含銀量都很高，銀氧化鎘觸頭材料的含銀量均在85％以上，且是目前觸頭材料市場的主流產品，每年耗銀量相當龐大。然而如今的白銀資源非常有限，隨著用量的增加，必將導致白銀價格飛漲，從而使生產電觸頭材料的成本居高不下，企業(yè)經(jīng)濟效益下降，社會效益也大為削減。而且該類產品的另一金屬元素鎘對環(huán)境污染較大，不符合如今環(huán)保的發(fā)展趨勢。因此，電器制造商對在保證質量的前提下，要求合金行業(yè)采用賤金屬代替貴金屬銀來減低產品成本的呼聲越來越高。為此，我們需要尋求一種能綜合銅合金觸頭和銀合金觸頭優(yōu)良性能，且材料成本低、綜合電氣性能優(yōu)良的節(jié)銀、環(huán)保的電觸頭材料來替代傳統(tǒng)的銅合金觸頭、銀合金觸頭及銀銅合金觸頭材料。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種材料成本低、綜合電氣 性能優(yōu)良的節(jié)銀、環(huán)保的電觸頭材料來替代傳統(tǒng)的銅合金觸頭、銀合金觸頭及銀銅合金觸頭材料。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術方案：
一種層狀銀銅釬三復合電觸頭材料，依次包括
銀合金層：含銀量以質量百分比計為70～99.9％；
銅合金層：含銅量以質量百分比計為80～99.9％；
釬料層：銀銅磷釬料、銀銅鋅釬料或非晶釬料；
作為本發(fā)明的進一步改進，
所述銀合金層包括下列重量百分數(shù)組成：
銀80～99.9％；
銀層添加物0.1～20％：
金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬化合物中至少一種：0.04～10.3％、
金剛石微粉0.05～4％、
稀土元素總量0.01～5.7％；
所述銅合金層包括下列重量百分數(shù)組成：
銅80～99.9％；
銅層添加物0.1～20％：
金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬化合物中至少一種：0.04～10.3％、
金剛石微粉0.05～4％、
稀土元素總量0.01～5.7％。
作為本發(fā)明的進一步改進，
所述銀層添加物為：包括金剛石微粉、石墨、硼、鋁、硅、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、鈮、鉬、銦、錫、銻、碲、鉿、鉭、鎢、錸、鉍、鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥以及相對應的非金屬化合物或金屬氧化物中至少一種；
所述銅層添加物為：包括金剛石微粉、石墨、硼、鋁、硅、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、鈮、鉬、銦、錫、銻、碲、鉿、鉭、鎢、錸、鉍、鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥以及相對應的非金屬化合物或金屬氧化物中至少一種。
作為本發(fā)明的進一步改進，
所述釬料層包括下列重量百分數(shù)組成：銀0.1～15％、鎳0.1～18％、錫0.1～20％、磷0.1～10％、鋅0.1～50％、余量為銅。
作為本發(fā)明的進一步改進，
所述銀層添加物和銅層添加物中的金屬氧化物為SnO2、ZnO、CuO、Fe2O3、CdO、In2O3、Bi2O3、Al2O3、MoO3、ZrO2中的一種或多種氧化物，所述銀層添加物和銅層添加物中的的稀土元素為鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥中的一種或多種組合。
一種層狀銀銅釬三復合電觸頭材料的制備方法：
步驟1：按所需制備材料的成分比例，制備銀合金粉末與銅合金粉末；
步驟2：分別將銀合金粉末、銅合金粉末和釬料制備成所要求厚度的帶材；
步驟3：將銀合金層帶材、銅合金層帶材、釬料帶材依次疊加在一起進行熱復合；
步驟4：將熱復合后的帶材經(jīng)冷軋、沖制等工藝制備成三層復合觸點；
所述釬料為銀銅磷釬料、銀銅鋅釬料或非晶釬料。
作為本發(fā)明的進一步改進，
所述步驟1包括：
步驟1-1：銀金屬合金粉的制備，按照重量百分數(shù)比例，將銀80～99.9％與添加物0.1～20％進行混合，制備銀合金粉末。
