專利名稱：銀基觸頭材料和這類材料在能源技術(shù)的開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用以及這類觸頭材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銀基觸頭材料，其中除銀外還含有作為主要有效成份的氧化鐵和至少一種其它有效成份。另外，本發(fā)明還涉及這類觸頭材料在能源技術(shù)的開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用及所屬的制備這種材料的方法。
對于能源技術(shù)的低壓開關(guān)設(shè)備，如功率開關(guān)及直流電動機接觸器和輔助接觸器中的接觸元件而言，一類為銀-金屬(AgMe)體系，而另一類為銀-金屬氧化物(AgMeO)體系的觸頭材料已為公眾所熟知。第一類體系的代表例如是銀-鎳(AgNi)或銀-鐵(AgFe)；第二類體系的代表主要是銀-氧化鎘(AgCdO)和銀-氧化錫(AgSnO2)。此外，還有其它金屬化物、尤如氧化鉍(Bi2O3)、氧化銅(CuO)和/或氧化鉭(Ta2O5)。
以銀-金屬或銀-金屬氧化物為基的觸頭材料的實際可用性是由所謂的電“接觸特征頻譜”來確定的，其標準特征參數(shù)一方面是由開關(guān)元件燒損確定的壽命，即有效開關(guān)次數(shù)；另一方面是被稱之為過熱溫度，即接觸橋形接片和接頭的觸頭發(fā)熱，它主要由接觸構(gòu)件的電阻產(chǎn)生。此外，重要的是，接觸元件有足夠低的焊接傾向和足夠高的耐腐蝕性。值得注意的是，由于空氣開關(guān)設(shè)備中材料的長時間腐蝕，開關(guān)性能要隨時間而改變。
由DE-A-1 608 211已公開了一種銀-金屬氧化物體系的電觸頭材料，它除氧化鎘和氧化錫外還可含有氧化鐵。另外，由DE-C-38 16895公開了一種銀-鐵材料作為電觸頭材料，該材料含有占總重量3-30％的鐵，而且還附加有錳、銅、鋅、銻、氧化鉍、氧化鉬、氧化鎢、氮化鉻中的一種或多種，其總含量為總重量的0.05-5％，其余的為銀。除此之外，由DE-A-3911904公開了一種制造由含鐵的銀基復合材料組成的電觸頭的半成品的粉末冶金方法，其中，應(yīng)用了占總重量5-50％的鐵作為第一次要成份和占總重量0-5％的第二次要成份。第二種成份包括下面一組物質(zhì)的一種或多種，它們是金屬鈦、鋯、鈮、鉭、鉬、錳、銅和鋅，及它們的氧化物和碳化物。這里，元素形式的鐵主要通過化學沉淀而獲得。接著，由JP-A-1/055345公開了一種本文前言所述類型的材料，它由用占總重量0.5-20％的氧化鐵顆粒彌散的銀基體組成，其中，氧化鐵的一部分由至少一種鎳、鈷、鉻、鉬、鎢、鎘、鋅、銻、錫、鉍、銦、鉛、錳、鈹、鈣、鎂或銅的氧化物替代。由此而制成的觸頭元件用作開關(guān)時表現(xiàn)出良好的機械性能和高的耐電弧特性。
在WO-A-93/22080中推薦了一種觸頭材料，在這種材料中，除氧化鐵外，作為其它有效成份還含有氧化錸和/或鋯酸鉍和/或氧化硼和/或氧化鋯，其中，氧化鐵作為主要有效成份的質(zhì)量含量為1-50％，而次要有效成份的質(zhì)量含量為0.01-5％。在此，氧化鐵的成分為Fg2O3或Fe3O4，必要時也可采用混合形式。
現(xiàn)有技術(shù)水平的材料大多數(shù)尚不能同時滿足所有“接觸特性頻譜”要求。最終力求在各應(yīng)用場合達到與之適應(yīng)的對各重要特征參數(shù)的優(yōu)化。
基于上述現(xiàn)有技術(shù)水平，本發(fā)明的目的在于，要提供另外的帶有其它次要有效成份的銀-氧化鐵基觸頭材料并確定相應(yīng)的生產(chǎn)工藝。這些新的材料應(yīng)呈現(xiàn)出具有穩(wěn)定的升溫特性的低的觸頭發(fā)熱、低的焊接傾向和在強開關(guān)電流條件下的長壽命。另外，還應(yīng)具有良好的抗腐蝕性。
按照本發(fā)明，上述目的是這樣實現(xiàn)的，即次要有效成份為元素周期表中第III副族元素的氧化物，另外可附加至少一種含有元素周期表中第VI副族元素的氧化物。這些觸頭材料尤其適合于用在低壓開關(guān)中。
