一种抗材料转移性能优异的AgZrB2-Gr触头材料及其制备方法与流程

本发明属于银基电触头材料技术领域，涉及一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，以及该agzrb2-gr触头材料的制备方法。

背景技术：

电触头作为接触器、断路器、继电器、仪器仪表、限流开关、电机保护器、微型开关、漏电保护开关、汽车电器等开关电器的核心部件，主要担负着接通、断开电路及负载电流的任务，其性能好坏直接影响电气系统运行的可靠性和稳定性及使用寿命。因此，要求电触头材料具有良好的导电及导热性、优越的分断性、抗熔焊性、耐电磨损性、低且稳定的接触电阻、良好的抗氧化性、耐腐蚀性、化学稳定性、力学性能以及机械加工性。传统的agcdo触头材料耐电弧侵蚀性好，抗熔焊性优良，接触电阻低且稳定，但由于镉毒对人体健康和生态环境的影响，限制了其广泛应用。虽然agsno2触头材料性能与agcdo触头材料相当，但是在服役过程中ag和sno2之间差的的润湿性易导致在服役过程中产生两相分离，在触头表面形成不导电陶瓷sno2颗粒的聚集，进而引起接触电阻增大和表面温度升高，严重影响电器的稳定性和使用寿命。由于硼化物同时拥有金属键和共价键，具有陶瓷和金属的双重性，硼化物陶瓷具有高硬度、高模量、良好的导热导电性以及高的化学稳定性等优异的综合特性，因此成为银基触头材料理想的增强相。与tib2陶瓷相比，zrb2具有更高的熔点(zrb2：3040℃，tib2：2900℃)、更大的密度(zrb2：6.09g/cm³，tib2：4.2g/cm³)、更低的电阻率(zrb2：8μω.cm，tib2：14.4μω.cm)、较小的热膨胀系数(zrb2：5.9×10^-6m/m.k，tib2：8.1×10^-6m/m.k)和更大的导热系数(zrb2：60j/m.s.k，tib2：25j/m.s.k)，且zrb2与ag的润湿性更好等众多的优异性能。因此，zrb2和ag基体之间与tib2和ag基体之间相比具有更好的化学相容性、共存性和物理匹配性，有望制备出综合性能优异的银基触头材料，克服已有银基触头材料的不足。此外，由于石墨烯(gr)具有优异的导热性(导热系数5300w.m^-1.k^-1)、电学性能(电子迁移率15000cm².v^-1.s^-1)及高的杨氏模量(1100gpa)、高断裂强度(130gb)，在ag-zrb2触头材料中引入少量的石墨烯可进一步改善触头材料的性能。随着开关电器的小型化、大功率、长寿命和可靠性要求的不断提高，对触头材料的性能提出了越来越苛刻的要求。因此开发一种综合性能优异的agzrb2-gr触头材料具有重要的工程意义和实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料及其制备方法，本发明agzrb2-gr触头材料具有优异的抗材料转移性能，同时具备优良的抗电弧侵蚀性和抗熔焊性等电气性能的特点。

本发明所采用的技术方案是，一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，按质量百分比由以下组分组成：

ag88.5～97.95wt.％；

zrb22.0～10.0wt.％；

gr0.05～1.5wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于：

一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法，具体操作步骤如下：

步骤1.按照agzrb2-gr触头材料的成分配比计算所需ag粉、gr粉和zrb2粉用量，称取备用。

步骤2.将称量好的zrb2、gr粉末在行星式球磨机中混粉；

步骤3.向行星式球磨机中再加入称量好的ag粉继续混粉，并加入过程控制剂和分散剂；

步骤4.将球磨后的粉末在三维振动混粉机上再次混粉；

步骤5.将混合后的粉末置于放电等离子烧结炉中烧结，随后炉冷到室温，即可得到agzrb2-gr触头材料。

步骤1中，zrb2含量为2.0～10wt.％，gr含量为0.05wt.％～1.5wt.％，余量为ag。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为10～40h，转速为300～450rpm，球料比10:1～40:1。

步骤3中继续混粉的时间为2～10h，转速为200～450rpm，球料比10:1～30:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.1～0.3wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量0.5～1.5wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为1～6h，频率30～50hz，球料比为1:2～1:10。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以50～100℃/min加热速度升温至700～850℃，保温5～30min，施加压力35mpa。

本发明的有益效果是：

本发明agzrb2触头材料制备方法的优点在于通过球磨和三维振动混粉相结合实现了石墨烯(gr)、zrb2和ag复合粉末的均匀分散；结合放电等离子烧结炉具有在加压的同时实现烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度，同时低电压、高电流的特征，可快速实现粉末烧结致密化，制备出综合性能优异的具有抗材料转移性能，同时具备优良的抗侵蚀性和抗熔焊性等电气性能的agzrb2-gr触头材料。

