CN101197215A - 纳米金刚石掺杂银基触头材料及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米金刚石掺杂银基触头材料及其加工方法，该触头材料具有表面银膜包覆的银纳米金刚石粉末，纳米金刚石粒子均匀弥散地分布于复合粉末的晶粒内部；本发明的方法为采用高能球磨技术将纳米金刚石分散并弥散分布于银粉末中，由于高能球磨的作用在银纳米金刚石粉末内部引入较大的应力，从而为银原子提供高的扩散活性，之后经过低温退火使部分银原子扩散到复合粉末边界，解决了纳米金刚石的团聚和偏聚的技术难题，同时利用具有高塑性银膜的粉末结构使材料获得好的工艺塑性。

Description

纳米金刚石掺杂银基触头材料及其加工方法

技术领域

本发明属于新型电功能材料领域，具体涉及一种纳米金刚石掺杂银基触头材料及其加工方法。

背景技术

触头是电控开关的核心元件，担负电路的导通、切断任务，负载电流愈大，触头材料烧损愈多。触头材料的通断是所有电气设备的主要的基本的动作，因此，研究、开发、生产高性能触头材料是提高整个电气行业水平的关键一环。

目前，低压开关电气中所采用的触头材料主要为银基材料，分为银氧化物(AgMeO)、银镍(AgNi)、银石墨(AgC)等，每年国内的市场消耗量超过100亿元/年。其中，银基氧化镉触头占银基触头耗量的90％以上。银氧化镉触头的电气性能非常优秀，导通电流密度大，使用寿命长；但是，银基氧化镉触头材料的环保特性差，在电控设备使用过程的开断动作中，弧光产生的高温，使其产生可以致癌的有毒镉蒸气，尽快淘汰这种含镉触头是当前银基触头材料研究领域的重要课题。

银石墨(AgC)体系触头实际具有很多优点，石墨在电弧的高温下不会形成氧化物，从而使触头具有自还原的作用，能起到触头表面的自清洁和保护配对触头的作用，保证触头表面低而稳定的接触电阻，显著提高开关的工作稳定性。另外，银石墨触头在电弧作用下会在触头表面形成广阔的石墨膜层，抑制银基体的粘着熔焊倾向，从而具有银基电接触材料中最高的抗熔焊性，使电器开关具有最高的工作可靠性。因此，银石墨材料也被广泛应用于断路器、小型断路器、保护电动机开关或漏电保护电器以及军事工业中的测量传递器、雷达装置、小型电动机和发电机的整体划环等。

但是，银石墨材料的一个重要缺点在于石墨材料在电弧作用下热稳定性差，有稳定电弧的倾向，使得银石墨触头的电侵蚀率高，电寿命短。如果能将银石墨触头的电侵蚀率高的缺陷得以解决，银石墨触头材料将是性能最为优异的银基电接触材料。

据此在我们的前期研究中(参见文献：1.蒋鹏、王亚平、丁秉钧，碳素形态对Ag/C触头材料组织及性能的影响，《兵器材料科学与工程》，26(3)：28-30，2005；2.蒋鹏、王亚平、丁秉钧，纳米复合银-金刚石电接触材料的制备及性能，《稀有金属材料与工程》，33(5)：555-557，2004年5月。)提出了将纳米碳材料特别是纳米金刚石作为增强剂添加到银基触头中。这种触头相比于传统触头材料具有以下优点：

(1)使传统银基触头工作过程中电弧集中在粗大石墨等第二相上的燃弧改变为均匀弥散地分布于纳米量级的第二相上，将电弧在触头表面上的集中烧蚀机制改为分散烧蚀机制，显著分散了电弧能量，使电弧在触头表面上的运动速度显著提高，从而大幅度提高了银基触头的电寿命，解决了银石墨体系触头电侵蚀率高的技术难题；

(2)新型触头中的纳米金刚石粒子具有极高的导热能力，比氧化镉、石墨等常规第二相导热能力大幅度提高，能够进一步分散电弧能量，降低触头表面的电弧侵蚀速率；

(3)新型触头仍然具有自还原作用，能起到触头表面的自清洁和保护配对触头的作用，保证触头表面低而稳定的接触电阻，与银氧化镉触头相比能够显著降低开关电器工作过程中的温升，提高电器的工作稳定性。

(4)掺杂触头工作过程中不倾向于在触头表面形成碳基膜层，在用于滑动部件时能够消除电噪音的影响，有助于提高雷达等军事器件的分辨率。

但是，金刚石是一种最硬的材料，作为添加剂加入银合金中会显著提高材料的硬度，但同时会显著影响材料的塑性变形能力。特别是，当将金刚石显著细化为极小尺寸的纳米金刚石时，由于表面能的作用纳米金刚石粒子具有团聚倾向，并易于在银粉末的边界偏聚，使材料不能机械变形或者说只具有极小的塑性变形能力，无法经受常规的轧制、拉丝或打铆钉等工艺过程、从而使材料很难加工成所需的线材、板材、铆钉形触头，因而无法实现工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种纳米金刚石掺杂银基触头材料及其加工方法，采用高能球磨技术将纳米金刚石分散并弥散分布于银粉末中，由于高能球磨的作用在银纳米金刚石粉末内部引入较大的应力，从而为银原子提供高的扩散活性，之后经过低温退火使部分银原子扩散到复合粉末边界，解决了纳米金刚石的团聚和偏聚的技术难题，同时利用具有高塑性银膜的粉末结构使材料获得好的工艺塑性，制备出具有表面银膜包覆的银纳米金刚石粉末，复合粉末的晶粒内部均匀弥散地分布着纳米金刚石粒子。

