一種高性能節(jié)銀電接觸材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高性能節(jié)銀電接觸材料及其制備方法，成份為：（WC.TiC）45-73wt%，鈷2-5%wt，稀土小于0.1wt%，余為銀；采用0.7-4um（WC.TiC）作為防弧成分的粒度；細(xì)粒度的（WC.TiC）之間的間距控制在0.1～1.0um。通過(guò)開發(fā)特殊的工藝路線解決在靜態(tài)下銀與（WC.TiC）之間的良好潤(rùn)濕/結(jié)合，并確保生產(chǎn)出能發(fā)揮材料潛能所需的精細(xì)組織，即硬質(zhì)相粒度與分散的均勻性；在材料中加入一到幾種微量元素，改善在電弧作用下，液態(tài)銀與硬質(zhì)相（WC.TiC）之間的潤(rùn)濕性，從而全面提高材料的綜合性能；同時(shí)加入少量的稀土作為改善銀材料晶界的性能。
【專利說(shuō)明】一種高性能節(jié)銀電接觸材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬?gòu)?fù)合材料，具體是一種高性能節(jié)銀電接觸材料及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在低壓中強(qiáng)電流等級(jí)的電器開關(guān)中，作為觸頭材料，銀基復(fù)合材料占據(jù)統(tǒng)治地位，這主要是取決于銀的良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。但銀是稀貴金屬，價(jià)值高且產(chǎn)量有限，因此在使銀基復(fù)合材料的性能進(jìn)一步提高的情況下盡可能降低含銀量，是材料工作者共同關(guān)注的一個(gè)很有現(xiàn)實(shí)意義的問(wèn)題。
[0003]銀鎢觸頭自1937年問(wèn)世以來(lái)，得到廣泛的應(yīng)用。銀鎢是以鎢為骨架的含銀燒結(jié)觸頭材料，其燒結(jié)材料將銀的高導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率與高熔點(diǎn)金屬鎢的高硬度、抗熔焊、材料轉(zhuǎn)移小、高燒損性結(jié)合為一體，因而通斷過(guò)程的機(jī)械磨損也比其它材料小。但銀鎢觸頭材料接觸電阻不穩(wěn)定，在使用過(guò)程中有溫升逐漸升高的現(xiàn)象。大量研究表明，這是由于在分?jǐn)噙^(guò)程中，觸頭表面材料中生成氧化鎢或鎢酸鹽的原因，因而很多國(guó)家提出用難熔化合物來(lái)替代鎢。
[0004]其中碳化鎢是極好的一個(gè)選擇。銀炭化鎢材料硬度極高，極耐磨損，接觸電阻略高于銀鎢，但很穩(wěn)定，由于電弧作用時(shí)游離碳起著還原作用，防止氧化層形成，耐電弧作用好，因而燒損少，熔焊傾向小。但銀碳化鎢材料中碳化鎢容易發(fā)射熱電子，在一定程度上了對(duì)材料的電流分?jǐn)嗄芰υ斐韶?fù)面影響。
[0005]為了解決這個(gè)問(wèn)題，日本采用了加入部分碳化釩的方案，但相關(guān)資料很少。據(jù)公開資料中介紹，日本采用了外加壓力方式進(jìn)行生產(chǎn)，這種生產(chǎn)方式，需要大型設(shè)備，生產(chǎn)效率沒(méi)有足夠數(shù)據(jù)支持。美國(guó)的西屋電氣公司從70年代研究用WC.TiC的固溶體代替碳化鎢作為銀基電接觸材料中的高熔點(diǎn)添加物，取得了美國(guó)專利，生產(chǎn)工藝未見報(bào)道，且未見批量生產(chǎn)的報(bào)道。他們發(fā)現(xiàn):銀TiC混合物作為電觸頭材料，有較低的接觸電阻，但是缺乏強(qiáng)度，且制造相當(dāng)困難。原因就是銀與TiC潤(rùn)濕性差，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品相對(duì)密度低，強(qiáng)度低，電阻率聞。
