专利名称：电气接点和使用其的电气设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电气接点和使用其的电气设备。
背景技术：
在用于发送、断开或控制电能之处使用的各种电气设备，如断路器，根据它们的实际功能或者电负载包含有各种电气接点。
至于电气接点材料，有银(Ag)，所述的银(Ag)中分散有镉(Cd)、锡(Sn)和铟(In)等的氧化物粒子。它们中，事实上，在Ag基质中分散有Cd氧化物粒子的材料最适用于这类电气接点，因此现在仍在许多电气设备中使用。但是，由于Cd有毒性，因此需要开发具有优异电气接点性能的不含Cd的材料，即所谓的无Cd材料。
这样的材料的一种候选物是其中分散有Sn或In氧化物的材料。这种材料具有优异的所谓温度性能并且表现出低电阻率和良好的电导率，即，在接触过程中的所谓小接触电阻，因此适用于这样的性能是相当重要的轻负载电气设备。但是，当在额定电流大于等于10A并且断路电流大于等于1.5KA的重负载电气设备中使用包含这种材料的电气接点时，在断开过程中大的断路电流流经电气接点，造成大量消耗。此外，这种消耗造成所谓的绝缘降出现，即材料或其周缘的电绝缘下降。因此，现状是这种电气接点不能用于这样的重负载电气设备。所以，重负载电气设备仍包含其中分散有大于等于1重量％，甚至大于等于10重量％的Cd元素的Ag合金作为电气接点材料，无Cd材料只用于某些电磁开关和继电气设备、要求低接触电阻的接触器等。例如，至于电磁开关，仍使用含有大于等于10重量％量的Cd的电气接点作为额定电流大于等于100A的电气接点和dc电压为86V且冲击电流为1.9KA至2KA的电气接点，如用于叉车(folk lift)的电气接点。电气接点所需的性能实例包括(1)耐焊接性，(2)起始状态温度特性，(3)过载试验后的温度特性，(4)耐久试验后的温度特性，(5)断开试验后的绝缘性能，(6)抗消耗性等。经对化学组成和精细结构相同的单一材料的这些性能证实，这些性能之间存在权衡关系，如在(1)和(2)之间。因此，在使用由一种材料制成的电气接点的情况下，必须牺牲权衡要求中的一种。此外，电气接点(以下简称“接点”)规格已经发展到多样化，并且接点周缘的规格也已经多样化。因此，存在具有上述权衡关系的多种要求必须在一个接点上以它们的实际比率同时存在的一些情况。在这些情形下，必须根据各种电气设备规格明智地使用接点材料种类。必须提高到能够用无Cd的Ag合金制成的接点取代用于诸如断路器的电气设备的含Cd的接点水平的第一种特性是耐焊接性，这些特性的第二种是与耐焊接性有权衡关系的温度特性。此外，由于在额定电流和断开容量较高的范围内可以稳定使用断路器很重要，必须将耐消耗性和断开特性也提高到某种程度。因此，人们一直在尝试着使用一种材料与具有其它的材料结合，所述的材料具有优异的权衡要求之一，以使它们形成复合接点。在这些尝试中，下面描述与本发明比较接近的常规技术。
例如，日本专利申请公开58-189913和专利申请公开62-97213中公开了形成复合材料的实例。这些专利申请所公开的电气接点各自在表面层中安置有耐消耗性和耐焊接性优异的材料，并且在内层中安置有断开特性优异的材料，所有这些发明的电气接点都被设计成通过将Ag-Sn-In基合金安置在表面层中并且将纯Ag或具有高Ag含量的高导电性材料基本上安置在内层，以相当好地中断电弧。前者被设计为在短路期间电弧中断的情况下，具有与内层相比相当厚的表面层(表面层厚度为约100至300μm，而内层厚度为约300至1200μm)，并且在表面层被消耗的情况下，在和内层的界面处具有阶梯式的接点(seem)，从而即使在接点上的表面层被电弧消耗损坏后，还剩余一部分表面层可以继续使用。另一方面，后者具有与前者相比略薄的表面层(10至200μm)，但是在表面层中分散有更大量的氧化物(例如，在表面层是其中分散有Sn和In氧化物的Ag合金的情况下，氧化物的总量等于或大于10重量％)，以在短路期间电弧中断的情况下具有升高的硬度。由于这些电气接点使用Ag或具有高Ag含量的合金作为内层，所以短路期间的电弧中断所需的时间一定很短，但是可以理解的是，在将这些电气接点用于断路电流等于或大于6KA的断路器的情况下，可能出现大电弧，造成可能立即产生焊接事故的表面层的消耗。此外，在上下Ag合金材料的配合面上形成阶梯并且使这两种Ag合金材料彼此配合的工作使得其生产率差且不经济。而且，这种尝试在目的和方法方面与本申请不同，本申请旨在改善耐消耗性和绝缘性。
另外，日本专利申请公开61-114417公开了一种包含含Sn和In的Ag合金的复合电气接点，其中，表面层中的Sn和In氧化物的含量，特别是Sn氧化物的含量低于内层中的含量。因此，这种接点包含比内层的硬度低的表面层，所以当将其用作断路器的接点时，表面层的耐消耗性较低，因而易于造成焊接事故。此外，该专利在目的和方法方面与本申请不同，本申请旨在改善耐消耗性和绝缘性。此外，日本专利申请公开10-188710公开了另一种两层复合电气接点。该发明的电气接点准备用于额定电流等于或低于100A的断路器。这两层是主要具有优异耐焊接性的周缘层和主要具有优异温度特性的内层，并且这两层都是主要由其中分散有Cd、Sn和Ni氧化物的Ag合金组成。在这种接点中，通过控制两层的硬度和两层在接点表面部分处的面积比，主要将耐焊接性和温度特性调节到适当程度。如此，这种电气接点的周缘层的基于维氏(Vickers)显微硬度标准的硬度等于或大于135，而内层的硬度低于135。根据该发明，提供适用于额定电流等于或低于100A的断路器的电气接点。但是，该接点含有大量Cd，因而有毒性问题。