本发明所说的高能球磨是一种利用磨球间的机械能来诱导被球磨的粉末材料发生组织、结构和性能的变化的过程，具体指的是在高能量磨球的撞击研磨作用下，球—粉末—球的碰撞引起塑性粉末的压扁和加工硬化，当被压扁的金属粒子重叠时，原子级洁净的表面紧密地接触，发生冷焊，形成由各组分组成的多层的复合粉末粒子，同时发生加工硬化的组分及复合粒子的断裂。冷焊与断裂不断重复，有效地“揉混”复合粉末的内部结构，其不断细化并越来越均匀，形成均匀细化的复合颗粒的过程。这一过程可以使系统储能达到1kJ/mol以上，可以采用搅拌式、行星式或振动式高能球磨机实现。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种纳米金刚石掺杂银基触头材料，包括占总重量为2％--15％的金刚石和占总重量为85％--98％的银，其表面是0.2-5μm厚度的银薄膜，内部是纳米金刚石粒子均匀弥散分布于银晶粒内的组织。

一种纳米金刚石掺杂银基触头材料的加工方法，将颗粒尺寸为5-50nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为2％--15％，将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-80∶1，球磨0.5-20小时，球磨在真空气氛、惰性气体或液体保护介质中进行，球磨罐外壁通水冷却，球磨后粉末原位在100-500℃退火1-8小时。退火后的粉末获得纳米金刚石均匀分布于银晶粒内、粉末边界由0.2-5μm银膜组成的显微组织。

本发明的有益效果是：

这种方法能够获得具有高塑性加工能力的银纳米金刚石复合粉末，能够实现后续的冷压、烧结以及轧制、拉丝或打铆钉等工艺过程，从而使银纳米金刚石的工业化技术能够实现，制备出线材、板材、片材、铆钉等各种形状的纳米金刚石掺杂的银基触头，得到一种可工业化的高性能新型银基触头材料。

具体实施方式

本发明的第一个实施例是：

将平均颗粒尺寸为10nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为5％。将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-20∶1，球磨0.5-4小时。球磨在真空气氛中进行，真空度＜10Pa，不加入研磨介质。球磨罐外壁通水冷却。球磨后粉末原位在200-400℃退火2-4小时。退火后的粉末获得纳米金刚石均匀分布于银晶粒内、粉末边界由0.2-5μm银膜组成的显微组织，这种粉末具有较好的工艺塑性，利用一般银基触头材料的生产方法即可加工成线材、板材、片材、铆钉等各种形状的触头。

本发明的第二个实施例是：

将平均颗粒尺寸为20nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为8％。将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-20∶1，球磨0.5-4小时。首先将高能球磨机抽成真空，真空度＜10Pa，之后停止抽真空，向球磨罐中通入高纯氩气，不另加入研磨介质。球磨罐外壁通水冷却。球磨后粉末原位在200-400℃退火2-4小时。退火后的粉末获得纳米金刚石均匀分布于银晶粒内、粉末边界由1-5μm银膜组成的显微组织，这种粉末具有较好的工艺塑性，利用一般银基触头材料的生产方法即可加工成线材、板材、片材、铆钉等各种形状的触头。

本发明的第三个实施例是：

将平均颗粒尺寸为10nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为12％。将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-40∶1，球磨1-10小时。球磨在液体保护介质中进行，研磨介质可用航空汽油、酒精、水等。球磨罐外壁通水冷却。球磨后粉末经脱去液体研磨介质然后原位在200-400℃退火2-4小时。退火后的粉末获得纳米金刚石均匀分布于银晶粒内、粉末边界由0.5-3μm银膜组成的显微组织，这种粉末具有较好的工艺塑性，利用一般银基触头材料的生产方法即可加工成线材、板材、片材、铆钉等各种形状的触头。

Claims (5)

1.一种纳米金刚石掺杂银基触头材料，其特征在于，包括占总重量为2％--15％的金刚石和占总重量为85％--98％的银，其表面是0.2-5μm厚度的纯银薄膜，内部是纳米金刚石粒子均匀弥散分布于银晶粒内的组织。

2.一种纳米金刚石掺杂银基触头材料的加工方法，其特征在于，将平均颗粒尺寸为5-50nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为2％--15％，将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-80∶1，球磨0.5-20小时，球磨在真空气氛、惰性气体或液体保护介质中进行，球磨罐外壁通水冷却，球磨后粉末原位在100-500℃退火1-8小时。

3.根据权利要求2所说的加工方法，其特征在于，将平均颗粒尺寸为10nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为5％，将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-20∶1，球磨0.5-4小时，球磨在真空气氛中进行，真空度＜10Pa，不加入研磨介质，球磨罐外壁通水冷却，球磨后粉末原位在200-400℃退火2-4小时。

4.根据权利要求2所说的加工方法，其特征在于，将平均颗粒尺寸为20nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为8％，将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-20∶1，球磨0.5-4小时，首先将高能球磨机抽成真空，真空度＜10Pa，之后停止抽真空，向球磨罐中通入高纯氩气，不另加入研磨介质，球磨罐外壁通水冷却，球磨后粉末原位在200-400℃退火2-4小时。

5.根据权利要求2所说的加工方法，其特征在于，将平均颗粒尺寸约为10nm的纳米金刚石粉末作为一种添加相加入银粉末中，纳米金刚石占粉末的总重量为12％，将二者经球磨混粉后装入高能球磨机中，球料比为5-40∶1，球磨1-10小时，球磨在液体保护介质中进行，研磨介质可用航空汽油、酒精或水，球磨罐外壁通水冷却，球磨后粉末经脱去液体研磨介质，然后原位在200-400℃退火2-4小时。