CN101439871A

CN101439871A - 一种复合纳米SnO2粉末材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101439871A
Application number: CN 200810231488
Authority: CN
Inventors: 张雪凤; 常鹏北; 彭晖
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: CN101439871B

Abstract

本发明介绍了一种掺In、Sb、Bi的复合纳米SnO₂粉末材料及其制备方法，各组分质量百分为Sn∶(In、Sb、Bi)＝80％～99.8％∶0.2％～20％，微量Sb₂O₃、Bi₂O₃或In₂O₃组合添加后均匀分布于材料中，颗粒平均粒径在20～100nm。制备方法是金属合金化后形成的金属液射流，在电磁气化法生产线上制备纳米粉末。本发明复合纳米SnO₂平均直径小于100纳米，可以均匀分布于Ag基体中，电触头材料电寿命及抗拉强度都有明显提高；改善了Ag与SnO₂间的润湿性，可提高材料的电寿命；粉末分散性良好，与银粉混合均匀；颗粒尺寸可控；成分调整简单易控，成本低，效果好。

Description

一种复合纳米SnO2粉末材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及银基电触头材料的纳米粉末，具体为一种掺In、Sb、Bi的复合纳米SnO₂粉末材料及其制备方法。

背景技术

电触头材料是开关电器的核心部件，承担着接通、承载和分断正常电流和故障电流的任务。Ag/SnO₂系合金材料具备良好的物理机械性能，其抗熔焊性抗电磨损性优良，电寿命高，无毒，可使元件小型化，成为最有希望代替传统Ag/CdO系合金材料的一种新型的电触头材料。多年的研究表明，复合SnO₂粉末比单纯SnO₂粉制备的电触头材料的抗熔焊性和使用寿命大幅度提高，而复合SnO₂掺杂的微量元素可以是Sc、Y、Ce等稀土元素以及In、Sb、Bi、Wu、Zn等金属元素，其中有些配方业已在工业生产中广泛应用。

Ag/SnO₂系电触头材料的制造工艺主要分合金内氧化和粉末冶金两大类型，随着近几年的发展和相互融合，又相继开发出合金粉末预氧化、高压内氧化、化学包覆、反应合成、反应喷射等多种工艺。从目前市场上实际使用的Ag/SnO₂系电触头材料情况看，上述工艺制造的Ag/SnO₂系电触头材料中的SnO₂颗粒均处于微米尺度，颗粒平均直径一般在0.5-5微米之间。

纳米技术是当前材料科学的前沿技术，也是近十多年来的研究热点。纳米材料存在小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应等基本特性，这些特性使得纳米材料有着传统材料无法比拟的独特性能和极大的潜在应用价值。随着研究的不断深入，纳米技术己应用到生物、化学、医疗、食品、美容等多种领域，但在低压电触头材料方面的应用近乎空白。许多研究表明，在SnO₂重量百分含量相同的条件下，SnO₂颗粒的细化，不仅有利于提高Ag/SnO₂系材料的耐机械磨损性，还可提高Ag/SnO₂系材料的抗熔焊性和耐电弧侵蚀能力，因而使Ag/SnO₂系电触头材料具有更长的电寿命。由于Ag/SnO₂系电触头材料中的SnO₂颗粒直径达到纳米级，具有强烈的弥散强化效果，可大大地增强基体材料的强度，同时由于纳米颗粒独具的小尺寸效应，会使电触头材料的加工性、导电性、耐电弧侵蚀能力、抗熔焊性等与常规Ag-微米SnO₂材料相比产生质的变化。当SnO₂颗粒的尺寸达到纳米级时，会使材料的综合性能得到较大的提高。桂林电器科学研究所黄锡文等人的专利CN101071687(公开号)“银-纳米氧化锡电触头材料及其制备工艺”公开了一种Ag/SnO₂材料的制备方法，该方法采用化学包覆制备银-纳米氧化锡电触头材料，其中SnO₂的重量百分比为8～12％，平均粒径小于100纳米，还可有0.1～1％CuO，余量为Ag。所得电触头材料电寿命及抗拉强度、硬度有明显提高，且稳定性和加工性较好。因此，复合型、纳米化SnO₂已成为提高Ag/SnO₂系电触头材料性能的重要途径。

化学共沉淀法是一种制备复合纳米SnO₂粉末的传统制备方法，其过程是将添加的金属分别在酸中溶解乳化并充分混合后，再添加碳酸沉淀剂以及阴离子表面活性剂或脂肪醇作为分散剂实现共沉淀反应，然后用纯水或电子二级水充分洗涤，在真空或负压条件下进行过滤，加热100℃烘干4～8小时，最后在800～1000℃条件下灼烧2～4小时，最后淬火磨碎，得到复合氧化物粉末。化学共沉淀法制备复合氧化物过程繁杂、工艺可控度低，不易实现自动化，环境污染严重。此外，化学共沉淀法制备的复合纳米SnO₂粉末表面能极大，粉末团聚严重，流动性差，因此在使用前还需要经过长时间的高能球磨工艺，容易造成粉末粘球和粉末污染，且不易实现批量生产。

