CN1026637C - 银-氧化锡电接触材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了新的Ag-SnO电接触材料，这种材料是由含5～20%(重量)的Sn和余量Ag组成的Ag合金，该合金是通过熔化和内氧化而制备的。还公开了新的制造方法其中内氧化是在氧气氛为10～200个大气压、温度为750℃～500℃下进行的。

Description

本发明涉及用于电子设备诸如开关、断电器、接触器上用的电接触材料。

与本发明有关的电接触材料具体地是那些由通过熔化Ag和Sn，并使其内部氧化而得到的Ag-Sn合金制成。这些电接触材料与通过混合Ag和Sn粉末，并进行粉末冶金烧结而制备的电接触材料属于不同的种类。

迄今为止，Ag-Sn氧化物合金（其中Ag是基体，Sn（溶质金属）在内部氧化为Sn氧化物）广泛地用做上述种类的电子设备中的电接触材料。

作为相似的电接触材料，人们已知的是Ag-Cd氧化合金，但由于其中的Cd对健康有害，所以，今天为了防止污染而广泛地使用由Ag-Sn氧化合金制成的电接触材料。

然而，在制造Ag-SnO合金接触材料时存在着一个严重的问题。那就是，如果所述Sn比Ag基体的重量百分比大于5，要使氧从Ag基体的外部浸入并扩散到基体的内部以使全部的Sn得到完全的内氧化是不可能的。这是一种为本领域专业人员公认现象。例如，发表在1966年4月、西德DODUCO出版的“信息”（注册号1-11）中指出，在含有5%以上的Sn的Ag-Sn合金中，这种Sn就不能通过内氧化方法氧化。它指出，这是由于不可避免要在这种合金的外表上形成Sn氧化物的离析层，从而阻滞了氧渗透到合金中以增进内部区域的内部氧化。如上所述，毫无异议，这些已在有关电接触材料工业中专业人员得到印证。

为了解决这个问题，必须使用具有高扩散速度或有更佳的携氧能力，并能把氧更有效地输送到Ag基体更深区域中的辅助溶质金属，从而使内氧化获得成功。这种辅助溶质金属一般是Z和Bi。

在美国专利No.3，933，485中，使Ag-Zn体系合金内氧化，得到现代电接触材料，这里把Zn用做辅助溶质金属，使合金的内部成功地得到氧化。更确切地说，由5～10%（重量）的Sn，1.0～10%（重量）的Zn和余量的Ag组成的所述电接触材料被内氧化。它们是当今工业上使用的最佳接触材料之一。

然而，如上说明，既使当使用了具有很好促进内氧化功能的Zn作为助溶金属，也很难将大于5%的Sn均匀地在整个Ag基体内氧化。人们有时观察到Sn氧化物偶然会在Ag基体的外表面上发生过离析，并且，当Sn氧化物的过渡层连续不断地产生在Ag基体的内表面上时，这种过离析会造成气密的氧化皮层。

业已指出，因为Zn和Bio有相对较低的耐熔性，是较弱的金属氧化物，长期以来，就希望在不使用Zn或Bi时就能进行Ag-Sn合金的内氧化。

还要指出，把二元Ag-Sn合金与三元Ag-Sn-Zn合金与Ag-Sn-Bi合金相比较，三元合金的导电性较低。还从这一点考虑，为了便于内氧化，最好不用Zn或Bi作为辅助元素。

鉴于上述观点，本发明提供了完全新型的电接触材料，该材料通过熔融制备，仅由5～20%（重量）的Sn和余量Ag组成，并被内氧化。

至于本发明的Sn量，为了要获得有效的耐熔性的电接触材料，Sn的最少量为5%（重量），如果所给Sn量超过20%，所得的材料就会太脆，所以Sn的最大量为20%（重量）。在本发明中，虽然特征是本发明的二元Ag合金仅加入Sn，且由熔融工艺制备并经内氧化，但也可将选自铁族元素（Fe，Co和Ni）中的一种或多种元素加入到所说二元合金中。这样的加入并不是为加速或有助于内氧化，而仅是为精化或细化最终合金的合金晶粒结构。为了达到这一目的，铁族元素要以0.001～1%（重量）的量加入。

本发明还提供了一种制造上述新型电接触材料的新型方法。即：

通过大量的实验，本发明人已发现当要进行内氧化的氧气氛大于10个大气压时，不能够内氧化的那些Ag-Sn（5～20%（重量））合金能成功地完全被内氧化。这个新理论和结论是本发明人首先做出的。

业已得知，在通过内氧化Ag合金制造电接触材料时，要将Ag基体加热以使合金变活性，从而导致外部的氧进入内部。为此目的的加热温度一般在500～750℃范围内，就此而论，本发明人还发现，当处在大于10个大气压的氧气氛下，在进行如本发明人所发现的内氧化时，当氧气氛选择较高时，上述加热温度最好取上述温度范围中较低的温度。这是由于如果氧气氛和加热温度都较高，Ag基体就变得过度活性，并连续地吸进大多的氧，导致Ag基体中Sn氧化速度太快，而且由于Sn氧化物周围的离析，还会使g基体表面产生氧化皮层。换言之，当氧气氛压力较10个大气压低时，加热温度最好取上述500～750℃温度范围内较高的温度，反之当氧气氛较高于上述10个大气压时，加热温度最好取上述内氧化加热温度范围内较低的温度。