附图说明

图1是本发明抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料制备方法的流程图；

图2是本发明添加0.2wt.％gr的ag-4wt.％zrb2触头显微组织；

图3是本发明添加0.4wt.％gr的ag-4wt.％zrb2触头显微组织；

图4是ag-4wt.％zrb2-0.2wt.％gr触头材料在直流16a/24v5000次电接触后阳极形貌；

图5是ag-4wt.％zrb2-0.2wt.％gr触头材料在直流16a/24v5000次电接触后阴极形貌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1.如图1，图2和图4，图5所示，一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，按质量百分比由以下组分组成：

ag95.8wt.％；

zrb24.0wt.％；

gr0.2wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

原料纯度均大于99.99％，ag粉粒度72μm；zrb2粉粒度50nm；

抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法，具体操作步骤如下：

步骤1.按照agzrb2-gr触头材料的成分配比计算所需ag粉、gr粉和zrb2粉用量，称取备用。

步骤2.将称量好的zrb2、gr粉末在行星式球磨机中混粉；

步骤3.向行星式球磨机中再加入称量好的ag粉继续混粉，并加入过程控制剂和分散剂；

步骤4.将球磨后的粉末在三维振动混粉机上再次混粉；

步骤5.将混合后的粉末置于放电等离子烧结炉中烧结，随后炉冷到室温，即可得到agzrb2-gr触头材料。

步骤1中，ag粉287.4g、zrb2粉12g和石墨烯0.6g。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为24h，转速为350rpm，球料比15:1。

步骤3中继续混粉的时间为3h，转速为250rpm，球料比10:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.13wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量0.7wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为2h，频率35hz，球料比为1:3。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以90℃/min加热速度升温至750℃，保温5min，施加压力35mpa。

本例中触头材料的致密度、硬度和电导率分别为97.46％、58.8hv和55.17％iacs。ag-4wt.％zrb2-0.2wt.％gr触头材料在直流24v/16a电接触5000次后，材料转移方向为阴极向阳极转移，材料相对转移量为0.1mg，与ag-8wt.％sno2触头材料相比，材料相对转移量减少了95.65％。

实施例2.如图3所示，一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，本例与实施例1的区别在于：

按质量百分比由以下组分组成：

ag95.6wt.％；

zrb24.0wt.％；

gr0.4wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

原料纯度均大于99.99％，ag粉粒度72μm；zrb2粉粒度50nm；

与实施例1抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法区别在于：

步骤1中，ag粉286.8g、zrb2粉12g和石墨烯1.2g。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为28h，转速为370rpm，球料比20:1。

步骤3中继续混粉的时间为4h，转速为300rpm，球料比15:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.15wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量0.8wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为3h，频率40hz，球料比为1:4。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以80℃/min加热速度升温至750℃，保温7min，施加压力35mpa。

本例中触头材料的致密度、硬度和电导率分别为96.70％、49.8hv和65.64％iacs。ag-4wt.％zrb2-0.4wt.％gr触头材料在直流24v/16a电接触5000次后，材料转移方向为阴极向阳极转移，材料相对转移量为0.3mg，与ag-8wt.％sno2触头材料相比，材料相对转移量减少了86.96％。

实施例3.一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，本例与实施例1的区别在于：按质量百分比由以下组分组成：

ag97.95wt.％；

zrb22.0wt.％；

gr0.05wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

原料纯度均大于99.99％，ag粉粒度72μm；zrb2粉粒度50nm；

与实施例1抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法区别在于：

步骤1中，ag粉293.85g、zrb2粉6g和石墨烯0.15g。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为10h，转速为300rpm，球料比10:1。

步骤3中继续混粉的时间为2h，转速为200rpm，球料比10:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.1wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量0.5wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为1h，频率30hz，球料比为1:2。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以100℃/min加热速度升温至750℃，保温5min，施加压力35mpa。

本例中触头材料的致密度、硬度和电导率分别为98.47％、44.77hv和74.14％iacs。ag-2wt.％zrb2-0.05wt.％gr触头材料在直流24v/16a电接触5000次后，材料转移方向为阴极向阳极转移，材料相对转移量为1.5mg，与ag-8wt.％sno2触头材料相比，材料相对转移量减少了34.80％。

实施例4.一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，本例与实施例1的区别在于：

按质量百分比由以下组分组成：

ag93.2wt.％；

zrb26.0wt.％；

gr0.8wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

原料纯度均大于99.99％，ag粉粒度72μm；zrb2粉粒度50nm；

与实施例1抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法区别在于：

步骤1中，ag粉279.6g、zrb2粉18g和石墨烯2.4g。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为32h，转速为390rpm，球料比25:1。