此外，无Cd接点在实际使用中分散度大。略为具体而言，在用焊料等将接点粘合到基底金属上后粘合强度的分散度大，更具体地，如上所述，不仅实际使用中的消耗大，而且其分散度也大。该事实也是为什么难以使用无Cd接点的原因之一。
有各种断路器和电磁开关，这取决于制造商、额定电流或它们的最终使用者和目的。例如，根据目的不同，即，如果用于家庭或工业，用于普通电路或接地断开或者用于设备或配电盘，或者如果必须将重点放在价格或性能上，存在各种断路器。因此，由于电气设备规格是如此多样化，接点及其材料也应该根据这些设备而具有多种规格。接点质量多样化的原因是受电气设备规格以外的因素控制的。例如，即使设备具有相同的额定框架(frame)，例如50A，它们也具有不同的结构，因此要求接点具有不同的形状和大小。此外，接点通常是以接点组件形式使用的，所述的接点组件是通过将接点粘合到基底金属上，然后向其上连接引线而获得的，并且这种基底金属的形状和大小以及连接其上的手段是多样的。这些因素对设备的实际性能有极大的影响。而且，在是否存在称作电弧枪(arc shooter)的用于断路电流的部件或者电学或机械方法熄灭电弧的电弧熄灭机械装置，这些构件的形状和材料以及这些构件的配置方面也可见多样性。这些因素也极大的影响设备的实际特性。因此，接点的规格受到上述设备规格多样性极大影响，而不是其自身的性能。另一方面，如前所述，在接点的要求中，有一些要求存在权衡关系，难以提供一种能够满足所有要求(如果需要)的接点材料。因此，必须根据个别电气设备的性能以及接点周缘设计的自由度而提供最适合个别电气设备的接点材料。
在这种实际情况下，本发明的发明人在日本专利申请2001-011121中提出一种具有适用于这些断路器的耐焊接性和温度特性特别优异的无Cd接点。但是，由于是一种新规格的电气设备，在实际使用中具有小磨损和优异的电绝缘性而稍微牺牲耐焊接性和温度特性的电气接点也是需要的，因此研究了基于与上述专利相同的材料的新材料。结果，完成本发明。
本发明的一个目的是提供一种电气接点，该电气接点包含无Cd的Ag合金或者含有少量Cd的Ag合金，并且具有在实际使用中比常规产品更小的消耗(称作优异的耐消耗性)，耐消耗性的小分散度，在如上所述的实际使用中的优异的绝缘性能和小分散度，并且提供一种使用该电气接点的电气设备。
发明内容
本发明提供的电气接点包含Ag合金，所述Ag合金含有1至9重量％的Sn和大于等于0重量％至低于0.01重量％的Cd，并且所述的电气接点具有由其表面侧上的第一层和位于其内侧的第二层组成的两层结构，其中第一层基于JIS定义的维氏显微硬度标准的平均硬度大于等于150并且厚度大于等于10μm，第二层基于维氏显微硬度标准的平均硬度大于130。优选第一层的平均硬度大于等于190。
这种电气接点包括其中第二层基于上述标准的平均硬度相同于或者低于第一层的平均硬度的电气接点。
在本发明中将Cd量限制为小于0.01重量％的原因在于Ag合金基本上不含Cd。
此外，本发明的电气接点优选包含，除Sn以外，以1至9重量％的量结合其中的In。
而且，根据本发明的电气接点可以包含选自Sb，Ca，Bi，Ni，Co，Zn，Cu，Mo，W，Ge，Te，Cr和Pb的至少一种，其作为Sn和In以外的添加组分结合在电气接点中。
本发明中使用的术语“表面”是指和吻合接点接触侧上的表面。
此外，本发明包括使用上述电气接点的电气设备。例如，这种电气设备包括含本发明电气接点和基底金属的组合的接点组件，以及使用该接点组件的电气设备。
图1是用于图解说明本发明电气接点的一个实施方案的视图。
图2是用于图解说明本发明电气接点的另一个实施方案的视图。
图3是用于图解说明本发明电气接点的再一个实施方案的视图。
图4是用于图解说明包含安装在基底金属上的本发明电气接点的组装状态的一个实施方案的视图。
附图中，参考数字1表示第二层，即内层，参考数字2表示第一层，即表面层，参考数字3表示连接层，参考数字4表示接点顶端，参考数字5表示接点(contract)顶端，参考数字6表示活动侧基底金属，而参考数字7表示固定侧基底金属。
具体实施例方式
本发明的电气接点包含Ag合金，所述Ag合金含有1至9重量％的Sn和大于等于0重量％且小于0.01重量％的Cd，并且所述的电气接点具有由其表面侧上的第一层和位于其内侧的第二层组成的两层结构，其中第一层基于JIS定义的维氏显微硬度标准的平均硬度大于等于150并且厚度大于等于10μm，第二层基于维氏显微硬度标准的平均硬度大于130。优选第一层的平均硬度大于等于190。以下，当基于维氏显微硬度标准的硬度为例如130时，也将其表示为130mHv。
这是基本上不含Cd的电气接点。
在任何接点中，Sn，一种添加剂组分，都以化合物形式，通常是氧化物，被分散在Ag基质中。