[0006]上海大學(xué)曾有文獻(xiàn)報(bào)道，將國(guó)家機(jī)械部統(tǒng)一開發(fā)銀WC12C3材料中之WC用碳化鎢-碳化鈦(WC.TiC)固溶體代替，實(shí)驗(yàn)證明，該材料在電流分繼能力，接觸電觸及溫升方面表現(xiàn)較好，但他主要用在高銀含量的材料中，如材料成份為銀80 (W.Ti)C17C3。在第32界電接觸與電接觸材料會(huì)議上曾有文獻(xiàn)報(bào)道碳化鎢碳化鈦形成固溶極大的改善了碳化鎢熱電子發(fā)射的性能。孫明在博士學(xué)位論文《觸頭材料的電弧侵蝕特性及其數(shù)學(xué)模型研究》；王可健在博士學(xué)位論文《電觸頭材料的分?jǐn)嚯娀∏治g研究》；徐堅(jiān)《汽車?yán)^電器用銀MeO電觸頭材料抗熔焊行為的研究》博士論文中，分別談到電弧與觸頭相互作用的過(guò)程及機(jī)理，討論了硬質(zhì)相粒度等參數(shù)對(duì)材料在電弧作用下的響應(yīng)行為之?dāng)?shù)學(xué)模型，根據(jù)這上數(shù)學(xué)模型，硬質(zhì)相粒度在0.1~7um，間距在0.1~1.0um時(shí)，材料表現(xiàn)出最好的綜合性能。銀(WC.TiC)材料還有兩個(gè)問(wèn)題:1、銀與(WC.TiC)潤(rùn)濕性差，采用日常工藝生產(chǎn)出的材料，氣體含量高，材料的電性能潛力無(wú)法得到有效的發(fā)揮。2、為了降低材料的含氣量，采用了較大粒徑的(WC.TiC)顆粒，會(huì)造成材料抗電弧燒損能力的很大的分散性(即材料的性能不穩(wěn)定)，也限制了材料的性能潛力的發(fā)揮。
[0007]如果不有效解決上述問(wèn)題，這款材料就只能停留實(shí)驗(yàn)室或是在理論層面上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明一方面通過(guò)開發(fā)特殊的工藝路線解決在靜態(tài)下銀與(WC.TiC)之間的良好潤(rùn)濕及結(jié)合，并確保生產(chǎn)出能發(fā)揮材料潛能所需的精細(xì)組織，即硬質(zhì)相粒度與分散的均勻性；另一方面在材料中加入一到幾種微量元素，改善在電弧作用下，液態(tài)銀與硬質(zhì)相(WC.TiC)之間的潤(rùn)濕性，從而全面提高材料的綜合性能；同時(shí)加入少量的稀土作為改善銀材料晶界的性能。
[0009]本發(fā)明提供一種高性能節(jié)銀電接觸材料，成份為:(WC-TiC) 45-73wt%,鈷2_5wt%，稀土小于0.lwt%,余為銀；
采用0.7-4umffC-TiC作為防弧成分的粒度；
細(xì)粒度的(WC.TiC)之間的間距控制在0.1-1.0um。
[0010]進(jìn)一步地，成分為:(WC-TiC)59-69wt%，鈷 wt3%，稀土小于 0.1 wt%，余為銀； 焊接層成分為:銀40-60wt%，銅20-30wt%，余為鋅或磷；
采用0.34um (WC-TiC)作為防弧成分的粒度；
細(xì)粒度的(WC-TiC)之間的間距控制在0.1-0.7um ；
本發(fā)明提供制備所述的高性能節(jié)銀電接觸材料的方法，其包括如下步驟:
1)沉積金屬鈷；
2)堿處理，敏化處理，活化處理，化學(xué)鍍；
3)熱處理；
4)合格粉末成型；
5)熔滲銀加入微量稀土，將合格銀材壓力加工，最后沖壓成計(jì)算好重時(shí)的銀片，與4)述坯料熔糝，熔糝后坯料進(jìn)行壓力加工，經(jīng)檢驗(yàn)合格即為成品。