因此，迫切需要一种性能优异的复合纳米SnO₂粉末材料，以及该材料的改进的制备工艺，以满足市场的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能大幅度提高电触头材料的抗熔焊性的粉末配方，纳米SnO₂添加的元素可以是In、Sb、Bi金属中的二种或二种以上。本发明更进一步解决的技术问题是提供一种复合纳米SnO₂粉末制备工艺，从而改善纳米粉末的流动性和分散性，解决化学法制备的复合纳米SnO₂粉末颗粒团聚严重，流动性差的不足；而且使生产过程能耗降低，易实现自动化，对环境无污染。

本发明的复合纳米SnO₂粉末，各组分质量百分为Sn：(In、Sb、Bi金属中的二种或二种以上总量)＝80％～99.8％：0.2％～20％，微量Sb₂O₃、Bi₂O₃或In₂O₃组合添加后均匀分布于材料中。

本发明工艺制备的复合纳米SnO₂粉末，颗粒的平均粒径在20～100nm，用于粉末冶金法制备Ag/SnO₂系电触头材料，其中复合纳米SnO₂粉末的重量百分比为8-12％，余量为Ag，。将Ag粉与复合纳米SnO₂粉末进行混合处理，经过烧结后，按常规工艺加工成为电触头材料，并进行电性能检测。

本发明的复合纳米SnO₂粉末的制备以及应用工艺主要包括：(1)金属Sn与In、Sb或Bi按比例进行合金化，实现Sn晶格中In、Sb、Bi等元素的扩散固熔，可形成金属液直接使用或冷却后形成合金锭；(2)金属液或合金锭熔化后的金属液在受压状态下形成金属液射流，在电磁气化法生产线上制备纳米粉末。Ag粉可以与复合纳米SnO₂粉末混合处理，按常规工艺加工成为电触头材料。

本发明更具体工艺过程是：

(一)金属Sn与In、Sb或Bi按比例进行合金化

金属Sn与添加的金属元素先按既定比例熔制成合金锭。其中添加的元素可以是In、Sb、Bi金属中的两种或两种以上。其各组分质量百分比及含量为Sn：(In、Sb、Bi金属中的两种或两种以上总量)＝80％～99.8％：0.2％～20％，但所添加的各复合组分之总和均需满足100％。

在石墨坩锅中先将主要元素金属Sn熔化(炉温在500℃左右，保温)，再将较高熔点金属例如Sb投入Sn液中保温扩散，并不断搅拌，直到Sb完全熔入，同时金属液面覆盖高纯木炭进行防氧化保护；最后投入较低熔点金属例如In/Bi，经搅拌、熔化后，形成合金液直接使用，或形成合金锭备用。

(二)电磁气化法制备纳米粉末

电磁气化法中反应室为全氧化气氛，反应原理是磁、电作用使液态金属气化。制备过程：在氩气压力作用下合金液(或合金锭重新熔化)形成金属射流，氩气压力一般为0.5～1Mpa；金属射流在高温磁电作用下发生气化，随即在经过滤处理的空气为氧化气氛下，在与空气接触发生氧化的瞬间同时发生了骤冷，这是由于过滤处理的空气温度为20～30℃左右，而磁电作用产生的电弧温度为3000～6000℃左右，存在极大的过冷度，气化的金属微粒在与空气接触发生氧化的瞬间同时发生了骤冷，从而有效的约束氧化物颗粒的长大，导致直接气化氧化生成的纳米粉末平均粒径为20～30nm。可以经后续热处理实现颗粒的长大和微量元素的进一步扩散，从而实现纳米粉末的粒径可控化生产使粉末的平均粒径可为30～100nm，热处理的温度为350℃～850℃，处理时间为1～6h；也可以不经过热处理直接使用。

采用的典型热处理工艺为：

1、将原始粉末装在匣钵中，置于热处理炉中，自然升温至400±50℃，保温2h，炉冷。制得平均粒径为30～50nm的纳米粉末。

2、将原始粉末装在匣钵中，置于热处理炉中，自然升温至600±50℃，保温2h，炉冷。制得平均粒径为50～70nm的纳米粉末。

3、将原始粉末装在匣钵中，置于热处理炉中，自然升温至800±50℃，保温2h，炉冷。制得平均粒径为70～100nm的纳米粉末。

但是本发明的热处理包括但是不限于以上这些温度，热处理温度越高，则生成的纳米粉末越大；热处理温度越低，则生成的纳米粉末越小。

本发明制备的复合纳米SnO₂粉末，可以和Ag粉混合处理，加工成为电触头材料。所得的复合纳米SnO₂粉末与纯Ag粉按8-12比92-88的比例在高效混料器内混合3～5小时，并按3～8比1的球料比进行球磨处理2～5小时，得到SnO₂重量百分比为8-12％的Ag/SnO₂粉末。混合后粉末按常规工艺加工成为电触头材料。用扫描电镜在20000至60000倍下检测，本工艺所得电触头材料中复合纳米SnO₂平均直径在100纳米以下，均匀分布在银基体中。