将Sn量限制在1％至9重量％的原因在于，当Sn量小于1重量％时，实际使用中的耐焊接性劣化。其原因还在于，实际使用中的消耗升高，甚至消耗或者在固体物质或接触位点中实际使用时绝缘性的分散度升高。此处使用的术语“耐焊接性”是指这样一种能力，当电路在预定负载下闭锁时自我熔化以不对配合接点进行焊接，从而正常地重复进行电流闭锁功能。
另一方面，当Sn量超过9重量％时，实际使用中上述温度特性退化。此外，可能难以将接点材料在制造步骤进行塑性加工，或者接点固体物质或位点中的粘合强度分散度升高。因此，接点可能容易受损，在实际使用中接点可能从基底金属上剥离或者接点可能易于偏离基底金属上的位置。
优选Sn量为2％至7重量％。
将表面平均硬度限制在大于等于150mHv的原因在于，尽管与上述原因重复，特别是当没有结合或者少量结合Cd时，可以抑制实际使用中的消耗或其分散度以及和基底金属粘合强度的分散度，使得可以提高绝缘性能。表面平均硬度优选大于等于190mHv，更优选大于等于220mHv。
由于本发明的目的是提供一种在实际使用中在消耗例如几十百分比后仍能够维持良好的耐消耗性的接点，第二层的高硬度起到有利作用。
可以根据JIS的维氏显微硬度标准的硬度测量方法确认平均硬度。硬度是在接点表面上的第一层或第二层中取多个任意点，通常5个点，然后将这些数值算术平均而确认的。用于确认的点的个数优选大于等于30。
除Sn以外，本发明的电气接点优选包含In，In的结合量为1％至9重量％。In是与Sn类似的方式，以化合物形式，通常是氧化物，分散在Ag基质中的。
将In量限制在该范围的原因在于，当In量偏离该范围时，主要在制造过程中可能更加难以进行塑性加工，并且实际使用中的耐消耗性进一步退化。此外，当In量超过9重量％时，尽管还取决于共存的Sn的量，但是温度特性可能容易劣化。
优选In量为3％至8重量％。
附带说明，本发明的电气接点可以包含结合其中的以下元素，作为Sn和In以外的添加剂组分。例如，可以使用至少一种选自锑(Sb)，钙(Ca)，铋(Bi)，镍(Ni)，钴(Co)，锌(Zn)，铜(Cu)，钼(Mo)，钨(W)，锗(Ge)，碲(Te)，铬(Cr)和铅(Pb)的元素。这些元素以元素形式计算的按重量％表示的含量为，Sb0.05至2，Ca0.03至0.3，Bi0.01至1，Ni0.02至1.5，Co0.02至0.5，Zn，Cu，Mo，W和Ge0.02至8，Te，Cr和Pb0.05至5。当这些组分的量落入上述范围时，在某些情况下可以抑制实际使用中耐焊接性或温度特性的劣化。此外，可以易于进行在接点材料制造步骤时的塑性加工。当这些组分的量偏离上述范围时，耐消耗性可能根据断路器的种类而劣化。
至于上述组分以外的组分，只要能够达到本发明的目的，可以少量结合以下组分。以下使用的单位是换算成元素计算的重量％。例如，可以结合5或以下量的选自铯(Ce)，锂(Li)，锶(Sr)，钛(Ti)和锰(Mn)中的至少一种，可以结合3或以下量的Ge或Ga，可以结合0.5或以下量的Si，并且可以结合0.1或以下量的Fe或Mg。此外，上述组分可以以卤化物形成结合，包括氟化铝(AlF3)，氟化铬(CrF3)和氟化钙(CaF2)，结合量按照分子计算为5重量％或以下。
在另一实施方案中，(2)第一层的平均硬度为不小于150mHv到小于190mHv，而第二层的平均硬度等于或低于第一层。
换言之，本发明的电气接点包含基本上不含Cd的Ag合金，因此与先前所述的常规电气接点相比，在实际使用中表现出更小的消耗(即耐消耗性优异)，更小的耐消耗性分散度，优异的绝缘性能和更小的与基底金属粘合强度的分散度。
有一些本发明的电气接点取决于规格可以完全使用的电气设备，其具体实例包括额定电流为30A或以下并且断路电流为2.5kA或以下的电气设备，但是它们有时具有相对高的负载和小的接点大小。附带说明，接点的趋势是大小和厚度更小。在这样的设备情况下，要求接点具有良好的耐焊接性和温度特性，以及，甚至，良好的耐消耗性和绝缘性。通常，这类设备(断路器)采用如下设计通过安置相对提高接点相互脱离的力的机械装置，或者电弧抑制机械装置，或者通过增加基底金属或引线的直径以提高热辐射，从而消除在温度特性或焊接发明的危险。在这种情况下，本发明的电气接点在实际使用中比日本专利申请2002-01121公开的电气接点更加有利。附带说明，即使具有这样规格的设备也不能完全获得接点的性能特征，除非根据详细规格使用上述各种形式中最合适的接点。因此必须根据不同的其中安装接点的组件形式，或者电气设备规格，如额定容量，恰当地使用具有不同形式的上述电气接点。在具有本发明两层结构的电气接点中，表面和内部中的合适的添加剂组分组成，表面的厚度，以及两层之间合适的硬度平衡是如上所述控制的，从而更加特别地同时提高表面和内部硬度。在这种安排中，本发明的电气接点适用于更高负载的电气设备，这些电气设备在实际使用中要求具有耐消耗性和绝缘性能，甚至小的分散度。
将上述两层接点中的第一层厚度限制为大于等于10μm的原因在于，当第一层的厚度进一步减小时，温度特性或耐焊接性劣化。另一方面，当第一层厚度太大时，生产成本增加。优选第一层的厚度为20至120μm。