在本發(fā)明范疇內(nèi)，氧化鐵的質(zhì)量含量最好為3～20％，而其它有效成份的質(zhì)量含量為0.1～10％，當其它氧化物質(zhì)量含量為0.5-2％時，尤其是氧化鐵的質(zhì)量含量要么為7.5-15％，要么為41.5％。作為有效成份的元素，元素周期表中第III副族的元素鈧(SC)，釔(Y)和鑭(La)及其它鑭系元素都適宜。其它的有效成份尤其還有氧化釔(Y2O3)。成分為Ag/Fe2O3/O/Y2O31的材料能非常好地滿足所提出的要求。
在成分為Ag/Fe2O3/Y2O3的材料中，作為其它金屬氧化物尤其應(yīng)含有鐵鎢礦(FeWO4)。特別是成分為Ag/Fe2O39/Y2O31/FeWO40.5的材料被證明是適合的。
按照本發(fā)明，新的觸頭材料的生產(chǎn)應(yīng)這樣來完成，即先將銀粉和氧化鐵粉按預(yù)先給定的比例相互混合，這些混合料再同其它金屬氧化物混合，接下來的再加工通過交替燒結(jié)和擠壓來完成。
利用本發(fā)明可獲得改進的AgNi代用材料。尤其對于那些已公開的含有氧化鐵作為主要有效成份的代用材料，為保障其溫度特性，其氧化鐵含量要選擇得低于7.5％，可觀察到從現(xiàn)在起接觸元件的熔損減少了，并接近于銀-鎳的熔損。
在本發(fā)明的范疇內(nèi)可看出，特別是作為主要有效成份的氧化鐵與作為次要成份的氧化釔化合，改善了觸頭材料的整個“接觸特性頻譜”。
本發(fā)明的其它細節(jié)和優(yōu)點可從以下對實施例的描述中得出。在此，對附表中具有符合本發(fā)明的具體的材料組成的各例子進行討論。
表中列出了在開關(guān)設(shè)備的接觸橋形接片處測得的、新材料過熱溫度的測量值作為最大的和平均的電橋溫度，另外也給出了熔損的測量值。
第一列是過熱溫度，即為電橋的最高溫度，在第二列里包含了所有測量溫度的平均值，該值給出的是與室溫之間的溫度差。第三列為熔損值，它由重量測量得出。所有測量均是在開關(guān)串聯(lián)試驗中用15千瓦接觸器開關(guān)Ns＝50.000次的情況下進行的。
該表除對比材料外，還包含了一個具有本發(fā)明提出的觸頭材料的代表成分的典型例子。測量分別是直接在一個由帶有兩個接觸元件的15KW試驗接觸器的接觸橋形接片上進行的。下面對測量結(jié)果進行逐個討論。
實施例1、Ag/Fe2O310/Y2O31觸頭材料。
生產(chǎn)成分為Ag/Fe2O310/Y2O31的材料，首先分別將銀粉和氧化鐵粉按預(yù)先給定的比例混合，該混合粉再同1％質(zhì)量的氧化釔粉混合，其后的制備采用人們熟知的方法通過在給定的邊界條件下交替燒結(jié)和擠壓來完成。
接觸元件的制備或通過擠壓技術(shù)，或通過模型技術(shù)來完成。在兩種場合下，為確保可靠的連接，在制備時其背面就帶有可焊接的銀層。這樣制備的成分為Ag/Fe2O3/Y2O3的觸頭材料在確定的接觸器中同已熟知的觸頭材料進行了對比試驗、其結(jié)果在表中列出。
表中首先列出了AgNi20觸頭材料，它不僅在電橋溫度方面，而且在熔損方面都具有公認的良好性能。這些參數(shù)值在僅用氧化鐵(Fe2O3)取代鎳的AgFe2O3觸頭材料中大大惡化了，其中，尤其是在各個開關(guān)電橋所觀測到的最大溫度高的不能允許，并且觀測到，隨著氧化物含量而成比例上升，而熔損則按所預(yù)料的下降。
從現(xiàn)有技術(shù)水平看，加入不同的其它添加物作為次要有效成分可改善這些性能。尤其氧化鋯被證明是有效的，其結(jié)果列于表中。在此，在低氧化鐵含量時，尤其是Fe2O3的質(zhì)量含量低于約7.5％時，觀測到一個低的最高電橋溫度和格外好的平均電橋溫度，但此時熔損不夠令人滿意。而后者僅在高氧化鐵含量時，即Fe2O3質(zhì)量含量大于約7.5％時才有所下降，但此時溫度特性變壞。
從表中還可明顯地看出，尤其通過添加氧化釔，其溫度特性會令人驚奇地改善，而熔損并沒有變得太差。其氧化釔的質(zhì)量含量可在0.1-10％的范圍內(nèi)。
尤其表中所列出的Ag/Fe2O310/Y2O31材料，在其溫度特性方面簡直可與AgNi10相比。與目前所推薦的帶有其它次要有效成份的AgFe2O3基材料相反，其熔損明顯低于所公開材料。例如，在開關(guān)次數(shù)為50000次時，其熔損僅高于銀-鎳材料約20％，而其它代用材料明顯高于此值。
特別是由于Ag/Fe2O310/Y2O31材料在溫度特性和熔損特性方面都具有良好的性能，因而具備了取代對于寬應(yīng)用頻譜具有已知的不利作用的銀-鎳基材料的先決條件。也許用元素周期表中第III副族的其它化學元素代替氧化釔作為次要有效成分加入AgFe2O3材料中也是適宜的。
