CN102031409A - 银-氮化硼-铈开关电器触点材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种银-陶瓷系电触点材料及其制备方法，该材料由氮化硼、铈和银组成，其重量百分比含量为：氮化硼(BN)1-15％，铈(Ce)0.5％，余量为银(Ag)。本发明制备的银-氮化硼-铈触点材料为第二相氮化硼(BN)颗粒弥散分布于银基体中，起到强化触点材料的作用，铈的加入改善了液态银对氮化硼的润湿性，防止第二相颗粒发生偏聚，并使银与氮化硼结合更紧密。在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下，动作20万次电寿命实验结果可以看出触点烧蚀不严重，无明显触点材料转移，具有良好的耐电弧侵蚀性能、抗材料转移，综合性能优良。

Description

银-氮化硼-铈开关电器触点材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种银-陶瓷系电触点材料及其制备方法，特别涉及一种耐电弧烧蚀，抗材料转移，综合性能优良的银-氮化硼-铈开关电器触点材料及其制备方法。

背景技术

电触点是开关电器中直接承担接通和分断电路的元件，对开关电器的安全运行起着决定性的作用。随着当今继电器、接触器等低压电器向大功率、小型化、高可靠性方向发展，对与之配套的触点材料也提出了更高的性能要求：(1)良好的导电性和导热性；(2)耐电磨损；(3)抗熔焊能力强；(4)良好的机械加工性。这意味着上述综合性能优良的触点材料直接影响到电触点乃至开关电器的寿命和可靠性高低。

目前，在低压电器中，替代银氧化镉的无毒环保性触点材料有Ag-SnO₂、Ag-SnO₂In₂O₃、Ag-ZnO、Ag-La₂O₃等多种金属氧化物触点材料。

1)CN101208762A报道了将不同比例的Zn、Sn、Te与Ag进行合金氧化生成的银-氧化物系电触点材料；

2)CN101608279A报道了Ag基体中含有不同重量百分比含量的SnO₂、ZnO、CuO、NiO、In₂O₃、Bi₂O₃组分的银氧化物电触点材料；

3)CN100369171C报道了一种银基稀土合金触头材料，是在Ag-SnO₂的基础上添加了一定含量的稀土金属Ce、Pr或Nd的氧化物和金属Bi、In或Ti的氧化物；

4)CN100430504C报道了一种银-锡铟复合氧化物电触点材料，该材料由银、锡铟复合氧化物构成，其中锡铟复合氧化物可以是锡和铟复合氧化物，也可以是锡和铟加第三组元的复合氧化物，第三组元是铋、铜、铅、锑中的一种或一种以上；锡铟复合氧化物通过硝酸氧化法制备。

5)CN1180102C报道了一种银单一或复合重稀土金属氧化物电触点材料；

6)CN1113970C报道了一种汽车继电器用电触点材料，由不同重量百分比含量的Sn、In与Ag组成的Ag-Sn-In合金经过内部氧化而获得的Ag-SnO₂In₂O₃或由不同重量百分比含量的Sn、In、Ni与Ag组成的Ag-Sn-In-Ni合金经过内部氧化而获得的Ag-SnO₂In₂O₃NiO。

7)CN1425781报道了材料成分包括Fe、Ni元素中的一种，La、Fe、Ni、Mn两元素或三元素的复合氧化物，和平衡量的Ag组成的银基电接触复合材料，其制备方法是在预先合成LaMe1_xMe2_1-xO_y复合氧化物基础上，通过传统外加工艺将作为银基体的添加相LaMe1_xMe2_1-xO_y复合氧化物和Fe或Ni金属粉末与Ag粉机械混合；

8)CN1436867报道了材料成分构成为LaSnO₃，余量为Ag组成的银基电接触复合材料，该专利中作为银基体的添加相LaSnO₃的加入方法也是采用传统的外加工艺。

