专利名称：一种节银型层状复合触头片件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种可节银的层状复合触头片件及其制备方法，主要应用于低 压电器行业中的电触头材料及其制造。
背景技术：
目前低压电器行业中小电流的电器产品大多使用银基材料作为其电接触材 料。这种电接触材料选择了具有导电导热性佳、又有一定抗电腐蚀的银为主要基 体，但纯银硬度太低，抗磨损性能较差，因此在银基体上一般需添加MeO(金属 氧化物)第二相，才能制备出满足抗熔焊性好、耐电弧烧损与耐磨损性佳的电接 触应用要求。其中传统的银基材料大多为银氧化镉，随着日益严格的环保要求， 银氧化锡材料也正在逐渐取代银氧化镉。但无论是银氧化镉还是银氧化锡材料， 由于其中存在的氧化物阻碍了该电接触材料与其它材质部件的连接，在实际使用 中都需要在这些银基材料的一面(另一面则为电接触功能层)复上一层焊接层材 料，以满足该触头片件与其余材质部件的焊接连接作用，该焊接层材料一般为与 银基材料连接性好的纯银或银合金，即实际应用中的电接触片件为银氧化物层/ 焊接层的两层层状结构。制备这种层状复合触头片件的目前常用工艺是先用熔炼 法制成与银金属氧化物相对应的银合金，例如银氧化锡对应的为银锡铟(其中促 进锡的氧化而必须添加铟元素)合金，而银氧化镉对应的则是银镉合金；然后将 银合金与纯银(或银合金)复合成两层结构的板材或带材。板材或带材经过成品 轧制工序成最终产品的厚度，然后冲压成最终触头片件的尺寸大小，最后在高压 内氧化内进行600。C 70(TC、 10" l(^MPa氧压、几小时至几十小时不等时间的 高压氧化处理。这种常用的制备银氧化物触头片件的技术被称为合金内氧化法。 该方法工艺简单因而被大量采用，但无法避免合金内氧化工艺过程必然出现的银
氧化物层中间"贫氧化物亮带"现象(见附图1 ):金属氧化物的分布从层表面
向层中间逐渐呈细到粗，而层中间因无氧化物呈现带状白亮样。贫氧化物带的形 成与银合金氧化过程中合金元素向外对称扩散同时氧从外向层内对称扩散过程 的综合平衡结果有关。已有大量实验证据表明，用合金内氧化法制备出的的触头 片件在开关通断过程中，当反复频繁的电弧作用使银氧化物层磨损至中间贫氧化 物带附近时，该触头材料将因此时无氧化物的灭弧或抵抗电蚀作用而造成触头粘 死，即电接触功能完全失效，这实际上也同时意味着将有占近一半厚度左右的银 氧化物层被浪费。银本身作为贵重金属材料，再加上近年来银价一直处于急剧攀 升态势，而电接触材料的应用每年都要消耗大量的银，因此节银方面的技术一直 受到广泛关注。然而对于合金内氧化法而言，无论是添加元素还是增加氧压，或 是其它应用技术目前尚无法实现批量化生产无贫氧化物带的银氧化物型层状复 合触头片件。因此，如何实现层状复合触头片件中的银氧化物层被充分利用是节 银工程技术研究的重要方向。
另外，近年来国内报道了少银节银型低压电器电触头材料的一些发明专利，
如代表专利为《铜基低压电器电工触头合金材料》(专利号94102452.0)和专利 为《少银节银型低压电器电触头材料》(专利号为200610046594.5)。这些专利均 为以铜为基体的合金材料，添加的元素主要包括镉、二氧化铈、三氧化二镧、金 刚石微粉、银，但这种设计无论如何加元素都无法改变材料以铜基体为主的本质， 因而铜的耐电蚀差、抗氧化能力差的主体缺陷使这些铜基触头材料仍无法在相当程度上取代低压电器用的银基触头材料(实际应用证明在15A以上的较大电流 情况下铜基电触头材料均不能使用)。
发明内容
本发明的目的在于完全避免银氧化物层的中间贫氧化物带的出现，从而使 层状复合触头片件中银氧化物层的电接触功能够被完全充分地利用，最终实现显 著节银效果。