銀層添加物0.1～20％：
金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬化合物中至少一種：0.04～10.3％、
金剛石微粉0.05～4％、稀土元素總量0.01～5.7％。
步驟1-2：銅金屬合金粉的制備，按照重量百分數(shù)比例，將銅80～99.9％與添加物0.1～20％進行混合，制備銅合金粉末。
銅層添加物0.1～20％：
金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬化合物中至少一種：0.04～10.3％、金剛石微粉0.05～4％、
稀土元素總量0.01～5.7％。
所述步驟2，將銀合金粉末、銅合金粉末經(jīng)過粉末壓錠、燒結、擠壓、冷軋得到銀合金帶材、銅合金帶材，將釬料經(jīng)過擠壓、冷軋得到釬料帶材，所述粉末壓錠，初坯成型壓強為90～450Mpa，控制密度為理論密度的75～88％，所述擠壓溫度在700～900℃；
所述步驟3，復合溫度在500～900℃，熱軋速度為0.1～10米/分；
所述步驟4，復合好的帶材進行冷軋到所需的厚度，其每道次軋下量小于20％。作為本發(fā)明的進一步改進，
所述步驟1-1中銀層添加物為：包括金剛石微粉、石墨、硼、鋁、硅、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、鈮、鉬、銦、錫、銻、碲、鉿、鉭、鎢、錸、鉍、鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥以及相對應的非金屬化合物或金屬氧化物中至少一種；
所述步驟1-2中銅層添加物為：包括金剛石微粉、石墨、硼、鋁、硅、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、鈮、鉬、銦、錫、銻、碲、鉿、鉭、鎢、錸、鉍、鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥以及相對應的非金屬化合物或金屬氧化物中至少一種。
作為本發(fā)明的進一步改進，
所述銀層添加物和銅層添加物中的金屬氧化物為SnO2、ZnO、CuO、Fe2O3、CdO、In2O3、Bi2O3、Al2O3、MoO3、ZrO2中的一種或多種氧化物，所述銀層添加物和銅層添加物中的的稀土元素為鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥中的一種或多種組合。
作為本發(fā)明的進一步改進，
所述步驟2中，燒結溫度為850～950℃，燒結時間為2～5小時，經(jīng)過燒結后降溫至50攝氏度以下出爐。
本發(fā)明的有益效果，
1.在銀合金層和銅合金層中添加金剛石微粉和鎳粉，占總量0.5～40％，以及石墨、硼、鋁、硅、磷、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鋅、鋯、鈮、鉬、銀、銦、錫、銻、碲、鉭、鎢、錸、鉍、鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥中的金屬、非金屬、金屬氧化物或非金屬化合物的一種或幾種，對材料的組織結構進行了優(yōu)化，提高了材料的抗熔焊性和耐電弧燒損性。
2.采用了三層復合材料，提高了銅合金材料的抗氧化性，降低了材料的接觸電阻，提高了材料的導電率，降低了開關電器的溫升。
3.采用大變形量熱復合工藝制備的加入添加物的三層復合材料，其銀合金層與銅合金層、銅合金層與釬料層之間結合牢固，并因復合效應而提升了產品的綜合性能，提高了開關電器的使用壽命。由于采用了三層復合工藝，節(jié)銀效果明顯，節(jié)銀量為70％左右，進一步降低了電觸頭材料的成本。
4.由于本發(fā)明配方和工藝等設計合理，生產的電觸頭材料具有導電率高，接觸 電阻低，組織均勻致密，結合強度高，抗氧化性好，具有優(yōu)良的抗熔焊性和耐電弧燒損性等特點。
具體實施方式
實施例一：
霧化粉制備銀合金/銅合金/釬料三層復合電觸頭材料
步驟1.霧化制粉：包括制備銀金屬合金粉與銅金屬合金粉。