本发明的复合纳米SnO₂所制得的Ag/复合SnO₂电触头材料的主要优点在于：

1、复合纳米SnO₂颗粒的平均直径小于100纳米，达到纳米级，可以均匀弥散分布于Ag基体中，电触头材料电寿命及抗拉强度都有明显提高；

2、选择的微量Sb₂O₃、Bi₂O₃或In₂O₃组合添加后均匀分布于材料中，改善了Ag与SnO₂间的润湿性，可提高材料的电寿命。

本发明复合纳米SnO₂制备工艺的主要优点在于：

1、制得的复合纳米SnO₂粉末分散性良好，与银粉较好实现均匀混合；

2、纳米颗粒尺寸在20～100nm范围内可控，可根据电触头材料具体应用的需要调整粉末粒径；

3、复合粉末的成分调整过程简单易控，工艺改变费用成本低，可以根据需要随时进行不同组分金属的制备，易于实施，效果好。

具体实施方式

实施例1

其各组分及含量为：Sn:In:Sb＝94％:3％:3％。先将940gSn置于石墨坩锅中，加热到500±10℃，Sn熔化，然后往Sn液中添加30gSb，并用木炭将Sb覆盖保护，待Sb熔化后，不断搅拌，等Sn-Sb合金液冷却至250℃左右时将30gIn放入熔液中、搅拌，随后浇铸成三元合金锭。将合金锭放入高温电炉中熔化，氩气气压为0.8MPa，形成合金液射流，流向生产设备的反应器中，反应条件为：60VAC，100A，系统内过滤空气的流速为500～800m/s。经分级收粉系统，获得平均粒径为20～30nm左右的均一相三元复合型纳米SnO₂粉末，XRD分析结果表明该三元复合粉末为四方金红石结构。称取上述步骤所得的复合纳米SnO₂粉末1kg与Ag粉9kg在高效混料器内混合3小时，并按2:1的球料比球磨处理5小时，得到SnO₂重量百分比10％的Ag/SnO₂混合粉。将Ag/SnO₂混合粉在80～120MPa的压力等静压成型，并在750～850℃的温度下烧结4小时；烧结锭于900℃温度下挤压成直径Φ5mm的线材，线材经多次热拉、退火，直至直径为1.9mm，线材电阻率为2.08μΩ·cm最后用铆钉机加工成铆钉型电触头。电寿命试验结果表明所加工的铆钉电寿命>10000次，电寿命试验条件为：250V AC，20A，功率因素0.7，瞬间浪涌电流大于80A。

实施例2

本例同实施例1，但是各组分及含量为Sn:In:Sb＝96％:1％:4％，经分级收粉系统，获得比表面积为20～30nm左右的均一相三元复合型纳米SnO₂粉末，XRD分析结果表明该三元复合粉末为四方金红石结构。称取上述步骤所得的复合纳米SnO₂粉末1kg与Ag粉9kg在高效混料器内混合3小时，并按2:1的球料比球磨处理5小时，得到SnO₂重量百分比10％的Ag/SnO₂混合粉。将Ag/SnO₂混合粉在80～120MPa的压力等静压成型，并在750～850℃的温度下烧结4小时；烧结锭于900℃温度下挤压成直径Φ5mm的线材，线材经多次热拉、退火，直至直径为1.9mm，线材电阻率为2.15μΩ·cm最后用铆钉机加工成铆钉型电触头。电寿命试验结果表明所加工的铆钉电寿命>10000次。电寿命试验条件为：250V AC，20A，功率因素0.7，瞬间浪涌电流大于80A。相对于实施例2，随着In含量的降低，银丝材的电阻率略有提高。

