一种Ti3SiC2增强Ag基电触头材料的制备方法与流程

本发明涉及一种金属基复合材料，即Ti₃SiC₂增强Ag基电触头材料的制备方法。

背景技术：

电触头是电器开关、仪器仪表等的接触元件，主要承担接通、分断电路及负载电流的作用。在现代电气和电子工业中，对电触头材料的稳定性、可靠性、寿命、生态环保等要求逐渐提高。传统的Ag-CdO材料，抗磨损、抗熔焊、耐电弧侵蚀等性能优越，但是在使用过程中产生的Cd蒸汽会对生态坏境及人体造成危害(Dev S C，et al.J Mater Sci，1993，28(24)：6540-6544.)。Ag-SnO₂材料具有优良的抗电弧侵蚀性、耐磨损性、抗熔焊性和低的材料转移特性，很有潜力作为Ag-CdO的替代材料。但是Ag基体和SnO₂润湿性差，从而会影响粉末冶金法制备Ag-SnO₂复合材料的机械性能。此外，在电弧多次作用后，SnO₂成分富集于触头表面导致接触电阻增大，温升很高，严重影响电触头的电气接触性能(Swingler J，et al.IEEE T Compon Pack Technol，1996，19(3)：404-415.)。另外，在Ag-CdO和Ag-SnO₂中，增强相的添加量较小(6％-15％)，贵金属Ag的含量较高，从而导致成本较高。因此，新型环保、节Ag电触头材料的研发成为该领域的迫切课题。

MAX材料兼具金属材料优良的导热、导电性，和陶瓷材料的高弹性模量、低密度、高热稳定性以及良好的抗氧化性能等特点(Z.M.Sun.Int Mater Rev 2011，56(3)，143-166)。如果作为Ag基复合材料的增强相，预期对复合材料的电学性能和热学性能影响较小，是一种具有潜力的增强相。本发明选用Ti₃SiC₂材料作为增强相，其具有较低的电阻率(22.7×10^-3mΩ·cm)，与Ag、Cu等金属材料复合后预计具有良好的导电性。Ti₃SiC₂导热系数较大(37.0W·m^-1·K^-1)，有利于在触头开断过程中控制温升。其次，Ti₃SiC₂适中的硬度(4.0GPa)能够起到强化作用，同时也能保证良好的切削性。特别地，Ti₃SiC₂超低磨损系数和自润滑性能也是电触头材料不可或缺的关键特性。因此，使用Ti₃SiC₂作为增强相与Ag复合制备的电触头材料具有广阔的应用前景，是可以替代Ag-CdO的新型环保触头材料。倪树春等人采用在Ti₃SiC₂表面化学镀Ag，然后冷等静压成型，再将所烧结制备的电触头材料热挤压成型与时效处理来制备Ag/Ti₃SiC₂电接触材料(CN 101343700 A)。虽然该材料性能优良，但工艺复杂且耗能大，成本高。本发明采用无压烧结制备的Ag-Ti₃SiC₂电触头材料，性能优良、成本低廉。

技术实现要素：

技术问题：本发明旨在提供一种新型电触头复合材料的制备方法，通过改善传统材料的抗磨损、抗熔焊和耐电弧侵蚀等性能，以无压烧结取代昂贵的热压、SPS技术，制备出性能优异的Ag-Ti₃SiC₂电触头材料。

技术方案：本发明是一种Ti₃SiC₂增强Ag基电触头材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

1)配料：采用100目筛子过筛Ti₃SiC₂和Ag粉末为原料，其中Ti₃SiC₂为增强相质量百分数为1-40％，Ag粉质量百分数为60-99％，得到混合料；

2)将步骤1中混合料湿法球磨5-120min后置于烘箱中干燥24h得到均匀的混合粉末；

3)将干燥后的粉末在100-800MPa下冷压成型；

4)将步骤3中压制成型的坯体置于烧结炉中，以5-20℃/min的升温速率升温至700-1100℃，整个烧结过程在保护性气氛或者真空中进行；

5)将坯体在步骤4中烧结温度处保温1-12h；最终得到Ti₃SiC₂增强Ag基的电触头材料。

有益效果：本发明具有以下优点：

1.本发明制备原材料组分少，设备简单且高效，成本低廉。

2.本发明烧结工艺简单快捷，生产周期短，对原始块体尺寸限制小，不仅能够满足现有市场需求，并且可以进行大规模生产。

3.本发明烧结温度低：700-1100℃，且采用无压烧结或真空烧结，节约能源，降低生产成本。

4.当Ti₃SiC₂增强相质量百分数高达40％时，仍然可以制备物相分布均匀、电阻率较小的样品，从而达到节Ag的目的。

附图说明

图1是本发明实施例二所制备的Ag-5wt.％Ti₃SiC₂电触头材料的光学显微照片；

图2是本发明实施例三所制备的Ag-20wt.％Ti₃SiC₂电触头材料的光学显微照片；

具体实施方式

实施例一

首先，称取Ti₃SiC₂粉0.1g、Ag粉9.9g作为制备Ag-Ti₃SiC₂电触头材料的原料，湿法球磨5min之后烘干得混合粉末，将其在100MPa下冷压成型制得坯体，最后在烧结炉中，Ar气氛保护下烧结，烧结温度700℃，升温速率5℃/min，烧结时间12h，得到Ag-1wt.％Ti₃SiC₂电触头材料。相对密度达90.3％，硬度达HV55，电阻率为1.87×10^-3mΩ·cm。

实施例二

首先，称取Ti₃SiC₂粉0.5g、Ag粉9.5g作为制备Ag-Ti₃SiC₂电触头材料的原料，湿法球磨90min之后烘干得混合粉末，将其在600MPa下冷压成型制成坯体，最后在烧结炉中，Ar气氛保护下烧结，烧结温度800℃，升温速率5℃/min，烧结时间6h，得到Ag-5wt.％Ti₃SiC₂电触头材料。相对密度达95.77％，硬度达HV53，电阻率为2.35×10^-3mΩ·cm。

实施例三

首先，称取Ti₃SiC₂粉2.0g、Ag粉8.0g作为制备Ag-Ti₃SiC₂电触头材料的原料，湿法球磨60min之后烘干得混合粉末，将其在550MPa下冷压成型制得坯体，最后在烧结炉中，Ar气氛保护下烧结，烧结温度900℃，升温速率10℃/min，烧结时间4h，得到Ag-20wt.％Ti₃SiC₂电触头材料。相对密度达93.5％，硬度达HV71，电阻率为5.98×10^-3mΩ·cm。

实施例四

首先，称取Ti₃SiC₂粉3.0g、Ag粉7.0g作为制备Ag-Ti₃SiC₂电触头材料的原料，湿法球磨100min之后烘干得混合粉末，将其在700MPa下冷压成型制得坯体，最后在烧结炉中真空烧结，烧结温度1000℃，升温速率15℃/min，烧结时间3h，得到Ag-30wt.％Ti₃SiC₂电触头材料。相对密度达94.9％，硬度达HV117，电阻率为12.63×10^-3mΩ·cm。

实施例五

首先，称取Ti₃SiC₂粉4.0g、Ag粉6.0g作为制备Ag-Ti₃SiC₂电触头材料的原料，湿法球磨120min之后烘干得混合粉末，将其在800MPa下冷压成型制得坯体，最后在烧结炉中，N₂气氛保护下烧结，烧结温度1100℃，升温速率20℃/min，烧结时间1h，得到Ag-40wt.％Ti₃SiC₂电触头材料。相对密度达91.1％，硬度达HV150，电阻率为29.58×10^-3mΩ·cm。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均属于本发明要求的保护范围。