第一层的厚度是在垂直于接点表面的截面上确认的。略为具体而言，在光学显微镜下观察该表面，用以下方法确认第一层的厚度在平行于接点表面的方向上取5个点，将它们的测量值算术平均以确定第一层的厚度。附带说明，在这种两层接点中，在各层中存在硬度分布。例如，各层可以具有低Sn和In浓度的部分，但是即使在这种情况下，只要各层的平均硬度满足上述的临界值，仍然没有问题。但是，在接点中心称作薄层的部分不包括在硬度测量中。两层的平均硬度是通过在垂直于上述接点的截面上各层的区域中，将在厚度方向上5个点确认的维氏显微硬度数据算术平均而确定的，所述的5个点包括接近各层上端和下端的点。
在本发明的两层电气接点中，存在两层的平均厚度可以相同或者在第一层和第二层的边界中存在硬度差异的情况。在后一种情况下，该边界具有硬度介于两层之间的区域，即存在硬度在从小于第一层硬度的下限至大于第二层硬度上限的范围内的区域(以下也称作“中间部分”)。该区域的厚度随着夹层加热扩散的进行情况或者制造过程中主要在Ag合金步骤的合金组分加工应变的深度而变化。存在中间部分的厚度非常小或者基本上为零的情况。例如，只要满足上述的构造范围，本发明的电气接点在厚度方向上同样在两层边界中可以具有连续或阶梯式降落。这种功能性分级结构可以用以下方法获得，例如，层压和接点粘合具有不同化学组成的Ag合金材料的三层或多层，在Ag合金步骤控制加热处理条件或者在最后步骤加入加工硬化处理。
本发明包括落入上述基本构造范围内的电气接点，其中第一层和第二层具有相同的化学组成。两层化学组成相同但硬度水平不同的原因在于它们的精细结构是受控的。
本发明还包括落入上述构造范围内的电气接点，其中第一层中Sn甚至In的含量等于或大于第二层中的含量。通过将第一层中的Sn量预定为大于第二层的Sn量，几乎可以确定第一层的硬度高于第二层。
顺便提及，本发明的电气接点由于要安装在断路器中，所以需要连接到诸如基底金属的其它构件上。因此，电气接点可以在和第一层相对的第二层侧上有薄的连接层，该连接层由诸如纯银的金属和焊接材料制成，使得接点容易连接到诸如基底金属的其它构件上。顺便提及，该层可以和为这种用途提供的普通金属层相同。图1至3各自图示说明了本发明接点的截面的一个实例，但是这些视图中参考数字3所示的部分是连接层。
顺便提及，参考数字1表示的部分是第一层，参考数字2表示的部分是第二层。图1所示的是在一侧上形成位于表面上的第一层的情况，图2所示的是在背表面和侧表面都形成第二层的情况。
下面将描述本发明电气接点的制造方法。本发明的电气接点基本上是通过与此前已经投入使用的这种Ag合金相同的程序制备的。例如，熔融/铸造方法包括以下程序首先，用熔融/铸造法生产铸块，使其形成具有第一层和第二层的化学组成。然后将铸块粗轧，将两种轧制材料热接触-粘合在一起。此时或以后，根据需要将由上述纯Ag等的薄连接层接触-粘合到轧制材料上。将得到的产品进一步轧制成具有预定厚度的箍圈，然后将箍圈冲压或进一步成形，以得到其尺寸与最终形状接近的Ag合金材料。将如此得到的Ag合金材料进行内部氧化处理，使其金属组分如Sn和In转化成氧化物。顺便提及，在进行熔融/铸造之前，可以加入这些组分元素的氧化物以外的化合物。此外，增加在轧制之后调节氧化条件或者适当调节热处理工艺或形状的步骤。在这种情况下，可以设计氧化或热处理条件有目的地控制各个层的精细结构，使得可以以上述硬度为中心改变材料特性或其值，其在接点中的分布等。
为了如在本发明接点中的那样精密控制硬度，作为实例，可以将以下方法有效地用于制备中，该方法包括将材料保持在低于普通氧化温度的温度下，然后将温度升高到更高的值，在此温度下进行氧化。例如，在氧化步骤，一种方法包括将材料保持在约600℃的温度下约2小时进行预先加热，然后升温到750℃，在此温度下氧化材料。根据所需的硬度水平，可以延长预先加热时间，或者在氧化后，可以将材料保持在低于上述保持温度的温度下。在该方法中，在进行氧化反应的步骤将氧化温度预定为更低的温度，以减小分散的氧化物粒子的大小，使其可以提供有利的更高的硬度。此外，为了获得还要更高的硬度水平，在某些情况下必须将温度预定为600℃或以下，进一步为400℃或以下，更进一步为200℃或以下。在这种情况下，保留时间延长至大于等于10小时，甚至大于等于20小时。将氧化时的氧气压力预定大于等于3kg/cm2上，甚至大于等于10kg/cm2也是有利的。为了进一步提高表面侧和内侧的硬度水平，根据所需的水平在氧化过程中适当地控制温度、时间和压力很重要。例如，以下做法也是有利的将氧气压力提高到上述水平或更高，同时将材料保持在氧化温度下。
顺便提及，上述方法在采用下述粉末冶金法或者先前所述的层压塑性加工板的步骤的情况下也是有利的。
也可以采用粉末冶金法。例如，将诸如Sn的元素的化合物和Ag粉以两种预定的组成预先混合，通过加热从所述的诸如Sn的元素的化合物制备精细氧化物或类似化合物或者制备诸如氧化物的新化合物，然后根据需要进行热处理。将如此得到的两种粉末层压、充填在模具中并压模，获得预制坯。
可以使用一种组合物来获得预制坯。
随后，可以对预制坯进行塑性加工。至于其方法，可以使用任何方法，如热挤压、热轧/冷轧和热锻。另外，如前面铸造法中所述，增加在轧制之后调节氧化条件或者调节热处理工艺或形状的步骤。