9)CN1493711披露了碳纳米管/银复合功能材料的制备方法；

10)CN1624175披露了碳纳米管银石墨电触点材料及其制备方法。碳纳米管尺寸小、比表面能高，在分散过程中极易发生团聚现象，从而导致复合材料中碳纳米管分散不均匀，即存在增强相分散不均匀的缺点。实验测定表明，碳纳米管电阻率在10^-8～10^-6Ω·cm数量级，高于银基体的电阻率，并且，在银基体中分布的一维碳纳米管可对电荷载体产生强烈散射作用，综合作用的结果使得碳纳米管加入后致使银基复合材料的电阻率升高，这不符合导电材料对低电阻率的要求。

11)CN101139663公开了一种银镍复合材料的制备方法，根据其说明书中实施例1～12可计算出其原料硝酸镍和硝酸银的质量比在1∶1.86～2.60范围，所得产品AgNi复合材料成份中Ni的含量高达质量百分数在16.3～21.4％范围内。银镍复合材料存在的最主要缺点是其抗熔焊性能较差，特别是在有浪涌电流存在或高温环境条件下，银镍材料易发生熔焊并会产生明显的材料转移现象从而导致触点的失效破坏，因此目前银镍复合材料仅在15A以下的继电器和接触器等小容量控制电器的辅助触点上使用。

12)CN1146931C报道了一种Ag-ZnO系电触点材料的制备方法。

综上所述，银-金属氧化物触点材料的电弧侵蚀过程中均是利用氧化物的分解和升华消耗大量电弧输入触点的能量，来冷却触点；并通过金属氧化物在触点表面熔池中以颗粒形式存在，增加熔融态金属的粘性，来降低因液态喷溅发生的损耗，由此获得优良的开关运行特性。但在实际开发应用中发现，上述触点材料均有共性不足：(1)在电弧多次作用下，SnO₂成分富集于触点表面引起接触电阻增大，温升较高。严重影响了电气使用性能，目前国内外仍然未得到满意解决；(2)由于SnO₂的高硬度，Ag-SnO₂材料塑性和延性差。

触点的加工工艺既影响其物理性能又影响其接触性能，如腐蚀速度、电弧运动、抗熔焊特性等。Ag-SnO₂触点材料可以采用不同的方法制备。常见的Ag-SnO₂材料的制备方法有内氧化法、粉末冶金法、化学共沉淀法、反应合成法、反应喷雾法等。目前，Ag-SnO₂触点材料的制造工艺大致分为两大流派，即内氧化法和粉末冶金法。两种工艺各有利弊：1)内氧化工艺制备的材料具有微细晶粒结构，但沿样品径向产生不均匀的微观结构，存在贫瘠区；晶界处有氧化物沉淀，其电导率低(仅为常规材料的一半)；在材料表面上沿颗粒边界还易出现裂纹而被破坏。因材料微观结构不尽合理导致电器使用性能差。2)粉末冶金工艺不受组元成分的限制，制备的材料弥散均匀，避免了贫瘠区，组织结构均匀；制备工艺简单，但触点密度比内氧化工艺的低，硬度较低，耐电弧腐蚀性差一些；加工工艺复杂、加工困难，成材率低，成本高，不易制成铆钉或片材这类需要大变形的产品。西欧国家倾向于粉末冶金法，日本主要以内氧化法为主，但近年也积极研制粉末冶金法制品，这是由于内氧化法在制造过程中必须加入铟元素以加快内氧化速度，而铟元素的价格成本问题又限制了内氧化制造工艺的发展。

发明内容

本发明的目的为针对上述现有技术的不足，提出一种银-陶瓷类电触点材料及其制备方法：采用在银基体材料中添加氮化硼陶瓷增强相的方法，制备银-氮化硼-铈电触点材料，其制备工艺过程简单、成本低，而且增强相分散均匀，该方法制备的银-氮化硼-铈触点材料具有良好的电接触性能、耐电弧侵蚀性能、抗材料转移性能和良好的变形加工性能等，综合性能优良。