本发明的技术方案是这样实现的该节银型层状复合触头片件由银氧化物层 /过渡银层/导电纯铜层/焊接层的四层结构材料构成，替代原有的银氧化物/焊接 层的两层结构材料设计。其中，银氧化物层为用粉末冶金法制备的银氧化锡或银 氧化镉材料。这种节银型层状复合触头片件的制造流程为首先通过粉末冶金一等 静压_烧结一挤压出银氧化物材料板材或带材，再经可控气氛热复合法制备出层 状复合材料，最后经成品厚度轧制及冲压成型工序制成片件。
众所周知的是，目前低压电器用层状复合银触头之所以用合金内氧化法制 备，主要考虑的是材料加工性，即材料在内氧化前由于为单相合金(例如银锡铟 合金、银镉合金)，其材料组织中无第二相强化机制，使其加工塑性优异，有利 于加工制备得到最终尺寸的层状复合材料，最后再进行内氧化工序即可得到直接 用于装配至电器产品上的触头片件。但如前所述，加工完后再进行内氧化工序必 然在材料几何尺寸的中间位置出现贫氧化物亮带，这种中间贫氧化物带的出现造 成了触头抗熔焊能力急剧下降，直至出现粘着失效。这也意味着剩下的约为厚度 一半的银氧化物层不能得到电接触功能上的应用，即对合金内氧化法而言大量浪 费贵金属银材无法避免。
而银氧化物材料的另一种制备方法为粉末冶金法。它具有金相组织均匀(氧 化物第二相弥散分布，见附图2)的特点，由于微观组织决定性能，因此材料各 局部区域的性能也趋向均匀一致性。如果能将粉末冶金法制备出的银氧化物材料 应用于低压电器用的层状复合材料结构的设计，由于银氧化物层无中间贫氧化物 带等局部组织不均匀现象，即相当于整个银氧化物层的电接触功能可得到充分利 用从而达到显著节银效果。此时我们可以用相当于原设计(用合金内氧化法制备 的)的银氧化物层厚度50%左右的材料(指用粉末冶金法制备的银氧化物层)， 就可实现整体片件的性能达到甚至超过原设计的电寿命要求，当然为了确保本发 明所涉及的整体片件的电寿命，一般选择的银氧化物层厚度约为原设计的材料相 应厚度的50%~70%。当低压电器产品的内部结构设计不改变的情况下，即要求 触头材料的总厚度也不能变化时，节银型层状复合片件的设计思路为在显著变 薄了层厚的银氧化物材料的基础上复合一定厚度的纯铜材料(补偿原设计中多余 的实际丧失电接触功能的银氧化物层的厚度空间)，两者之间用薄的纯银层(约 占总厚5%)过渡，而在纯铜层的另一侧复合上焊接层。只要纯铜层不会与片件
通断工作时的电弧直接接触，由于纯铜本身具有较银氧化物更好的导电性和导热 性(意味着本发明材料较原设计的导电导热性更好有利于降低触头温升)，这样 的设计既可保证材料的总体外形尺寸不变，又可使整体材料的电性能接近甚至超 过原.(用合金内氧化法制备的)设计，即最终用铜材厚度补偿的方式实现了显著
节银的效果。按原设计结构中银氧化物层占总厚约为85%~90。/。，以及银氧化物 中含银量约为85%~90%计，折算出本发明所涉及的材料较原设计节银量约为 20%~40%。为了实现本发明的材料结构设计，制备方法的步骤如下
首先必须准备好所有用于复合前的组元材料银氧化物、纯银、铜、焊材。 纯银.、铜、焊材都是非常容易采购或生产实现的原材料；而银氧化锡材料则采用 常规的粉末冶金法制备，其基本生产流程为粉末处理一等静压"^烧结一挤压成 银氧化物板材或带材。
随后，本发明采用一种可控气氛热复合法来实现银氧化物/纯银/铜/焊材四种 组元材料的牢固复合。复合是一种在组元界面附近输入较高能量并通过各组元较 大变形量的塑性变形，使组元间形成牢固物理冶金键合的过程。实际上本发明所 涉及的四层层状结构复合材料的大批量生产的实现关键还在于其复合工艺，而可 控气氛热复合法恰恰非常适合本发明所涉及的由不同组元组成的层状结构材料 的复合过程，其特点是1、不同组元可实现独立加热控温以保证复合过程的可 加工性及降低变形抗力。由于本发明所涉及的组元材料中有冷加工性能很差的银
氧化物材料(其在25(TC 45(TC内具有很好的加工性能)，而其它纯银、铜及焊材
也具有相异的最佳加工温度范围(这里定义既不容易氧化又使加工塑性能力得到