另外，根据上述工序形成材料后，可以用任何一种冶金法形成第一层，如用喷涂、CVD等形成厚膜、用丝网印刷等方法印刷厚膜、涂覆后印刷。此外，为了将两个合金板结合，可以使用各种方法，如热挤压法和利用热流体静压力模制法进行的扩散粘结。另外，通过热处理可以有目的地控制各个层的精细结构，从而可以得到所需的特性。
至于控制硬度的方法，除了上述方法外，还有下面例示的各种方法。例如，有一种方法包括只将用上述方法得到的接点的第一层快速加热和冷却，使第一层的残余应力大于第二层的残余应力；另一种方法包括只对第一表面层进行喷砂清理，以进行加工硬化。另外，可以使用这样一种方法，该方法除上述方法中的热轧或冷轧外，即所谓的热机械处理(热机械处理)，还包括对Ag合金板进行加热处理，然后对Ag合金板进行内部氧化，使得在第一层中分离出比第二层的细针状氧化物粒子更微细的细针状氧化物离子，从而提高表面硬度。此外，可以使用的另外一种方法包括，在上述轧制或热接触粘结过程中，改变第一层和第二层的锻造比。
在以下实施例中将介绍本发明电气接点制造方法的一个实例和使用本发明电气接点的接点组件和电气设备的一个实例。
-实施例-(实施例1)至于表面侧上的第一层(表面层)和内侧上的第二层(内层)，将具有表1所示化学组成的两种Ag合金分别熔融和铸造，制备两种铸块。将这些铸块分别粗加工，相互层压，然后在温度为850℃的氩气气氛中在加热辊上使它们相互结合，以制备由两层Ag合金组成的复合材料。在相同的条件下将如此得到的复合材料预热，将纯Ag薄板热接触-结合在复合材料与其正面相对的其背面上，使Ag板的最终厚度是总厚度的1/10，从而形成连接层。为了方便，以下在实施例中将第一层和第二层分别称作“表面层”和“内层”。
然后冷轧层压制品，得到箍圈状材料，然后将箍圈状材料冲压，制备两种形状的复合接点顶端，即，形状A宽7.5mm、长8mm、厚2mm，形状B宽5mm、长5mm、厚1.5mm。将如此得到的各种顶端在750℃、15atm的气氛中保持210小时，从而制成作为表1所示的样品1至34和7’以及7”的接点。在氧化过程中，为了获得所需的硬度，在对于每种顶端不同的条件下，将温度在200至750℃范围内阶梯式升高，直至最后达到750℃。如此获得的各种接点样品的基于维氏显微硬度标准的平均硬度和表面层的厚度示于下表1中。顺便提及，除样品33和7”外，内层的硬度低于表面层的硬度。
为了测量平均硬度，在表面层和内层的每个区域中，在沿着垂直于各种接点样品表面的方向的截面上测量维氏显微硬度，每次测量5个点，包括厚度方向上各层的上端和下端，并且该工作在接近样品中心的6个位点进行。然后将这30次测量值的算术平均值定义为各层的平均硬度。顺便提及，在表面层厚度小的情况下，在平行于接点表面的方向上的30个点处进行测量。另外，在相同部分的中心附近，在平行于顶端表面的方向上5个点测量表面层的厚度，这5个点测量值的算术平均值定义为表面层的厚度。
表1
符号*表示比较样品。
顺便提及，在表1所示的各种样品的组成中，样品11至18中的其它组分Sb、Ni和Bi的量分别为0.2重量％。另外，样品19至32的表面层和内层的化学组成相同。此外，至于样品19至27至两层中都有的其它组分和它们的量，Sb、Co和Zn的量各为0.05重量％，Ni的量为0.2重量％。至于样品28的两层中都有的其它组分及它们的量，Sb、Pb、Ni、Bi、Co和Zn的量各为0.1重量％，Ca量为0.2重量％。至于样品29的两层中都有的其它组分及它们的量，Sb、Ni、Ca、Bi、Co和Zn的量各为0.1重量％，Pb的量为0.5重量％。另外，至于样品30至32中的其它组分及它们的量，Ni和Zn的量各为0.2重量％。
样品1至10构成一组样品，该组样品的Sn和In含量已经被改变以控制各层的硬度，样品11至18构成一组样品，该组样品的Sn和In含量已经被改变，并且还含有其它组分，并且样品19至27构成一组样品，该组样品的表面层厚度已经被改变。顺便提及，由于样品27在整个接点中具有相同的硬度，其表面层厚度用接点厚度表示。另外，样品19至30组成一组样品，该组样品的表面层和内层具有相同的化学组成，并且除了样品27外，都是用以下方法制备的在制备表面层和内层的步骤将表面层的轧制比比内层的轧制比增加50％，并且在轧制过程中将材料在真空下在450℃的较低温度下退火，退火时间短至30分钟，在为了获得更高硬度进行的氧化后，再进行喷砂清理，以控制表面层硬度。此外，样品7’和7”不含其它添加剂组分，并且是用与样品7相同的方式制备的。顺便提及，样品31是硬度小于140mHv的样品的一个实例，而样品32是不含In的样品的一个实例。
另外，样品33和样品34是分别按照JP-A-61-114417和JP-58-189913所述的方法制备的样品。换言之，样品33的接点是用以下方法制备的将具有表1所示组成的表面层和内层的各种Ag合金熔融铸造，将所述材料热接触粘结/轧制，然后冲压材料，制备出接点，将其在780℃、1atm的氧气气氛中保持210小时进行氧化处理。样品34的接点是用以下方法制备的将表面层和内层的各种Ag合金熔融铸造，在其配合表面上沿水平方向形成1mm间距和0.5mm深的粗糙度，在两层的升起部分和落下部分相互啮合地情况下，向两层施加2吨/cm2的压力同时加热到400℃，从而将它们热接触-粘结在一起，冷轧层压制品，然后在650℃、1atm的氧气气氛中对层压制品进行氧化处理。