本发明采用的技术方案是：

一种银-氮化硼-铈开关电器触点材料，该材料由氮化硼、铈和银组成，其重量百分比含量为：氮化硼(BN)1-15％，铈(Ce)0.5％，余量为银(Ag)。

所述的银-氮化硼-铈开关触点材料的制备方法，为以下两种方案之一：

方案一

第一步：将氮化硼、铈、银粉末放入球磨机中研磨，使其充分混合；

第二步：将混合均匀的氮化硼、铈、银粉末烧结，压制成型，压力为200-800Mpa，烧结温度为800-950℃，烧结时间为2-6小时；

第三步：将烧结后的材料进行热挤压获得线材或带材。

所述氮化硼、铈、银粉末颗粒的平均粒径均为0.03-100μm之间

方案二

第一步：球形氮化硼粉末颗粒的分散处理，将氮化硼粉末颗粒放入无水乙醇中，加入无水乙醇体积1％的聚乙二醇，采用超声波搅拌处理2-6小时，然后烘干待用；

第二步：将分散处理后的球形氮化硼粉末颗粒放入银中在1000℃熔炼20-30分钟，机械搅拌5-10分钟，冷却成型；

第三步：将熔炼后的材料进行热挤压获得线材或带材。

所述的氮化硼为球形氮化硼粉末颗粒，颗粒的平均粒径在0.03-100μm之间。

本发明的有益效果是：

(1)本发明开发了一种新型陶瓷颗粒增强银基触点材料，无毒，属环保型触点材料；

(2)本发明开发的银-氮化硼-铈触点材料，制备工艺简单；

(3)本发明制备的银-氮化硼-铈触点材料。本发明制备的银-氮化硼-铈触点材料为第二相氮化硼(BN)颗粒弥散分布于银基体中，起到强化触点材料的作用，铈的加入改善了液态银对氮化硼的润湿性，防止第二相颗粒发生偏聚，并使银与氮化硼结合更紧密。在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下，动作20万次电寿命实验结果可以看出触点烧蚀不严重，无明显触点材料转移。本发明的银-氮化硼触点材料具有良好的耐电弧侵蚀性能、抗材料转移，综合性能优良。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为本发明实施例2所制得的银-氮化硼-铈触点材料高分辨扫描电子显微镜照片。

图2为本发明实施例5所制得的银-氮化硼-铈触点材料高分辨透射电子显微镜照片。

图3为本发明实施例5所制得的银-氮化硼-铈触点材料在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下动作20万次电寿命实验后触点照片。

图4为银-镍(0.15)触点材料在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下动作20万次电寿命实验后触点照片。

图5为银-二氧化锡(10)触点材料在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下动作20万次电寿命实验后触点照片。

具体实施方式：

实施例1

1、按重量百分比氮化硼(粉末颗粒)5％，铈(粉末颗粒)0.5％，余量为银(粉末颗粒)配料。上述粉末颗粒的平均粒径均为1-100μm之间；

2、将氮化硼、铈、银粉末放入球磨机中研磨3小时，使其充分混合；

3、将混合均匀的氮化硼、铈、银粉末在200Mpa压力下压制成型；

4、将压制成型的坯体在900℃下烧结，烧结时间为4小时；

5、将烧结后的材料进行热挤压获得线材或带材。挤压比为200。

实施例2

1、按重量百分比氮化硼(纳米球形粉末颗粒)4％，铈(粉末颗粒)0.5％，余量为银(粉末颗粒)配料。银、铈粉末颗粒的平均粒径在1-100μm之间，氮化硼粉末采用球形纳米氮化硼粉末，平均粒径在0.03-1μm之间；

2、将氮化硼、铈、银粉末放入球磨机中研磨3小时，使其充分混合；

3、将混合均匀的氮化硼、铈、银粉末在200Mpa压力下压制成型；

4、将压制成型的坯体在900℃下烧结，烧结时间为3小时；

5、将烧结后的材料进行热挤压获得线材或带材。挤压比为200。

图1为本实施例所制得的银-氮化硼触点材料高分辨扫描电子显微镜照片，从中可以看出第二相氮化硼(BN)颗粒弥散均匀分布于银基体中，银与氮化硼结合紧密。

实施例3

1、按重量百分比氮化硼(纳米球形颗粒)1％，铈0.5％，余量为银配料。球形氮化硼粉末颗粒的平均粒径在0.03-100μm之间；

2、将氮化硼粉末颗粒放入无水乙醇中，再加入无水乙醇体积1％ml的聚乙二醇，采用超声波搅拌处理2小时，然后烘干待用；

3、将分散处理后的球形氮化硼粉末颗粒及铈放入银中熔炼，熔炼温度为1000℃，采用机械搅拌10分钟，冷却成型；

4、将熔炼后的材料拉拔至最终尺寸的线材或带材。

实施例4

1、按重量百分比氮化硼(纳米球形粉末颗粒)15％，铈(粉末颗粒)0.5％，余量为银(粉末颗粒)配料。银、铈粉末颗粒的平均粒径在1-100μm之间，氮化硼粉末采用球形纳米氮化硼粉末，平均粒径在0.03-1μm之间；