步骤3中继续混粉的时间为5h，转速为350rpm，球料比20:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.15wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量1.0wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为4h，频率40hz，球料比为1:6。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以70℃/min加热速度升温至750℃，保温10min，施加压力35mpa。

本例中触头材料的致密度、硬度和电导率分别为97.60％、62.7hv和50.17％iacs。ag-6wt.％zrb2-0.8wt.％gr触头材料在直流24v/16a电接触5000次后，材料转移方向为阴极向阳极转移，材料相对转移量为0.6mg，与ag-8wt.％sno2触头材料相比，材料相对转移量减少了73.91％。

实施例5.一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，本例与实施例1的区别在于：

按质量百分比由以下组分组成：

ag91.0wt.％；

zrb28.0wt.％；

gr1.0wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

原料纯度均大于99.99％，ag粉粒度72μm；zrb2粉粒度50nm；

与实施例1抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法区别在于：

步骤1中，ag粉273g、zrb2粉24g和石墨烯3g。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为35h，转速为400rpm，球料比30:1。

步骤3中继续混粉的时间为6h，转速为400rpm，球料比25:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.17wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量1.0wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为5h，频率40hz，球料比为1:6。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以60℃/min加热速度升温至750℃，保温15min，施加压力35mpa。

本例中触头材料的致密度、硬度和电导率分别为96.20％、71.3hv和44.83％iacs。ag-8wt.％zrb2-1wt.％gr触头材料在直流24v/16a电接触5000次后，材料转移方向为阴极向阳极转移，材料相对转移量为0.9mg，与ag-8wt.％sno2触头材料相比，材料相对转移量减少了60.87％。

实施例6.一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，本例与实施例1的区别在于：

按质量百分比由以下组分组成：

ag90.8wt.％；

zrb28.0wt.％；

gr1.2wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

原料纯度均大于99.99％，ag粉粒度72μm；zrb2粉粒度50nm；

与实施例1抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法区别在于：

步骤1中，ag粉272.4g、zrb2粉24g和石墨烯3.6g。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为38h，转速为420rpm，球料比35:1。

步骤3中继续混粉的时间为8h，转速为420rpm，球料比25:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.2wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量1.2wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为6h，频率45hz，球料比为1:8。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以60℃/min加热速度升温至750℃，保温20min，施加压力35mpa。

本例中触头材料的致密度、硬度和电导率分别为95.80％、67.4hv和43.10％iacs。ag-8wt.％zrb2-1.2wt.％gr触头材料在直流24v/16a电接触5000次后，材料转移方向为阴极向阳极转移，材料相对转移量为1.2mg，与ag-8wt.％sno2触头材料相比，材料相对转移量减少了47.83％。

实施例7.一种抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料，本例与实施例1的区别在于：

按质量百分比由以下组分组成：

ag88.5wt.％；

zrb210.0wt.％；

gr1.5wt.％；

以上各组分质量百分比之和为100％。

原料纯度均大于99.99％，ag粉粒度72μm；zrb2粉粒度50nm；

与实施例1抗材料转移性能优异的agzrb2-gr触头材料的制备方法区别在于：

步骤1中，ag粉265.5g、zrb2粉30g和石墨烯4.5g。

步骤2中，在行星式球磨机中混粉时间为40h，转速为450rpm，球料比40:1。

步骤3中继续混粉的时间为10h，转速为450rpm，球料比30:1。

步骤3中过程控制剂为占粉末总质量0.3wt.％的无水乙醇；所述分散剂为占粉末总质量1.5wt.％的聚乙烯毗咯烷酮。

步骤4中混粉的时间为6h，频率50hz，球料比为1:10。

步骤5中对放电等离子烧结炉抽真空至真空度大于1×10^-3pa，并以50℃/min加热速度升温至850℃，保温30min，施加压力35mpa。

本例中触头材料的致密度、硬度和电导率分别为95.60％、67.4hv和34.48％iacs。ag-10wt.％zrb2-1.5wt.％gr触头材料在直流24v/16a时电接触5000次后，材料转移方向为阴极向阳极转移，材料相对转移量为1.9mg，与ag-8wt.％sno2触头材料相比，材料相对转移量减少了17.4％。

本发明agzrb2触头材料制备方法的优点在于通过球磨和三维振动混粉相结合实现了石墨烯(gr)、zrb2和ag复合粉末的均匀分散；结合放电等离子烧结炉具有在加压的同时实现烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度，同时低电压、高电流的特征，可快速实现粉末烧结致密化，制备出综合性能优异的，具有抗材料转移性能，同时具备优良的抗侵蚀性和抗熔焊性等电气性能的agzrb2-gr触头材料。