实施例3

其各组分及含量为：Sn:Sb:Bi＝94％:2％:4％。先将940gSn置于石墨坩锅中，加热到500±10℃，Sn熔化，然后往Sn液中添加20gSb，并用木炭将Sb覆盖保护，待Sb熔化后，不断搅拌，等Sn-Sb合金液冷却至300℃左右时将40gBi放入熔液中、搅拌，随后浇铸成三元合金锭。将合金锭放入高温电炉中熔化，氩气气压为0.8MPa，形成合金液射流，流向生产设备的反应器中，反应条件为：60VAC，100A，系统内过滤空气的流速为500～800m/s。获得平均粒径为20～30nm左右的均一相二元复合型纳米SnO₂粉末，XRD分析结果表明该三元复合粉末为四方金红石结构。称取上述步骤所得的复合纳米SnO₂粉末1kg与Ag粉9kg在高效混料器内混合3小时，并按2:1的球料比球磨处理5小时，得到SnO₂重量百分比10％的Ag/SnO₂混合粉。将Ag/SnO₂混合粉在80～120MPa的压力等静压成型，并在750～850℃的温度下烧结4小时；烧结锭于900℃温度下挤压成直径Φ5mm的线材，线材经多次热拉、退火，直至直径为1.9mm，线材电阻率为2.18μΩ·cm最后用铆钉机加工成铆钉型电触头。电寿命试验结果表明所加工的铆钉电寿命>10000次，电寿命试验条件为：250VAC，20A，功率因素0.7，瞬间浪涌电流大于80A。所得铆钉型电触头产品的技术指标见表1。

实施例4

同实施例3，再进行后续热处理。自然升温至600±50℃，保温2h，炉冷。制得平均粒径为50～70nm的纳米粉末。称取上述步骤所得的复合纳米SnO₂粉末1.2kg与Ag粉8.8kg在高效混料器内混合3小时，并按2:1的球料比球磨处理3小时，得到SnO₂重量百分比12％的Ag/SnO₂混合粉。将Ag/SnO₂混合粉在80～120MPa的压力下静压成型，并在800～850℃的温度下烧结4小时；烧结锭于900℃温度下挤压成直径Φ5mm的线材，线材经多次热拉、退火，直至直径Φ1.9mm，线材电阻率为2.21μΩ·cm，最后用铆钉机加工成铆钉型电触头。电寿命试验结果表明所加工的铆钉电寿命>10000次。试验条件为：250V AC，20A，功率因素0.7，瞬间浪涌电流大于80A。相对于实施例3，随着纳米颗粒的长大，银丝材的电阻率略有提高。

对比例5

按照实施例3制造Ag/SnO₂混合粉的方法制备Ag-微米SnO₂，所用的粉末为微米SnO₂，微米SnO₂在Ag-微米SnO₂含量为10％。并按照与实施例3相同的条件制备铆钉型电触头，所得铆钉型电触头的性能见表1。

表1不同的SnO₂粉末制得的铆钉型电触头性能表

Claims

1、一种复合纳米SnO₂粉末材料，其特征在于：各组分质量百分为Sn：(In、Sb、Bi金属中的两种或两种以上总量)＝80％～99.8％：0.2％～20％，微量Sb₂O₃、Bi₂O₃或In₂O₃组合添加后均匀分布于材料中。

2、根据权利要求1所述复合纳米SnO₂粉末材料，其特征在于：粉末材料的颗粒的平均粒径在20～100nm。

3、权利要求1所述复合纳米SnO₂粉末材料的制备方法，其特征在于：包括如下过程：(1)金属Sn与In、Sb或Bi按比例进行合金化，实现Sn晶格中In、Sb、Bi等元素的扩散固熔，可形成金属液直接使用或冷却后形成合金锭；(2)金属液或合金锭熔化后的金属液在受压状态下形成金属液射流，在电磁气化法生产线上制备纳米粉末。

4、权利要求3所述复合纳米SnO₂粉末材料的制备方法，其特征在于制备过程为：

——金属Sn与添加的金属元素先按既定比例熔制成合金锭，其中添加的元素可以是In、Sb、Bi金属中的两种或两种以上，各组分质量百分比，Sn：(In、Sb、Bi金属中的两种或两种以上总量)＝80％～99.8％：0.2％～20％，在坩锅中先将主要元素金属Sn熔化，再将较高熔点金属投入Sn液中保温扩散，并不断搅拌，直到完全熔入，最后投入较低熔点金属，经搅拌、熔化后，形成合金液直接使用，或形成合金锭备用；

——电磁气化法制备纳米粉末，电磁气化法中反应室为全氧化气氛，在氩气压力作用下合金液(或合金锭重新熔化)形成金属射流，金属射流在高温磁电作用下发生气化，随即与经过滤处理的空气接触发生氧化的瞬间同时发生了骤冷，得到具有纳米尺度范围内的均一相复合氧化物粉末。

5、权利要求4所述复合纳米SnO₂粉末材料的制备方法，其特征在于：磁气化法制备的纳米粉末经后续热处理，热处理的温度为350℃～850℃，处理时间为1～6h，使纳米粉末的平均粒径为30～100nm。

6、权利要求4所述复合纳米SnO₂粉末材料的制备方法，其特征在于：在制备合金液和合金锭过程中，在向Sn液中加入其他金属时，金属液面覆盖高纯木炭进行防氧化保护。