专利名称：亚微米颗粒增强银基电触头材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电触头材料及其制备方法，具体地说，涉及的是一种亚微米 颗粒增强银基电触头材料及其制备方法。
背景技术：
Ag-W或Ag-WC触头材料由于具有良好的导电、导热性能，抗侵蚀性能优良 等特点而广泛应用于断路器。近年来，国内外不断推出各种系列的新型塑壳式断 路器和小型高分断路器，这些新型的断路器体积更小，分断能力却大幅度提高。 新型断路器除了采用一系列新的限流技术以提高分断能力外，对所有电触点的抗 熔焊，耐电弧烧损以及电寿命都提出了更高的要求。国内外针对以上日益增长的 使用要求，集中于改进材料制备方法和成分配方等方面。研究结果如下
1) 范丽；银钨系列触头熔渗工艺的研究；苏州丝绸工学院学报21 (5)
2001
2) 孟繁琦；银钨触头材料的制备工艺及使用性能；材料导报V20 2006
3) —种鸨铜或钩银的制备方法CN1651590A
从以上文献结果可知Ag-W或Ag-WC材料的主要制备方法有1 )粉末冶金法； 2)熔渗法；3)化学共沉淀法。并且通过以上方法研究发现，粉末冶金方法具有 操作简便，成分控制灵活等特点，但是难以获得致密复合材料。化学共沉淀法所 获得材料均勾弥散、容易烧结，但是这种方法只能应用于特定材料体系如Ag-W 材料，而Ag-WC材料就无法使用共沉淀法生产。并且共沉淀法会带入不可避免的 杂质，从而影响材料性能。熔渗法是较常用的制备方法，具有工艺操作简单、材 料密度高的优点，但对于制备亚微米颗粒增强的Ag基材料而言，需要对粉末进 行必要的前期处理，否则会出现不能熔渗或聚集现象产生。国内外众多研究结果 表明电接触材料的耐电弧腐蚀性能和抗熔焊性能随着W颗粒或WC颗粒粒度的 减小而增强。其需要解决的主要问题是细颗粒团聚导致的分布不均匀、孔隙过多 的问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足和缺陷，釆用化学镀覆与熔渗技术相结 合的工艺路线，针对颗粒粒度细小的特点，化学镀覆采用液相喷雾与搅拌超生震 荡相结合的制备方式，提供一种亚微米颗粒增强银基电触头材料及其制备方法， 该材料具有均匀弥散的组织结构，材料致密度高,耐电弧烧蚀性和抗熔焊性能好，
具有很好的电寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是-
本发明所提供的一种亚微米颗粒增强银基电触头材料，包含的组分及其重量 百分比含量为0.1%《镍(Ni)《2%， 0.1%《铜(Cu)《2%， 30%《钨(W)或碳 化钩(WC)《80%，余量为银；所述碳化钨(WC)或钨(W)粉末粒度在0. l lum之间。
本发明还提供上述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法,首先采用 化学镀方法在亚微米W颗粒或WC颗粒表面包覆银，然后进行压制熔渗方法制备 致密亚微米硬质相颗粒增强银基复合材料。具体程序有采用表面处理、化学镀、 真空烘干、球磨、压制、熔渗、复压。
本发明方法具体实现时，可以按照以下步骤进行-第一步，将表面处理后的碳化钨或钨粉末进行化学镀覆； 所述化学镀覆，其基本流程为首先配置还原液，再将第一步获得的粉末倒入 还原液中搅拌超声分散，然后将主盐硝酸银溶液加入还原液中进行镀覆。镀覆方 式采用超声震荡与搅拌相结合。化学镀覆还原液为水合肼溶液，体积浓度为3 6ml/L，采用氨水调节酸碱度PH值在8 10之间。主盐硝酸银溶液质量浓度为 10 30g/L，添加方式采用喷雾添加，搅拌速度在20 20O转/分钟，超声震荡频 率为15 50KHz。化学镀覆装载量为10 30g/L。