[0011]進(jìn)一步地,高性能節(jié)銀電接觸材料的方法,包括如下步驟:
1)沉積金屬鈷通過(guò)化學(xué)法在(WC.TiC)顆粒表面沉積一層金屬鈷，形成復(fù)合粉，在600-750°C氫氣保護(hù)下熱處理；
2)化學(xué)鍍對(duì)上述I)中復(fù)合粉末按如下流程處理:堿處理，敏化處理，活化處理，化學(xué)鍍；在化學(xué)鍍過(guò)程中，形成以(WC.TiC)為核心，銀包覆在(WC.TiC)粉表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)；
3)熱處理化學(xué)鍍后粉末立即進(jìn)行480-650°C氫氣保護(hù)下的熱處理；
4)合格粉末成型，控制尺寸參數(shù)，對(duì)成型后的坯體進(jìn)行預(yù)燒處理，預(yù)燒處理采取電火花燒結(jié)技術(shù)，溫度短時(shí)達(dá)到1000°C -1050°C的高溫，并快速冷卻。
[0012]5)熔滲銀加入微量稀土，將市場(chǎng)購(gòu)買回的1#銀重新熔煉，向其中加入0.1%的稀土，將合格銀材壓力加工，最后沖壓成計(jì)算好重時(shí)的銀片，與4)述坯料熔糝，在氫氣或真空環(huán)境下熔糝，熔糝后坯料進(jìn)行壓力加工，經(jīng)檢驗(yàn)合格即為成品。
[0013]進(jìn)一步地，其 中，2)化學(xué)鍍步驟中，銀層厚度控制在0.1-0.2um。
[0014]進(jìn)一步地，其中，熱處理后粒度在2-4.5um之間。[0015]進(jìn)一步地,其中5)熔滲銀加入微量稀土,稀土的量為0.lwt%。
[0016]本發(fā)明采用0.7-4um (WC.TiC)作為防弧成分的粒度，優(yōu)選為防弧成分的粒度0.3，進(jìn)一步改善液態(tài)銀與(WC.TiC)顆粒之潤(rùn)濕性，在材料中加含量為3%的金屬鈷。
[0017]通過(guò)工藝的控制，將細(xì)粒度的(WC.TiC)之間的間距控制在0.1-0.7um，優(yōu)選2.6um ；
為達(dá)到上述目的及解決前述Ag (WC.TiC)材料含氣量問(wèn)題，新開發(fā)了如下工藝技術(shù):O沉積金屬鈷通過(guò)化學(xué)法在(WC.TiC)顆粒表面沉積一層金屬鈷，形成復(fù)合粉，在600~750°C氫氣保護(hù)下熱處理； 2)化學(xué)鍍對(duì)上述復(fù)合粉末按如下流程處理:堿處理，敏化處理，活化處理，化學(xué)鍍；在化學(xué)鍍過(guò)程中，形成以(WC.TiC)為核心，銀包覆在(WC.TiC)粉表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)前述需要，銀層厚度控制在0.1~0.2um。這樣，銀與(WC.TiC)顆粒之間的界面清潔干凈，充分確保了在靜態(tài)下銀與(WC.TiC)之間的良好潤(rùn)濕與結(jié)合，為生產(chǎn)出含氣量少的材料打下基礎(chǔ)。
[0018]3)熱處理化學(xué)鍍后粉末立即進(jìn)行480~650°C氫氣保護(hù)下的熱處理，熱處理后粒度在2-4.5um之間，銀與(WC.TiC)粒結(jié)在一起形成較大的顆粒。因兩種成分的粘接在一起，保證材料最終組織中(WC.TiC)之間的距離和均勻性。事實(shí)上，通過(guò)這種工藝進(jìn)行處理后，材料中防弧成分顆粒之間的距離達(dá)到了相當(dāng)均勻的效果。同時(shí)較大的顆粒以及顆粒表面的銀成分保證了成型時(shí)，粉末坯的孔隙率及坯體的完整率，有利于提高成材率。