按照本发明，当上述特定组分的Ag合金进行氧化时，最好满足以下条件：Ag合金应保持在固相而不含任何液相，这是因为，如果合金为液相，即使部分是液相，就会使金属氧化物析出，朝着合金的表面漂移，接着在其周围生成氧化皮层。

按照上述论点，当加热温度靠近上述温度范围最低点时，或约接近最小温度500℃时，所取氧化气氛最好尽量高些。但是，为了防止合金变成液体，且考虑到工业生产的安全性和经济性，本发明要用的最大氧气氛最佳为200个大气压。换言之，当由熔化制造的Ag-Sn[5～20%（重量）]合金按照本发明进行内氧化时，较低和较高的或最小和最大的氧气氛最佳应分别为10个大气压和200个大气压，其加热最佳温度应约在750℃到500℃的范围内。

本发明在下列实施例中，具体地加以说明。

（1）Ag-Sn6%（重量）

（2）Ag-Sn6%（重量）;Ni0.2%（重量）

上述组份（1）和（2）经熔化，制成直径为120mm，长度为40mm的金属坯。将该坯热挤压成厚度为30mm、宽度为50mm的长方棒。然后将该棒切成每段长度为500mm，且上下表面都刨去3mm，从而得到厚度为24mm，宽510mm，长为500mm的方棒。

在每个方棒的下表面上粘上厚为2.5mm的纯银。在其上辗压以使厚度为1.2mm。用直径为6mm的冲头冲压该方棒，这样就得到了直径为6mm，纯银厚为1.2mm的盘状接触材料。

使这些盘状接触材料在25个大气压的氧气氛下，加热至700℃，持续48小时。

通过显微镜观察生成的接触材料的截面，结果是：在材料表面区域周围没有氧化皮层生成，且Sn组分完全氧化了。还发现，不论Ag基体的颗粒外形如何，Sn氧化物的颗粒非常精细，并均匀地沉积在Ag基体上。沉积分布和Sn氧化物如此精细，从而看上去就象用粉末冶金制备的。

为了做出比较，制出下列合金（3）。由所述合金（3）内氧化而制成的接触材料被公认为是当今具有极好接触特性和性能的最佳电接触材料之一。

（3）Ag-Sn6%（重量）;Zn1%（重量）;Ni2%（重量）。

把由熔化制备的这种合金加工成与上述（1）和（2）合金的规格完全一样的盘状接触材料。该盘状接触材料在1个大气压的常压氧气氛下，加热至620℃，持续24小时。

用显微镜观察生成的接触材料（3），发现与接触材料（1）和（2）相似。在接触材料（3）中，Sn也被完全地氧化了。同时，它们如鳞似的沿着Ag颗粒轮廓沉积，且有比接触材料（1）和（2）都明显的粗粒。

上述经内氧化的接触材料（1）、（2）和（3）的硬度（HRP）和导电性（IACS%）如下：

硬度    导电性

（1）    78    72

（2）    80    70

（3）    95    55

由抗熔焊试验（电压DC240V，起始电流（电容器放电电流）700A，接触压力200g，实验次数20），得出的熔焊时间如下：

（1）    0

（2）    0

（3）    0

用ASTM试验方法（电压AC200V，电流50A，接触压力400g，释放力600g）得出的消耗量（mg）如下：

（1）    10

（2）    8

（3）    15

如上详细描述和解释，本发明可提供由通过熔化制备，并经内氧化的Ag-Sn（5～20%（重量））合金制成的完全新型的电接触材料。从上述测试数据中不难得知，按照本发明制成的电接触材料基本上是具备了使Sn非常精细地，均匀地沉积在Ag基体上，并且具有极好接触特性，包括经改进导电性的二元Ag-Sn合金。

Claims (4)

1、一种Ag-SnO电接触材料，其特征在于是由熔化和内氧化而制备的Ag-Sn5-20%合金制成，其中合金在氧气氛为10-200大气压加热至750℃-500℃被内氧化。

2、根据权利要求1的Ag-SnO电接触材料，其中合金中加入一种或多种用量为0.001-1%的选自铁族元素（Fe，Co和Ni）的元素。

3、Ag-SnO电接触材料制造方法，其包括内氧化Ag-Sn5-20%合金，该合金是在10-200大气压的氧气氛加热至750℃-500℃，且保持固相而不含任何液相的条件下制备的。

4、根据权利要求3的Ag-SnO电接触材料的制造方法，其中在合金中加入0.001-1%的选自铁族元素Fe，Co和Ni中的一种或多种元素。