第二步，将化学镀覆后的钨粉末或碳化钨粉末在真空中烘干； 所述真空烘干，其温度在100 15(TC,时间为24h; 第三步，将烘干后粉末按照比例与铜粉或镍粉进行混合球磨； 所述混合球磨，其球料比为2: 1~10: 1，球磨时间为2h 20h,球磨转速 为20转/分钟 150转/分钟。
第四步，将球磨后的粉末压制成坯料；所述将球磨后的粉末压制成坯料，是指在100MPa 500MPa压强下将球磨后 的粉末压制成坯料。
第五步，将压制后坯料与相应重量银片一起熔渗；
所述熔渗，其中熔渗温度为1000 1250°C，熔渗时间由产品厚度决定，厚 度与时间关系时间-熔渗速度X厚度，熔渗速度为2 5miri/ram，氢气气氛或惰 性气氛保护。
所述相应重量=所需制备材料中银的总重-化学镀覆产生的银重。 本发明在进行上述步骤之前，可以先对碳化钨或钩粉末进行表面处理，即将
碳化钨或钨粉末浸泡于稀硝酸中搅拌清洗10 30分钟，过滤后用去离子水清洗三遍。
所述稀硝酸，其质量浓度为5% 20%。
本发明在上述步骤五结束之后，可以进一步对熔渗后的材料进行复压。 所述复压，其中复压压力在200 1000MPa之间。
本发明采用液相喷雾添加方式实现亚微米颗粒表面化学镀覆Ag，并结合后 续熔渗方法，制备致密块体复合材料。采用液相喷雾方式化学镀覆，可以在颗粒 表面预先均匀包覆银，表面包覆的银在后续熔渗过程中可以起到引导作用，有助 于银液均匀进入每个亚微米颗粒之间，从而获得均匀的组织结构。同时细小弥散 的亚微米WC或W颗粒能够在电接触使用过程中极大的分散电弧，防止电弧集中， 从而使得材料的抗熔焊性能与抗电弧烧蚀性能得到极大的提升。
本发明提供的上述亚微米颗粒增强银基触头材料，具有良好的力学和物理性 能，增强相颗粒均匀弥散。相比传统Ag"W或Ag-WC材料，由于细小的高熔点增 强相均匀弥散分布于材料基体中，因此在使用过程中可以保持优良的抗熔焊性和 较低的材料损耗，从而具有更长的电寿命，更优良的耐电弧烧蚀能力。亚微米颗 粒的含量大于80wtW时，将会使得材料导电率下降而不能满足使用要求；当亚微 米颗粒含量小于30wtX时，材料的抗熔焊性能及耐电弧烧蚀性能不足以满足使用 要求。因此亚微米颗粒含量在30 80^%之间最佳。相比传统方法制备的微米WC 或W颗粒增强的银基材料，采用本发明制备的亚微米WC或W颗粒增强Ag基复合 材料抗熔焊性能和耐电弧烧蚀率提高50%以上，强度和硬度提高50%以上。
图1为本发明的一实施例制备方法流程图
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施例作一详细描述，以下的实施例只是作为理解 本发明技术方案之用，并不是用于限定本发明的范围。
本实施例中所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料，包含的组分及其重量百 分比含量为镍(Ni) +铜(Cu)《2%, 30%《钩(W)或碳化鸽(WC)《80%，余 量为银；所述碳化钨(WC)或钨(ff)粉末粒度在0.1 lum之间。
实施例一
以制备5咖厚Ag-WC30-lCu-1Ni材料为例
如图1所示，首先将10kg WC粉末(粒度为l卿)置于5%硝酸溶液中，搅 拌清洗10分钟，然后采用去离子水清洗三遍后抽滤。
然后实施化学镀，将抽滤后的粉末倒入500L的水合肼溶液中，其浓度为 3ml/L，用氨水调节PH值为8，搅拌超声震荡，同时将浓度为10g/L硝酸银溶液 500L以喷雾形式加入，搅拌速度为20转/分钟，超声震荡频率为15KHz。待化 学镀覆完全后，抽滤获得镀覆好的WC粉末，并用去离子水冲洗三遍。
之后真空干燥，将镀覆好的WC粉末置于真空中，10(TC干燥24小时。