[0019]4)合格粉末成型，控制尺寸參數(shù)，從面控制最后成品的銀含量。對(duì)成型后的坯體進(jìn)行預(yù)燒處理，預(yù)燒處理采取電火花燒結(jié)技術(shù)，突破了現(xiàn)有溶滲技術(shù)中低溫預(yù)燒的限制，溫度短時(shí)達(dá)到KKKTC~1050°C的高溫，并快速冷卻。確保坯體經(jīng)預(yù)燒后，銀與保碳化鎢碳化鈦固溶體顆粒已經(jīng)處于良好的浸潤(rùn)狀態(tài)下，對(duì)后續(xù)的浸燒起一個(gè)極好的誘導(dǎo)作用，且不出現(xiàn)因液態(tài)銀流動(dòng)而出現(xiàn)聚集。
[0020]5)、熔滲銀加入微量稀土，將市場(chǎng)購(gòu)買回的1#銀重新熔煉，向其中加入0.1%的稀土。稀土有利于清理銀的晶界，與銀中雜質(zhì)反應(yīng)。將合格銀材壓力加工，最后沖壓成計(jì)算好重時(shí)的銀片，與4)述坯料熔糝，可在氫氣或真空環(huán)境下熔糝，熔糝后坯料進(jìn)行壓力加工，經(jīng)檢驗(yàn)合格即為成品。
[0021]在本項(xiàng)目中，對(duì)材料成分和工藝創(chuàng)新中，主要攻克了如下關(guān)鍵技術(shù):
1、材料中(WC.TiC)顆粒化學(xué)鍍時(shí)，必須保證銀是以(WC.TiC)顆粒為核心從溶液反應(yīng)析出，并包覆在(WC.TiC)粉表面上，為此必須嚴(yán)格控制各種反應(yīng)參數(shù)；
2、材料中(WC.TiC)顆粒化學(xué)鍍時(shí)，保證包覆在(WC.TiC)粉表面上的銀層厚度在0.1~
0.2um，必須嚴(yán)格控制各種主輔材料的用量及反應(yīng)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)；
3、化學(xué)鍍后粉末的熱處理及合格粉末成型也是需要嚴(yán)格控制。它上述第2條所述一起以保證最終材料中(WC.TiC)之間的間距嚴(yán)格受控。
[0022]4、材料生產(chǎn)時(shí)銀完全滲入坯體中，除了上述第I條是基礎(chǔ)外，創(chuàng)新的預(yù)處理工藝及對(duì)設(shè)備的改造和工藝參數(shù)的精心控制也是必不可少的。面對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目組在研發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)不同階段出現(xiàn)的不同問(wèn)題，采取優(yōu)化措施消除和控制風(fēng)險(xiǎn)。在消除上述1、2所述風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，公司及項(xiàng)目組采取了正交試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整工藝參數(shù)，最終才取得較好的效果。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:1.通過(guò)創(chuàng)新的化學(xué)鍍配以熱處理，準(zhǔn)確控制了材料中(WC.TiC)顆粒之間的間距以及至關(guān)重要的銀與(WC.TiC)結(jié)合面潤(rùn)濕性問(wèn)題。
[0024]2，通過(guò)創(chuàng)新的預(yù)處理工藝電火花燒結(jié)、添加金屬鈷及對(duì)設(shè)備的改造確保材料生產(chǎn)時(shí)銀完全滲入坯體中，生產(chǎn)出孔隙率小于0.2%的材料；
事實(shí)上，在材料的批試中，本項(xiàng)目取得了很好的效果，材料性能表現(xiàn)很穩(wěn)定。