2、将氮化硼、银、铈粉末放入球磨机中研磨3小时，使其充分混合；

3、将混合均匀的氮化硼、银、铈粉末在200Mpa压力下压制成型；

4、将压制成型的坯体在920℃下烧结，烧结时间为2小时；

5、将烧结后的材料进行热挤压获得线材或带材。挤压比为200。

实施例5

1、按重量百分比氮化硼(纳米球形颗粒)4％，铈0.5％，余量为银配料。球形氮化硼粉末颗粒的平均粒径在0.03-100μm之间；

2、将氮化硼粉末颗粒放入无水乙醇中，加入1％ml的聚乙二醇，采用超声波搅拌处理3小时，然后烘干待用；

3、将分散处理后的球形氮化硼粉末颗粒放入银中熔炼，熔炼温度为1000℃，采用机械搅拌20分钟，冷却成型；

4、将熔炼后的材料拉拔至最终尺寸的线材或带材。

图2为本实施例所制得的银-氮化硼触点材料透射电子显微镜照片，从中可以看出第二相氮化硼(BN)颗粒与银结合紧密，氮化硼具有高导热性，其导热系数为33W/M.K，和纯铁一样，这有利于快速散失电弧能量，降低触点材料表面温度，减少触点材料表面侵蚀。

图3为本实施例所制得的银-氮化硼-铈触点材料在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下动作20万次电寿命实验后触点照片。从照片可以看出触点烧蚀不严重，无明显触点材料转移，表明银-氮化硼触点材料具有良好的耐电弧侵蚀性能、抗材料转移，综合性能优良。

图4为目前常用的银-镍(0.15)触点材料在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下动作20万次电寿命实验后触点照片(a为阴极，b为阳极)。从图4中可以看出银-镍(0.15)触点材料在电寿命实验后出现明显触点材料转移，触点烧蚀严重。图5为目前常用的银-二氧化锡(10)触点材料在直流12V，8*21W+5*5W灯载(冲击电流33A，稳定电流16A)下动作20万次电寿命实验后触点照片(a为阴极，b为阳极)。从图5中可以看出银-二氧化锡(10)触点材料在电寿命实验后出现触点材料转移，触点烧蚀严重。

Claims (2)

1.一种银-氮化硼-铈开关电器触点材料，其特征为该材料由氮化硼、铈和银组成，其重量百分比含量为：氮化硼(BN)1-15％，铈(Ce)0.5％，余量为银(Ag)。

2.如权利要求1所述的所述的银-氮化硼-铈开关触点材料的制备方法，其特征为采用以下两种方案之一：

方案一

第一步：将氮化硼、铈、银粉末放入球磨机中研磨，使其充分混合；

第二步：将混合均匀的氮化硼、铈、银粉末烧结，压制成型，压力为200-800Mpa，烧结温度为800-950℃，烧结时间为2-6小时；

第三步：将烧结后的材料进行热挤压获得线材或带材。

所述氮化硼、铈、银粉末颗粒的平均粒径均为0.03-100μm之间

方案二

第一步：球形氮化硼粉末颗粒的分散处理，将氮化硼粉末颗粒放入无水乙醇中，加入无水乙醇体积1％的聚乙二醇，采用超声波搅拌处理2-6小时，然后烘干待用；

第二步：将分散处理后的球形氮化硼粉末颗粒放入银中在1000℃熔炼20-30分钟，机械搅拌5-10分钟，冷却成型；

第三步：将熔炼后的材料进行热挤压获得线材或带材。

所述的氮化硼为球形氮化硼粉末颗粒，颗粒的平均粒径在0.03-100μm之间。

Images