接着，制备具有图4所示形状B的由电解铜制成的固定侧基底金属和具有形状A的移动侧基底金属。顺便提及，移动侧基底金属6的纵向长度为50mm，移动侧基底金属6的厚度为4mm，并且在移动侧基底金属6在其安装接点4一侧的宽度为12mm。另一方面，固定侧基底金属7的纵向长度为30mm，固定侧基底金属7的厚度为3.3mm，并且固定侧基底金属7的宽度整个为14mm。然后将形状A的上述接点顶端5和形状B的上述接点顶端4分别焊接到固定侧基底金属7和移动侧基底金属6上。因此，将这些基底金属固定在额定AC 30-50A框架的接地漏泄断路器(以下简称“断路器”)。对于各种样品的每对接点，制备三个单元的这样的断路器。然后通过在220V负载下，对于30A框架在1.5A断路电流下，或者对于50A框架在5A断路电流下进行断路试验，确认所有样品1至34的组件的每一个的绝缘性能。至于绝缘性能，测量在电源负载之间的电阻率，将最低值列于下表2中。另外，将初始接点和进行了断路试验的接点的消耗状态相互比较，基于10个点对接点的消耗状态及其分散度进行评估。
至于电磁开关，也类似地确认接点消耗状态的分散度。换言之，对额定为400AF、使用样品1至34各种接点的电磁开关进行4000A断路试验，在2400A闭合，并且在400a打开，重复100,000次。在各种试验前后的比较中，目测确认接点消耗的分散度，基于10个点对消耗分散度的大小进行评估。前者对应于表2中的“耐消耗性”栏，后者对应于“断路器消耗的分散度”栏。另外，在制备各种样品的步骤，通过焊料流动状态、在接点表面上是否存在诸如裂缝的异常以及称作炸弹的结合问题的出现，基于10个点，对将接点结合到基底金属过程中接点的粘着性进行评估。上述评估结果示于表2中。
表2
符号*表示比较样品。
上述结果表明以下事实(1)根据上述综合评估，包含具有下述性质的本发明接点的断路器和电磁开关处于可用充分投入实际使用的范围表面层Sn浓度控制在1-9重量％范围内，根据JIS的表面层平均维氏显微硬度大于等于150mHv，还优选表面层厚度大于等于10μm并且内层硬度控制在较高水平。相反，根据综合评估，包含偏离上述范围的比较例的接点的断路器和电磁开关达不到实际使用水平。(2)在除Sn和In外还含有少量其它组分的情况下，上述结果同样适用。(3)由于在JP-A-61-114417和JP-A-58-189913基础上制备的各种接点未进行任何特殊的硬度控制处理，其表面硬度水平偏离本发明的范围，因此，这两种接点均不能显示出综合实用水平的性能。
(实施例2)制备具有与表1的样品3、8和9相同的表面层和内层化学组成的复合接点。但是，用与实施例1相同的铸造/轧制方法形成内层，用真空等离子体喷涂法形成表面层。略为具体而言，用与实施例1所述的相同的方式熔融和铸造由化学组成与内层的化学组成相同的Ag合金制成的轧制材料，然后用与实施例1所述的相同的方式将纯Ag薄连接层热接触-粘结在轧制材料的一侧，然后将层压制品轧制成箍圈形状。将如此获得的这些箍圈材料每个都冲压，得到具有宽7.5mm、长8mm、厚约2mm的形状C的材料，和具有长5mm、宽5mm、厚约1.5mm的形状D的材料，然后将这些材料如实施例1那样用作内层材料。
其后，将这些材料以连接层置于背面的方式放入真空室中，并且用以下方式在正面形成表面层。略为具体而言，制备具有与样品3、8和9的表面层相同化学组成且具有从亚微米至2μm粒度分布的Ag合金预合金粉末作为原料。用氩气作为供料载气，用真空等离子体喷涂法将如此制备的预合金粉末喷涂和固定在上述内层材料的表面上，从而形成表面层。顺便提及，在喷涂过程中，喷枪的前端自动旋转，以使如此喷涂的表面层变均匀。另外，为了提高表面层和内层之间的粘着性，在喷涂表面层之前将内层的表面预先暴露于等离子体火焰中。
在与实施例1相同的条件下将如此获得的复合材料氧化，获得样品35至37的接点顶端。所有接点顶端的最终表面层厚度都是50μm，并且纯Ag连接层厚度约为总厚度的1/10。用与实施例1相同的方式确认如此获得的接点顶端的表面层平均硬度。另外，用与实施例1相同的方式将各种接点顶端分别安装在与上述相同的断路器和电磁开关中，并且用与实施例1相同的方式进行电学试验。结果示于下面的表3中。
表3
从上述结果可以看出即使是包括通过喷涂法形成表面层的方法也可以如实施例1的铸造方法那样制造符合以下条件的复合电气接点包含具有相同化学组成的表面层和内层、表面层平均硬度大于等于150mHv并且内层平均硬度超过130mHv，而且用这种接点可以制造具有优异实际性能的断路器。
(实施例3)制备具有与表1的样品1、2和6相同的表面层和内层化学组成的复合电气接点。但是，用与实施例1相同的铸造/轧制方法形成内层，然后用真空沉积法在其上形成表面层。具体而言，用与实施例1相同的方式熔融和铸造由化学组成与内层化学组成相同的Ag合金制成的轧制材料，然后用与实施例1相同的方式将纯Ag薄连接层热接触-粘结在轧制材料的一侧，然后将层压制品轧制成箍圈形状。将如此获得的这些箍圈材料每个都冲压，得到实施例2的具有形状C的材料和具有形状D的材料，将其用作内层材料。