制備銀金屬合金粉末或銅金屬合金粉末時，在銀或銅中添加鋁、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、銦、錫、銻、碲、鉍的一種或兩種及以上金屬，或鈧、釔、鑭、鈰、釹、鐿、镥中的一種或兩種及以上稀土合金，進行高溫熔煉，熔煉溫度為1030～1450℃，待其充分合金化后用高壓水使其霧化成銀金屬合金粉末或銅金屬合金粉末，然后烘干并過50～500目篩，其中所用原料按質量百分比計為：銀或銅的含量為(80～99.9)％，含其他材料比例(0.1～20)％。
步驟1-1制備銀金屬合金粉
制備銀金屬合金粉末時，將銀和所添加金屬元素以及稀土元素，進行高溫熔煉，熔煉溫度為1030～1400℃，合金化后用高壓水使其霧化成銀合金粉末，然后烘干并過200目篩，其中所用原料按質量百分比計為：銀98.5％，稀土釔鈰合金0.3％，銦1％、和鎳0.2％。
步驟1-2制備銅金屬合金粉
制備銅金屬合金粉末時，將銅和所添加金屬元素以及稀土元素，進行高溫熔煉，熔煉溫度為1030～1400℃，合金化后用高壓水使其霧化成銅合金粉末，然后烘干并過200目篩，其中所用原料按質量百分比計為：銅(80～99.5)％，稀土鑭、釔、鈰合金0.6％，鉍0.15％、和鎳0.2％。
步驟2.將銀金屬合金粉經(jīng)焙燒氧化處理得到銀金屬氧化物粉末，氧化溫度為600℃，氧氣壓強為3Mpa，時間為10小時。
步驟3.將上步驟2所得的銀金屬合金粉末，在其中添加石墨、鎳、碳化硅、釔、氧化鑭、和金剛石微粉，按銀金屬合金88％，鎳10％，金剛石1％，氧化鑭0.2％，其他0.5％，在混粉球磨機內均勻混合，混粉時間為8小時，球料比為20∶1。
步驟4.將步驟3得到的混合物進行成型、燒結得到錠坯。其等靜壓初坯成型壓強180Mpa，控制密度為理論密度的75～90％，初坯裝入燒結爐后抽真空充入惰性氣體進行保護，燒結溫度為900℃，時間為3小時，而后隨爐冷卻至50℃以下出爐。
步驟5.將上述所得到錠坯，復壓、擠壓和軋制。將錠坯進行復壓后，擠壓成帶材，然后再進行軋制獲得含添加物或金屬氧化物的銀合金層電觸頭材料備用。擠壓溫度為880℃，擠壓比為100。
步驟6.按上述步驟2、3、4、5步驟相同，制備好銅合金層帶材，含金剛石微粉1％，鑭釔鈰0.9％，鉍0.15％，鎳0.2％，銅量為余量。
步驟7.釬料層采用銀銅鋅釬料，制造工藝采用熔煉法。通過擠壓、軋制和退火工藝，制備成帶材備用。
步驟8.將含有添加物的銀合金、銅合金和釬料帶材，分別將材料的復合面打磨干凈，再將其分別或同時在熱復合設備上進行復合，其復合溫度為830℃，速度為4米/分。
步驟9.將熱復合好后的帶材經(jīng)冷軋、沖制等制備成節(jié)銀、環(huán)保型三層復合觸點。在加工過程中，帶材保溫退火時需使用保護氣體進行保護，溫度為600℃，時間為2小時，冷軋時每道軋制量小于20％。
實施例二：
包覆粉制備銀合金/銅合金/釬料三層復合電觸頭材料
步驟1.銀合金粉采用包覆法獲得，其方法是將一定比例的硝酸銀，倒入裝有添加根據(jù)權利要求1或2的要求的金屬、非金屬、非金屬化合物或金屬氧化物的一種或兩種以上元素或物質，或加入稀土銅合金、金剛石微粉、鋯、釔、鏑合金的一種或兩種以上元素的盛器中，加入氨水，調節(jié)PH值在9.5，攪拌均勻后，加入一定量的水合肼，使硝酸銀完全沉淀，將沉淀過濾、清洗干凈并烘干。
步驟2.銅合金粉采用機械混粉制備，其方法是將銅粉97.6％、金剛石微粉1.5％、鎢粉0.2％、氧化鑭粉0.5％、鎳粉0.2％進行混粉，混粉在球磨機內混合均勻，混粉時間8小時，球料比20∶1，獲得銅合金粉末。
步驟3.將銀合金粉末和銅合金粉末，經(jīng)焙燒處理得到金屬、非金屬或金屬氧化物粉末，焙燒溫度為700℃，時間為3小時。
步驟4.將步驟2、3得到的混合物進行成型、燒結得到錠坯。等靜壓初坯成型壓強為180Mpa，控制密度為理論密度的90％，初坯裝入燒結爐后抽真空充入惰性氣體進行保護，燒結溫度為930℃，時間為3小時，而后隨爐冷卻至60℃以下出爐。
步驟5.將上述所得到錠坯進行復壓、擠壓和軋制。將錠坯進行復壓后，擠壓成帶材，然后再進行軋制獲得含添加元素或金屬氧化物的銀合金帶材備用。擠壓溫度為900℃，擠壓比為100。
步驟6.按上述步驟5相同，制備好的銅合金帶材備用。
步驟7.焊料層采用銀銅磷焊料，制造工藝采用熔煉法，通過擠壓和軋制工藝，制備成帶材備用。
步驟8.將含有添加元素或金屬氧化物的銀合金、銅合金和焊接材料，分別將材料的復合面打磨并酸洗干凈，再將其分別或同時在熱復合設備上復合好， 其復合溫度為850℃，速度為4米/分。