[0025]重點(diǎn)解決了添加微量元素、化學(xué)鍍、電火花預(yù)處理(此工藝在本公司大功率硬質(zhì)銅鎢鐵復(fù)合材料項(xiàng)目組得到有效的掌握)等工藝，以達(dá)到生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)性能的電觸頭材料。經(jīng)過(guò)樣品研發(fā)，小批試驗(yàn)及中試，取得了明顯的效果。
[0026]
【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例1
1、(WC.TiC)進(jìn)行分級(jí)，得平均粒徑為3.5um，2.2um及1.0um的(WC.TiC)粉合批，以比例為1:2:1，混合，加入計(jì)算好的草酸鈷溶液，伴勻，烘干。對(duì)粉進(jìn)行550°C/小時(shí)進(jìn)行熱處理,過(guò)500目篩，得成品粉,成品粉中鈷的含量保證最后成品含鈷為3%;
2、將領(lǐng)用(WC.TiC)復(fù)合粉，轉(zhuǎn)入用蒸餾水100:1氨水稀釋的稀溶液中，開動(dòng)超聲波10~15分鐘，靜置12小時(shí)。配好銀用量,用硝酸溶解,加入氨水絡(luò)合,控制pH值為9-10，過(guò)濾得上清液，靜置待用；
開始化學(xué)鍍始時(shí)，開動(dòng)超聲波，10分鐘后加入敏化液，用量根據(jù)(WC.TiC)復(fù)合粉的重量調(diào)定，敏化液2~4分鐘內(nèi)加完，過(guò)3分鐘，加入活化液，用量根據(jù)(WC.TiC)復(fù)合粉的重量調(diào)定，過(guò)3~5分鐘后，及時(shí)加入前述準(zhǔn)備好的銀氨鉻合上清液，3~5分鐘后，逐步加入準(zhǔn)備好葡萄糖還原劑，原則上要求每分鐘加入能還原I公斤銀料所需的還原劑。加料完畢，關(guān)閉超聲波，靜置半小時(shí)以上，取出過(guò)濾用蒸餾水反復(fù)清洗，粉末在空氣中烘干150度/24小時(shí)。烘干后的粉末進(jìn)行熱處理，580°C /2小時(shí)，熱處理后的粉末過(guò)150目篩，檢驗(yàn)性能，(測(cè)量銀含量，金相觀察粉末形態(tài)等)，合格后密封保存，生產(chǎn)時(shí)根據(jù)需要領(lǐng)用相應(yīng)重量即可；
3、以2~5噸/cm2的壓力成型控制坯料孔隙率為需要的孔隙率，根據(jù)最終材料成分而
定;
4、對(duì)成型后的坯體進(jìn)行電火花預(yù)燒處理。確保坯體經(jīng)預(yù)燒后，(WC.TiC)復(fù)合粉形成網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，且處于良好的浸潤(rùn)狀態(tài)下，對(duì)后續(xù)的浸燒起一個(gè)極好的誘導(dǎo)作用。
[0028]5、浸潰/熔滲，將預(yù)先準(zhǔn)備好的銀材與預(yù)處理好的坯料一起裝好，在氫氣保護(hù)或真空環(huán)境中處理，時(shí)間為50分鐘到120分鐘不等，根據(jù)產(chǎn)品尺寸而定；
6、后續(xù)處理，壓力加工，壓力為12~14噸/cm2
7、檢驗(yàn)包裝入庫(kù)。
[0029]試驗(yàn)例I 供試樣品
參比實(shí)施例為參照CN200610040510制作 本發(fā)明實(shí)施例
采取相同工藝生產(chǎn)銀W50動(dòng)觸頭(性能達(dá)到相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB8320，)配對(duì)本發(fā)明靜電觸頭(性能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7779要求)，裝入市場(chǎng)商用同理型號(hào)開關(guān)中進(jìn)行電性能試驗(yàn)；靜觸頭尺寸6.5 X 7.5 X 2mm,動(dòng)觸頭尺寸7 (R20) X 5.5 X 2。