其后，将这些材料以纯Ag连接层置于背面的方式放入真空室中，并且用以下方式在正面形成表面层。首先，制备化学组成与表1中的样品1、2和6的表面层相同的靶体。使用上述靶体，采用磁电管溅射法对这些内层材料每一种都进行真空金属化，同时将真空室的温度保持在180℃以防止Sn再蒸发，并且将真空室的压力保持在几托至几十托的氩气分压下以形成组成与内层表面上的靶体相同的第一层。顺便提及，为了提高表面层和内层之间的粘着性，在真空金属化前用高频产生的离子预先清洁内层表面。
然后在与实施例1相同的条件下制备如此获得的复合材料的每一种，获得样品38至40的接点顶端。所有接点顶端的最终表面层厚度都是30μm，并且纯Ag连接层厚度约为总厚度的1/10。用与实施例1相同的方式确认如此获得的接点顶端的表面层平均硬度。另外，用与实施例1相同的方式将各种接点顶端分别安装在与实施例1所用的相同类型的断路器和电磁开关中，并且用与实施例1相同的方式进行电学试验。结果示于下面的表4中。
表4
从上述结果可以看出即使是包括通过真空金属化形成表面层的方法也可以如实施例1的铸造方法那样制造符合以下条件的复合电气接点包含具有相同化学组成的表面层和内层、表面层平均硬度大于等于150mHv并且内层平均硬度超过130mHv，而且用这种接点可以制造具有优异实际性能的断路器。
(实施例4)用与实施例1相同的方式，通过铸造/轧制、纯Ag连接层的接触粘结和冷轧方法，制备具有与上述表1的样品19和20内层相同的化学组成的复合接点材料。将这些材料各自放置在喷砂清理室中，表面层朝上，然后用#120氧化铝珠粒选择性地只对表面进行喷砂清理。至于喷砂清理条件，与通常的喷砂清理抛光不同，喷砂清理是在高达6kgf/cm2的喷出压力下进行30分钟。
其后将复合材料各自以与实施例1相同的方式在750℃下保持210小时，进行内部氧化，得到样品41和42的接点顶端。接点顶端的最终组合具有与实施例1相同的大小，所有样品表面层的厚度都是20μm，并且纯Ag层厚度约为总厚度的1/10。用与实施例1相同的方式确认各种接点顶端的表面层平均硬度。另外，用与实施例1相同的方式将各种接点顶端分别安装在与实施例1所用的相同类型的断路器和电磁开关中，并且用与实施例1相同的方式进行电学试验。结果示于下面的表5中。
表5
从上述结果可以看出即使是包括通过熔融/铸造法形成表面层然后加工-硬化表面层表面的方法也可以制造符合以下条件的复合电气接点包含具有相同化学组成的表面层和内层、表面层平均硬度大于等于150mHv并且内层平均硬度超过130mHv，而且用这种接点可以制造具有优异实际性能的断路器。
(实施例5)制备具有与上述表1的样品1至4、6、7、16、21和25至27的内层相同的化学组成的复合电气接点。但是，用与实施例1相同的方式分别用铸造/轧制法制备表面层和内层，以约50％的百分比对表面层材料进行冷高强度加工，将两种材料相互热接触-粘结，将纯Ag薄层热接触-粘结到其背面的内层上，然后轧制整个层压制品，获得箍圈。将该箍圈在10-5托或更低的真空度下在300℃退火2小时，然后冲压成与实施例1相同的两种形状，获得复合材料。将如此获得的各种复合材料每一种以与实施例1相同的方式氧化，得到样品43至53的接点顶端。
顶端的最终组合与实施例1的大小相同，并且其层的厚度被预定为各种表1的相应样品的厚度相同，误差在±2％以内。如此获得的各种样品的表面层的平均硬度只比相应的表1各种样品的硬度高10至20mHv。所有样品的纯Ag连接层厚度约为总厚度的1/10。用与实施例1相同的方式将各种接点顶端分别安装在与实施例1所用的相同类型的断路器和电磁开关中，并且用与实施例1相同的方式进行电学试验。结果示于下面的表6中。
另外，使用熔融和铸造的具有与上述样品43至53除表面层组成外相同的化学组成的材料的片材，而不是热接触-粘结两块熔融和铸造材料的片材，即，表明层和内层，并且将该熔融和铸造材料热接触-粘结到纯Ag薄连接层上，然后以与上述相同的步骤进行氧化，从而制备样品54至64的接点顶端。但是，为了提供具有所需平均硬度的各层，在上述氧化过程中将每个顶端的温度在200至750℃的范围内阶梯式升高。其后，进行氧化，氧化初始阶段的温度为600℃，然后是750℃。另外，至于表面层的厚度和平均硬度，控制氧化温度和低温下的氧化时间，使表面层的厚度和平均硬度与表1的相应各种样品相同，误差在±2％以内。
用与实施例1相同的方式将如此获得的样品43至64的各种接点顶端分别安装在与上述的相同类型的断路器和电磁开关中，并且用与实施例1相同的方式进行电学试验。结果示于下面的表6中。
表6
从上述结果可以看出即使是上述的包括熔融/铸造法的方法也可以制造符合以下条件的复合电气接点表面层平均硬度大于等于150mHv并且内层平均硬度超过130mHv，而且用这种接点可以制造具有优异实际性能的断路器。
(实施例6)制备具有与上述表1的样品6和8相同的表面层和内层化学组成的复合接点。但是，用与实施例1相同的方式将具有所述表面层和内层组成的各种材料熔融和铸造，然后轧制成片材。随后，将这些片材相互层压，在层压部分预先微焊，以保持两种材料的气密性，在气氛中加热到800℃，然后以80的挤出比(截面积比)热挤出。在与实施例1相同的条件下，将纯Ag薄连接层热接触-粘结到如此挤出的复合材料背面的内层上，并且轧制层压制品，然后冲压成与实施例1相同的两种形状。将如此获得的各种复合材料每一种以与实施例1相同的方式进行内部氧化，得到样品65至66的接点顶端。