實施例2Ag/Fe2O39/Y2O31/FeWO40.5觸頭材料為制備這種材料，首先分別將銀粉和氧化鐵粉按預(yù)先給定的比例混合，并且該混合粉再與1％質(zhì)量的氧化釔粉和0.5％質(zhì)量的鎢鐵粉混合。其后的制備以公知的方式通過在給定邊界條件下交替燒結(jié)和加壓來完成。
用這種材料制備接觸器元件或通過擠壓技術(shù)，或通過模型技術(shù)來完成。在兩種場合下，為確保接觸器元件可靠連接，在制備接觸器元件時其背面就帶有可焊接的銀層。
這樣制備的接觸器元件經(jīng)受了一方面同所公開的觸頭材料，另一方面同按上面描述中其它例子制成的材料的對比試驗。
已確定，用例2中的材料不僅可獲得例1中所推薦的成分為Ag/Fe2O3/Y2O3的燒結(jié)觸頭材料的良好溫度性能，而且尤其焊接特性和短路特性得以進一步改善。因此，這種材料在特殊范圍內(nèi)適合于在功率開關(guān)中使用。
表最大電橋溫度 平均電橋溫度 電橋(兩觸塊)的總?cè)蹞p[K][K][重量損失用g]AgNi2O91 680，13AgFe2O56，4 162710，27AgFe2O310168870，18AgFe2O55，4ZrO2189660，24AgFe2O510ZrO21 136780，16AgFe2O310Y2O31 101740，1權(quán)利要求
1.一種銀基觸頭材料，其中，除銀外還含有作為主要有效成份的氧化鐵和至少一種其它有效成份，其特征在于，其它有效成份為元素周期表中第III族元素的氧化物。
2.按照權(quán)利要求1所述的觸頭材料，其特征在于，氧化鐵的質(zhì)量含量為3-20％，其它有效成份的質(zhì)量含量為0.1-10％。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的觸頭材料，其特征在于，氧化鐵的(Fe2O3/Fe3O4)的質(zhì)量含量為7.5-15％。
4.按照權(quán)利要求3所述的觸頭材料，其特征在于，氧化鐵(Fe2O3/Fe3O4)的質(zhì)量含量為9-12％。
5.按照權(quán)利要求4所述的觸頭材料，其特征在于，氧化鐵(Fe2O3/Fe3O4)的質(zhì)量含量為4-7.5％。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的觸頭材料，其特征在于，其它有效成份為氧化釔(Y2O3)。
7.按照權(quán)利要求6所述的觸頭材料，其特征在于，氧化釔的質(zhì)量含量為0.5-5％。
8.按照上述任一項權(quán)利要求所述的觸頭材料，其特征在于，化學成分為Ag/Fe2O310/Y2O31。
9.按照權(quán)利要求1所述的觸頭材料，其特征在于，附加至少一種元素周期表中第VI副族元素的金屬氧化物。
10.按照權(quán)利要求9所述的觸頭材料，其特征在于，其它金屬氧化物為鎢鐵礦(FeWO4)。
11.按照權(quán)利要求10所述的觸頭材料，其特征在于，鎢鐵礦(FeWO4)的質(zhì)量含量為0.1-1％。
12.按照權(quán)利要求9至11中任一項所述的觸頭材料，其特征在于，成分為Ag/Fe2O39/Y2O31/FeWO40.5。
13.一種權(quán)利要求1或權(quán)利要求2至12中任一項所述的觸頭材料的生產(chǎn)方法，具有以下操作步驟-先將銀粉和氧化鐵粉按預(yù)先給定的比例混合，-向上述混合粉中添加至少一種元素周期表中第III副族元素的氧化物，可能還有至少一種含元素周期表中第VI副族元素的金屬氧化物，-接下來通過交替燒結(jié)和擠壓完成后續(xù)加工。
14.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2至12中任一項所述的觸頭材料應(yīng)用于能源技術(shù)的開關(guān)設(shè)備中，尤其是低壓開關(guān)設(shè)備。
全文摘要
尤其對于低壓開關(guān)的接觸器元件，建議用銀-氧化鐵基材料來代替目前經(jīng)常使用的銀-鎳材料。按照本發(fā)明，這類材料含有作為其它有效成分的一種第III副族金屬的氧化物，尤其是氧化釔(Y
文檔編號H01H1/02GK1133646SQ94193884
公開日1996年10月16日 申請日期1994年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月23日
發(fā)明者弗朗茲·豪奈爾 申請人:西門子公司