较大程度增长的温度为最佳加工温度，例如银可选择10(TCT20(rC、选择铜为200 'C 30(TC)，因此要实现本发明设计结构材料的复合必须使各组元材料的轧制温 度能够独立控制，本发明选取四个组元材料在轧制复合前分别通过四组连续加热 装置，均可达到组元材料独立加热控温的目的。2、组元在进入轧制复合过程中 通可控气氛保护有利于组元间界面的复合。实现物理冶金键合，在使待复合的材 料不断形成新鲜界面(这也正是塑性变形的目的)的同时还必须保证该新鲜界面 形成后一段时间不被氧化，这对热复合过程尤其重要，因为高温下易生成的氧化 层或氧化物将阻碍复合界面的形成，因此在轧制热复合过程中通入氢气、氨分解 气、隋性气体等其中一种气氛都有利于保护材料的新鲜界面，即组元间的复合。 由上可见，采用可控气氛热复合法完全可实现大批量生产(粉末冶金法制备的) 银氧化物/过渡银层/纯铜/焊接材的层状结构复合材料(见附图3)。
复合好的银氧化物/过渡银层/纯铜/焊接材的层状结构复合板或带材还需经 过热轧为成品厚度尺寸，最后经冲床冲压制成用户所需要求规格的触头片件。
下面结合附图对本发明进一步说明。
倒1是用合金内氧化法制备的层状复合触头片件横截面金相组织。 图2节银型(无中间贫氧化物带)层状复合触头片件横截面金相组织。 图3本发明的节银型层状复合触头片件结构图
图中l.中间贫氧化物带，2.粉末冶金法制备的银氧化物层，3.纯银过渡层， 4邻铜，5.焊接层。
具体实施方式
实施例1:
替代原设计的银氧化镉(10)/纯银层状复合触头片件(总厚1.5mm,长X宽 二5mmX5隨)的本发明具体实施例。原设计结构的层状复合触头片件中银氧化 镉(10)层占总厚度比例为90%，纯银层则占总厚为10%,而本发明的具体实 施设计为银氧化镉(10) /纯银/铜/纯银的四层结构复合触头片件可较原f计结构 达到显著节银的目的。
与原设计结构的片件相比，本发明具体实施设计结构的片件外形尺寸均不变，但其中无中间贫氧化物带特征的银氧化镉(10)层所占总厚比例减少为50%， 铜层占总厚比例约为35%，铜层与银氧化镉层之间的过渡纯银层总厚比例约为 5%，而最外的焊接纯银层占总厚比例仍为10%。按各层的银重量百分比的含量
总计本发明具体实施较原设计节银约为31%。 具体制备出本实施设计结构片件的步骤如下。
首先采用粉末冶金法制备出银氧化镉(10)带材。本发明具体实施例的具体 工艺步骤为1、粉末预氧化法制备银氧化镉(10)粉；2、球磨2h、筛分；3、 250MPa等静压出直径约为90mm的银氧化镉(10)锭；4、 800°C、 5小时烧结； 5、 880。C热挤压成厚度为6mm、宽度为60mm的银氧化镉(10)板材或带材。
然后取已挤压出的银氧化镉(10)带材、外购及稍做加工的其它组元材料(包 括0.6mm(厚)X60mm (宽)过渡纯银层带材、4.2mm(厚)X60mm (宽)的纯铜 层带材、1.2mm(厚)X60mm (宽)外层焊接用纯银层带材)，即四种组元材料在 可控气氛热复合机上进行热复合。复合时控制各组元的温度分别为银氧化镉材 料30(TC、(两)纯银材料均为150'C、纯铜材料25(TC;可控气氛为纯氮；轧制 复合速度为5米/分钟；轧制变形率为50%。采用上述工艺可复合出6mm(厚)X 60mm (宽)具有银氧化镉(10) /纯银/铜/纯银四层结构的复合带材。
复合好的带材再经过热轧温度为350°C、四个道次(25%、 30%、 30%、 31%) 制成1.5mm(厚)X60mm (宽)的材料，最后经冲床冲压制成最终要求规格的触 头片件。
具体'实施方式 实施例2:
替代原设计的银氧化锡氧化铟(氧化物总量为10%)/纯银层状复合触头片件 (总厚1.5mm，长X宽-5mmX5mm)的本发明具体实施例。原设计结构的层状 复合触头片件中银氧化锡氧化铟层占总厚度比例为卯％,纯银层则占总厚为 10%，而本发明的具体实施设计为银氧化锡(10) /纯银/铜/纯银的四层结构复合 触头片件可较原设计结构达到显著节银的目的，值得指出的是由于本发明不采用 合金内氧化方法，因此没有必要在银基材料中添加铟来促进锡的氧化完成，这样 也达到了省铟的目的(铟的价格接近银)。