接点顶端的最终组合与实施例1的大小相同，所有样品表面层的厚度均为50μm，纯Ag层的厚度约为总厚度的1/10。用与实施例1相同的方式确认样品65至66各种接点顶端的表面层的平均硬度。另外，用与实施例1相同的方式将各种接点顶端分别安装在与实施例1所用的相同类型的断路器和电磁开关中，并且用与实施例1相同的方式进行电学试验。结果示于下面的表7中。
表7
从上述结果可以看出层压然后热挤出/轧制表面层和通过熔融/铸造法制备的内层，如实施例1一样，可以制造符合以下条件的复合电气接点包含具有相同化学组成的表面层和内层、表面层平均硬度大于等于150mHv并且内层平均硬度超过130mHv，而且用这种接点可以制造具有优异实际性能的断路器。
(实施例7)用粉末冶金法制备表面层和内层的化学组成与表1中样品8和15相同的复合电气接点。略为具体而言，分别制备具有与这些化学组成对应的化学组成的Ag合金粉末，然后在回转窑中，在相同的气氛中和与实施例1相同的条件下进行内部氧化。其后，将各种粉末层压并且模制，使表面层和内层形成具有与样品8和15相同的组成的组合，从而制备出直径为80mm、总高度为200mm的圆柱体预制坯。在该过程中，将对应于表面层的部分预定为点整个组合的1/10。
接着，在800℃的氩气中加热预制坯，然后立即热挤出形成片材。用与实施例1相同的方式将纯Ag薄连接层热接触-粘结在挤出材料背面的内层上，将该层压制品轧制成箍圈，将箍圈冲压成与实施例1相同的两种形状。从而获得样品67至68的接点顶端。接点顶端的最终组合的大小与实施例1所示的相同，并且所有样品的纯Ag层厚度约为总厚度的1/10。
用与实施例1相同的方式确认如此获得的样品67至68各种接点顶端的表面层平均硬度和表面层厚度。另外，用与实施例1相同的方式将各种接点顶端分别安装在与上述的相同类型的断路器和电磁开关中，并且用与实施例1相同的方式进行电学试验。结果示于下面的表8中。
表8
从上述结果可以看出即使是用粉末冶金法制备的复合接点也可以制造符合以下条件的复合接点表面层平均硬度大于等于150mHv并且内层平均硬度超过130mHv，而且用这种接点可以制造具有优异实际性能的断路器。顺便提及，所有上述样品的Cd浓度均小于0.01重量％。
尽管已经参考其具体实施方案并且对本发明进行了详细描述，但是对于本领域技术人员而言，清楚的是在不偏离其精神和范围的情况下可以对本发明进行各种改变和修正。
本申请基于2003年7月18日提交的日本专利申请(专利申请No.2003-199389)，该专利申请通过引用结合在此。
<工业实用性>
根据本发明，提供一种由含Sn的Ag合金制成的无Cd接点，这种无Cd接点在耐消耗性、其分散度、绝缘性和与基底金属粘合强度的分散度方面，这些是常规无Cd的Ag合金接点的弱点，得以改善，因此通过控制以下条件可用提供优异的性能将在其至少一个表面侧的第一层的平均硬度控制到大于等于150mHv，并且将其内侧上的第二层的平均硬度控制到大于130mHv，还优选将表面层的厚度控制在大于等于10μm。因此，本发明的电气接点不含Cd，因而可以取代由含Cd的Ag合金制成的常规电气接点用于诸如断路器和电磁开关的电气设备中。
权利要求
1.一种电气接点，该电气接点包含Ag合金，所述Ag合金含有1至9重量％的Sn和大于等于0重量％至小于0.01重量％的Cd，并且所述电气接点具有由其表面侧上的第一层和其内侧上的第二层组成的两层结构，其中第一层基于JIS定义的维氏显微硬度标准的平均硬度大于等于150并且厚度大于等于10μm，第二层基于维氏显微硬度标准的平均硬度大于130。
2.如权利要求1所述的电气接点，其中上述第一层基于上述标准的平均硬度大于等于190。
3.如权利要求1或2所述的电气接点，其中除Sn以外，其中还结合有1至9重量％的量的In。
4.如权利要求1至3任何一项中所述的电气接点，其中作为Sn和In以外的添加组分，结合有选自Sb、Ca、Bi、Ni、Co、Zn、Cu、Mo、W、Ge、Te、Cr和Pb中的至少一种。
5.一种电气设备，该电气设备使用如权利要求1至4任何一项中所述的电气接点。
全文摘要
本发明的一个目的是提供一种由不造成毒性问题的无Cd的Ag合金组成的电气接点，这种电气接点表现出良好的绝缘性能并且确保焊接的稳定性，可以应用于断路器或高负载电磁开关，还提供一种电气设备。本发明解决方案的一种手段是一种电气接点，该电气接点包含Ag合金，所述Ag合金含有1至9重量％的Sn和大于等于0重量％至小于0.01重量％的Cd，并且所述电气接点具有由其表面侧上的第一层和其内侧上的第二层组成的两层结构，其中第一层基于JIS定义的维氏显微硬度标准的平均硬度大于等于150并且厚度大于等于10μm，第二层基于维氏显微硬度标准的平均硬度大于130。
文档编号H01H1/02GK1823176SQ20048002066
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年7月18日
发明者上西升, 胡间纪人, 铃木恭彦 申请人:住友电气工业株式会社