取千燥好的镀银WC粉末与300gCu粉及300gNi粉球磨20h，球料比2: 1， 球磨转速为20转/分钟。
每份取13克球磨后粉末在lOOMPa下压制获得压坯。
之后与17g重的Ag片一起在氢气气氛下进行熔渗，熔渗温度为100(TC，熔 渗时间-2min/咖X5咖-10分钟。
最后将熔渗完成的材料在200MPa下复压。这样即可获得Ag-WC30材料，材
料性能硬度(HB): 120;电阻率2.2^.011;密度11. 5g/cffl3。与传统碳化
钨增强银基材料相比，材料抗熔焊性与耐电弧烧蚀性提高80%,电寿命提高50%。 实施例二
以制备10mm Ag-WC80-lNi材料为例
如图1所示，首先将30kg WC粉末(粒度为0. ljiin)置于20%硝酸溶液中， 搅拌清洗30分钟，然后采用去离子水清洗三遍后抽滤。
然后实施化学镀,将抽滤后的粉末倒入500L水合肼溶液中,其浓度为6ml/L,用氨水调节PH值为IO，搅拌超声震荡，同时将浓度为30g/L的500L硝酸银溶 液以喷雾形式加入，搅拌速度为200转/分钟，超声震荡频率为50KHz 。待化学 镀覆完全后，抽滤获得镀覆好的WC粉末，并用去离子水冲洗三遍。
之后真空干燥，将镀覆好的WC粉末置于真空中，150。C干燥24小时。 将干燥好的粉末与375gNi粉球磨2h,球料比10: 1，球磨转速为150转。 每份取球磨后粉末20g在500MPa下压制获得压坯。
之后与0. 5克Ag片一起在氢气气氛下进行熔渗，熔渗温度为1250°C,熔渗 时间-5min/腿X 10ram=50分钟。
最后将熔渗完成的材料在lOOOMPa下复压。这样即可获得Ag-WC80材料，材 料性能硬度(HB): 230;电阻率4.0^.，；密度15.2g/cm3。与传统碳化 钨增强银基材料相比，材料抗熔焊性与耐电弧烧蚀性提高200%,电寿命提高 180%。
实施例三
以制备20mm Ag-WC50-0.1Cu材料为例
首先将15kg WC粉末(粒度为0.5拜)置于10%硝酸溶液中，搅拌清洗10 分钟，然后采用去离子水清洗三遍后抽滤。
然后实施化学镀，将抽滤后的粉末倒入500L水合肼溶液中，其浓度为 4.5ml/L,用氨水调节PH值为9，搅拌超声震荡。同时将500L浓度为15g/L硝 酸银溶液以喷雾形式加入，搅拌速度为100转/分钟，超声震荡频率为30KHz 。 待化学镀覆完全后，抽滤获得镀覆好的WC粉末，并用去离子水冲洗三遍。
之后真空干燥，将镀覆好的WC粉末置于真空中，100'C干燥24小时。
将干燥好的粉末与30gCu粉球磨20h，球料比2: 1，球磨转速为20转。
球磨后粉末每份取10g在lOOMPa下压制获得压坯。
之后与13克Ag片一起在氢气气氛下进行熔渗，熔渗温度为IIO(TC,熔渗 时间-2min/mraX20ram-40分钟。
最后将熔渗完成的材料在200MPa下复压。这样即可获得Ag-WC50材料，材 料性能为硬度(HB): 160;电阻率3,3^.墮；密度13.3g/cm3。与传统碳化 钨增强银基材料相比，材料抗熔焊性与耐电弧烧蚀性提高200%，电寿命提高 150%。
8实施例四
以制备15咖Ag-W30-lCu-lNi材料为例
首先将10kg W粉末(粒度为l拜)置于5%硝酸溶液中，搅拌清洗10分钟， 然后采用去离子水清洗三遍后抽滤。
然后实施化学镀，将抽滤后的粉末倒入500L的水合胼溶液中，其浓度为 3ml/L，用氨水调节PH值为8，搅拌超声震荡，同时将浓度为10g/L硝酸银溶液 500ml以喷雾形式加入，搅拌速度为20转/分钟，超声震荡频率为15KHz。待化 学镀覆完全后，抽滤获得镀覆好的WC粉末，并用去离子水冲洗三遍。
之后真空干燥，将镀覆好的WC粉末置于真空中，10(TC千燥24小时。