步驟9.將熱復合后的帶材經(jīng)冷軋、沖制等工藝制備成節(jié)銀、環(huán)保型三層復合觸點。在加工過程中，帶材退火需使用保護氣體進行保護，溫度為650℃，時間為2小時，冷軋時每次軋制量小于20％。
實施例三：
包套擠壓制備銀合金/銅合金/釬料三層復合電觸頭材料
步驟1.備料
步驟1-1制備銀金屬合金粉
制備銀金屬合金粉末時，將銀和所添加金屬元素以及稀土元素，進行高溫熔煉，熔煉溫度為1030～1400℃，合金化后使溶液溫度在1100±30℃時，用高壓水使其霧化成銀合金粉末，然后烘干并過200目篩，其中所用原料按質量百分比計為：銀99％，鈰0.3％，釔0.5％、鎳0.2％。
步驟1-2，制備銅金屬合金粉
制備銅金屬合金粉末時，將銅和所添加金屬元素以及稀土元素，進行高溫熔煉，熔煉溫度為1030～1400℃，合金化后使溶液溫度在1150±30℃時，用高壓水使其霧化成銅合金粉末，然后烘干并過200目篩，其中所用原料按質量百分比計為：銅98.9％，稀土鑭、釔、鈰合金0.8％，鉍0.1％，鎳0.2％。
步驟1-3，釬料：將銀、銅磷合金作為原料與銅按比例配方制備釬料，按(以質量百分比計)：銀5％、磷7％、銅余量，進行熔煉、鑄錠。
步驟2.合金粉球磨
步驟2-1，將上步驟1所得的銀金屬合金粉末中添加鎳、金剛石微粉、氧化釔、氧化鑭、石墨、碳化硅，按銀金屬合金88％，鎳10％，金剛石微粉1％，鑭、釔0.5％，其他0.5％，在混粉球磨機內均勻混合，混粉時間為8小時，球料比為20∶1。
步驟2-2，將上步驟1所得的銅金屬合金粉末中添加鎳、金剛石微粉、碳化硅，
按銅金屬合金97％，鎳1％，金剛石微粉1％，碳化硅1％，在混粉球磨機內均勻混合，混粉時間為8小時，球料比為20∶1。
步驟3.等靜壓
將步驟2中的合金粉在橡膠包套內，按產品的銀合金層厚度要求，按比例做隔板，將制備好的銀金屬合金粉末和銅合金粉末，分別倒入橡膠包套隔板的兩端，將其倒入的銀合金粉末和銅合金粉末搗實，緩慢取出包套內隔板，鎖緊包套蓋子，放入等靜壓擠壓缸內，擠壓成錠。等靜壓初坯成型壓強為180Mpa，控制密度為理論密度的90％，初坯裝入燒結爐后抽真空充入惰性氣體進行保護，燒結溫度為930℃，時間為3小時，而后隨爐冷卻至60℃出爐。
步驟4.擠壓軋制
步驟4-1將步驟3所得到錠坯進行復壓、擠壓和軋制。將錠坯進行復壓后，擠壓成板材，然后再進行軋制獲得含添加物的銀合金/銅合金料帶備用。擠壓溫度為900℃，擠壓比為100。
步驟4-2將步驟1中的釬料錠進行擠壓成板材，再通過冷軋、退火等工藝制備成釬料帶。
步驟5.熱復合
將銀合金/銅合金料帶材和釬料帶材的復合面打磨干凈，再將其熱復合設備上進行復合，其復合溫度為850℃，速度為4米/分。
步驟6.軋制沖壓
將復合好的三層復合材料，軋制到所需的厚度，再沖制成產品。在加工過程中，帶材的退火需使用保護氣氛進行保護，溫度為650℃，時間為2小時，冷 軋時每道軋制量小于20％。
實施例四：
與實施例一的區(qū)別在于：
步驟3：將上步驟2所得的銀金屬合金粉末，在其中添加石墨、鎳、碳化硅、釔、氧化鑭、和金剛石微粉，按銀金屬合金92％，鎳3.7％，金剛石1.8％，氧化鑭1.5％，釔0.2％、氧化鈧0.5％，ZrO2：0.1％，氧化鉍0.2％，在混粉球磨機內均勻混合，混粉時間為8小時，球料比為20∶1。
步驟6.按上述步驟2、3、4、5步驟相同，制備好銅合金層帶材，最終含量為：銅：88％，鎳4.7％，金剛石1.8％，氧化鑭0.5％，釔0.5％、氧化鈰0.6％、氧化鈧0.5％，ZrO2：1％，鐵0.5％，氧化鉍1％，鑭釔鈰合金0.9％。
實施例五
與實施例一的區(qū)別在于：
步驟3：將上步驟2所得的銀金屬合金粉末，在其中添加石墨、鎳、碳化硅、釔、氧化鑭、和金剛石微粉，按銀金屬合金96％，鎳0.5％，金剛石1.5％，氧化鑭2％，在混粉球磨機內均勻混合，混粉時間為8小時，球料比為20∶1。
步驟6.按上述步驟2、3、4、5步驟相同，制備好銅合金層帶材，最終含量為：銅：90％，鎳2％，釩1％，鐵1％，錳0.5％，氧化鋅1％，二氧化鈦1％，金剛石0.5％，氧化鑭1.5％，鑭釔鈰合金0.9％，鈧0.1％，其他1％。
采用本發(fā)明制備的含有添加物的三層復合材料，其主要性能如下：
1.密度：≥8.3g/cm3；
2.硬度(HB)≥70；
3.電阻率：≤2.15μΩ.cm；
4.金相照片：添加物呈點狀均勻分布于基體中。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。