与原设计结构的片件相比，本发明具体实施设计结构的片件外形尺寸均不 变，但其中无中间贫氧化物带特征的银氧化锡(10)层所占总厚比例减少为50%, 铜层占总厚比例约为35%，铜层与银氧化镉层之间的过渡纯银层总厚比例约为 5%，而最外的焊接纯银层占总厚比例仍为10%。按各层的银重量百分比的含量 总计本发明具体实施较原设计节银约为30%。
具体制备出本实施设计结构片件的步骤如下。
首先采用粉末冶金法制备出银氧化锡(10)带材。本发明具体实施例的具体 工艺步骤为1、按氧化锡重量含量为10%比例计，在硝酸银、氨、水合肼溶液 中化学包覆氧化锡粉，制备出银氧化锡复合粉；2、洗涤、250'C干燥2小时、650 。C焙烧3h; 3、球磨5小时、筛分；4、 250MPa等静压出直径约为卯mm的银氧 化锡(10)锭；5、 800°C、 5小时烧结；5、 850'C热挤压成厚度为6mm、宽度为 60mm的银氧化锡(10)板材或带材。
然后取已挤压出的银氧化锡(10)带材、外购及稍做加工的其它组元材料(包 括0.6mm(厚)X60mm (宽)过渡纯银层带材、4.2mm(厚)X60mm (宽)的纯铜 层带材、1.2mm(厚)X60mm (宽)外层焊接用纯银层带材)，即四种组元材料在可控气氛热复合机上进行热复合。复合时控制各组元的温度分别为银氧化锡材 料350'C、(两)纯银材料均为150'C、纯铜材料25(TC;可控气氛为纯氮；轧制 复合速度为5米/分钟；轧制变形率为50%。采用上述工艺可复合出6mm(厚)X 60mm (宽)具有银氧化锡(10) /纯银/铜/纯银四层结构的复合带材。
复合好的带材再经过热轧温度为35(TC、四个道次(25%、 30%、 30%、 31%) 制成1.5mm(厚)X60mm (宽)的材料，最后经冲床冲压制成最终要求规格的触 头片件。
权利要求
1、一种节银型层状复合触头片件，其特征在于由银氧化物层/过渡银层/导电纯铜层/焊接层的四层结构材料构成。
2、 按权利要求1所述的节银型层状复合触头片件，其特征在于银氧化物 层为用粉末冶金法制备的银氧化锡或银氧化镉材料，其氧化物第二相在整个金相 组织、中均匀分布，银氧化物层中间附近无"贫氧化物带"。
3、 按权利要求1所述的节银型层状复合触头片件，其特征在于由于银氧 化物层在片件通断过程中可得到充分利用，材料节银效果达到20%~40%，而其 电性能则与原设计结构的材料相当甚至更高。
4、 一种节银型层状复合触头片件的制造方法，其特征在于制造流程首先 通过粉末冶金一等静压一烧结一挤压出银基复合材料板材或带材，再经可控气氛 热复合法制备出层状复合材料，最后经成品厚度轧制及冲压成型工序制成片件。
全文摘要
一种节银型层状复合触头片件及其制造方法。该节银型层状复合触头片件由银氧化物层/过渡银层/导电纯铜层/焊接层的四层结构材料构成。银氧化物层为用粉末冶金法制备的银氧化锡或银氧化镉材料，其氧化物第二相在整个金相组织中均匀分布，银氧化物层中间附近无“贫氧化物带”。由于银氧化物层在片件通断过程中可得到充分利用，材料节银效果达到20％～40％，而其电性能及机械性能则与原设计结构的材料相当甚至更高。这种节银型层状复合触头片件的制造流程为首先通过粉末冶金—等静压—烧结—挤压出银基复合材料板材或带材，再经可控气氛热复合法制备出层状复合材料，最后经成品厚度轧制及冲压成型工序制成片件。
文档编号H01H11/04GK101562081SQ20081009366
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月18日 优先权日2008年4月18日
发明者刘润勇, 徐卓辉 申请人:佛山精密电工合金有限公司