将干燥好的粉末与300gCu粉和300g Ni粉球磨20h，球料比2: 1，球磨转 速为20转。
球磨后粉末每份取13克在100MPa下压制获得压坯。
之后与17克Ag片一起在氢气气氛下进行烙渗，熔渗温度为IOO(TC，熔渗 时间-3min/鹏X 15咖=45分钟。
最后将熔渗完成的材料在20(MPa下复压。这样即可获得Ag-W30材料，材料
性能硬度(HB): 120;电阻率2.2^.^11;密度11. 8g/cm3 。与传统碳化
钨增强银基材料相比，材料抗熔焊性与耐电弧烧蚀性提高150%，电寿命提高 100%。
实施例五
以制备30mm Ag-W80-1Ni材料为例
首先将30kg W粉末(粒度为0. l,)置于20%硝酸溶液中，搅拌清洗30分 钟，然后采用去离子水清、冼三遍后抽滤。
然后实施化学镀，将抽滤后的粉末倒入500L水合肼溶液中，其浓度为6ml/L， 用氨水调节PH值为IO，搅拌超声震荡，同时将'浓度为30g/L的500ml硝酸银溶 液以喷雾形式加入，搅拌速度为200转/分钟，超声震荡频率为50KHz 。待化学 镀覆完全后，抽滤获得镀覆好的WC粉末，并用去离子水冲洗三遍。
之后真空干燥，将镀覆好的WC粉末置于真空中，15(TC干燥24小时。
将干燥好的粉末与375g Ni粉球磨2h,球料比10: 1，球磨转速为150转。
球磨后粉末每份取20g在500MPa下压制获得压坯。之后与相应重量0. 5g Ag片一起在氢气气氛下进行瑢渗，熔渗温度为1250 °C ，熔渗时间-3min/mmX 30mm=90分钟。
最后将熔渗完成的材料在1000MPa下复压。这样即可获得Ag-W80材料，材 料性能硬度(HB): 220;电阻率3.8^.011;密度15.5g/cm3。与传统碳化 钨增强银基材料相比，材料抗熔焊性与耐电弧烧蚀性提高100%,电寿命提高80%。
实施例六
以制备25mra厚Ag-W50-0.1Cu材料为例
首先将15kg WC粉末(粒度为0. 5胛)置于10%硝酸溶液中，搅拌清洗10 分钟，然后采用去离子水清洗三遍后抽滤。
然后实施化学镀，将抽滤后的粉末倒入500L水合肼溶液中，其浓度为 4.5ml/L,用氨水调节PH值为9，搅拌超声震荡。同时将500L浓度为15g/L硝 酸银溶液以喷雾形式加入，搅拌速度为100转/分钟，超声震荡频率为30KHz 。 待化学镀覆完全后，抽滤获得镀覆好的WC粉末，并用去离子水冲洗三遍。
之后真空干燥，将镀覆好的WC粉末置于真空中，100'C干燥24小时。
将干燥好的粉末与30g Cu粉球磨20h，球料比2: 1，球磨转速为20转。
球磨后粉末每份取10g在lOOMPa下压制获得压坯。
之后与13gAg片一起在氢气气氛下进行熔渗，熔渗温度为100(TC,烙渗时 间-3min/咖X25raiF75分钟。
最后将熔渗完成的材料在200MPa下复压。这样即可获得Ag-W50材料，材料 性能为硬度(HB): 150;电阻率3. 0^. cm;密度13. 5g/cm3，与传统碳化钨 增强银基材料相比，材料抗熔焊性与耐电弧烧蚀性提高100%，电寿命提高80%。
权利要求
1.一种亚微米颗粒增强银基电触头材料，其特征在于，包含的组分及其重量百分比含量为0.1％≤镍≤2％，0.1％≤铜≤2％，30％≤钨或碳化钨≤80％，余量为银。
2. 如权利要求1所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料，其特征在于，所 述碳化钨或钩粉末粒度在0. 1 lum之间。
3. —种如权利要求1所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法， 其特征在于，首先采用化学镀方法在亚微米钨或碳化钨W颗粒表面包覆银，然后 进行压制熔渗方法制备致密亚微米硬质相颗粒增强银基复合材料。