[0030]隨機(jī)抽3臺(tái)做極限分?jǐn)嘈阅艿葎?dòng)態(tài)電氣性能試驗(yàn)，結(jié)果如下表:
【權(quán)利要求】
1.一種高性能節(jié)銀電接觸材料，其特征在于，成份為:(WC-TiC)45-73wt%，鈷2-5 wt%,稀土小于0.lwt%,余為銀； 采用0.7-4um (WC-TiC)作為防弧成分的粒度； 細(xì)粒度的(WC.TiC)之間的間距控制在0.1~1.0um。
2.如權(quán)利要求1所述的高性能節(jié)銀電接觸材料，其特征在于，成份為=(WC-TiC)59-69wt%,鈷 wt3%，鎳小于 0.05wt%,稀土小于 0.lwt%,余為銀； 焊接層成分為:銀40-60wt%，銅20-30wt%，余為鋅或磷； 采用0.34um (WC-TiC)作為防弧成分的粒度； 細(xì)粒度的(WC.TiC)之間的間距控制在0.1~0.7um。
3.制備權(quán)利要求1所述的高性能節(jié)銀電接觸材料的方法，其特征在于，其包括如下步驟: . 1)沉積金屬鈷； .2)堿處理，敏化處理，活化處理，化學(xué)鍍； .3)熱處理； .4)合格粉末成型； . 5)熔滲銀加入微量稀土，將合格銀材壓力加工，最后沖壓成計(jì)算好重時(shí)的銀片，與4)述坯料熔糝，熔糝后坯料進(jìn)行壓力加工，經(jīng)檢驗(yàn)合格即為成品。
4.如權(quán)利要求3所述的高性能節(jié)銀電接觸材料的方法，其特征在于，其包括如下步驟: O沉積金屬鈷通過(guò)化學(xué)法在(WC.TiC)顆粒表面沉積一層金屬鈷，形成復(fù)合粉，在600~750°C氫氣保護(hù)下熱處理； 2)化學(xué)鍍對(duì)上述I)中復(fù)合粉末按如下流程處理:堿處理，敏化處理，活化處理，化學(xué)鍍；在化學(xué)鍍過(guò)程中，形成以(WC.TiC)為核心，銀包覆在(WC.TiC)粉表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)； 3)熱處理化學(xué)鍍后粉末立即進(jìn)行480~650°C氫氣保護(hù)下的熱處理； 4)合格粉末成型，控制尺寸參數(shù)，對(duì)成型后的坯體進(jìn)行預(yù)燒處理，預(yù)燒處理采取電火花燒結(jié)技術(shù)，溫度短時(shí)達(dá)到1000°C~1050°C的高溫，并快速冷卻； 5)熔滲銀加入微量稀土，將市場(chǎng)購(gòu)買回的1#銀重新熔煉，向其中加入0.1%的稀土，將合格銀材壓力加工，最后沖壓成計(jì)算好重時(shí)的銀片，與4)述坯料熔糝，在氫氣或真空環(huán)境下熔糝，熔糝后坯料進(jìn)行壓力加工，經(jīng)檢驗(yàn)合格即為成品。
5.如權(quán)利要求4所述的高性能節(jié)銀電接觸材料的方法，其特征在于，其中，2)化學(xué)鍍步驟中，銀層厚度控制在0.1~0.2um。
6.如權(quán)利要求4所述的高性能節(jié)銀電接觸材料的方法，其特征在于，其中，熱處理后粒度在2-4.5um之間。
7.如權(quán)利要求4所述的高性能節(jié)銀電接觸材料的方法，其特征在于，其中5)熔滲銀加入微量稀土，稀土的量為0.lwt%。
【文檔編號(hào)】C22C29/06GK103740999SQ201410017478
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】韓瑞 申請(qǐng)人:靖江市海源有色金屬材料有限公司