4. 如权利要求3所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，按照以下步骤进行第一步，将碳化钨或钨粉末进行化学镀覆；所述化学镀覆，其镀覆方式采用超声震荡与搅拌相结合；化学镀覆还原液为 水合肼溶液，体积浓度为3 6ml/L,采用氨水调节酸碱度PH值在8 10之间； 主盐硝酸银溶液质量浓度为10 30g/L,添加方式采用喷雾添加，化学镀覆装载 量为10-30g/L;第二步，将化学镀覆后的钨粉末或碳化钨粉末在真空中烘干； 第三步，将烘干后粉末按照比例与铜粉或镍粉迸行混合球磨； 第四步，将球磨后的粉末压制成坯料；第五步，将压制后坯料与相应重量银片一起熔渗；所述相应重量=所需制备 材料中银的总重-化学镀覆产生的银重。
5. 如权利要求4所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，第一步中，搅拌速度在20 200转/分钟，超声震荡频率为15 50KHz。
6. 如权利要求4所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，第二步中，所述真空烘干，其温度在10O 150'C,时间为24h。
7. 如权利要求4所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，第三步中，所述混合球磨，其球料比为2: 1 10: 1，球磨时间为2h 20h，球磨转速为20转/分钟 150转/分钟。
8. 如权利要求4所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，第四步中，所述将球磨后的粉末压制成坯料，是指在100MPa 500MPa 压强下将球磨后的粉末压制成坯料。
9. 如权利要求4所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，第五步中，所述熔渗，其中熔渗温度为1000 125(TC，熔渗速度为2 5ndn/mm，氢气气氛或惰性气氛保护。
10. 如权利要求4所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，在迸行所述步骤一之前，先将碳化钨或鹆粉末浸泡于稀硝酸中搅拌清洗 10 30分钟，过滤后用去离子水清洗三遍。
11. 如权利要求4所述的亚微米颗粒增强银基电触头材料的制备方法，其特 征在于，在上述步骤五结束之后，进一步对熔渗后的材料进行复压，所述复压压 力在200 1000MPa之间。
全文摘要
本发明公开一种亚微米颗粒增强银基电触头材料及其制备方法，首先采用化学镀方法在亚微米W颗粒或WC颗粒表面包覆银，然后进行压制熔渗方法制备致密亚微米颗粒增强银基复合材料，其包含的组分及其重量百分比含量为0.1％≤镍≤2％，0.1％≤铜≤2％，30％≤钨或碳化钨≤80％，余量为银；其中所述碳化钨或钨粉末粒度在0.01～1μm之间。本发明材料具有良好的力学和物理性能，增强相颗粒均匀弥散。相比传统Ag-W或Ag-WC材料，由于细小的高熔点增强相均匀弥散分布于材料基体中，因此在使用过程中有更为优良的抗熔焊性和较低的耐电弧烧蚀能力，从而具有更长的电寿命。
文档编号H01H1/02GK101651050SQ20091005506
公开日2010年2月17日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者甘可可, 祁更新, 晓 陈, 陈乐生 申请人:温州宏丰电工合金有限公司