CN102763183A - 制造电接触垫和电触头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造包括垫支撑体和至少一个接触层的电接触垫的方法，并且涉及制造包括触头支撑体和至少一个接触层的电触头的方法。所述方法包括以下步骤：通过冷气体动态喷射沉积第一粉末至所述垫支撑体或触头支撑体上，以便形成所述接触层，所述第一粉末至少包含以下颗粒：该颗粒包括由至少一种耐火材料制成的粒子，所述粒子被构建到由选自银或铜中的传导金属制成的基体中。本发明也涉及在所述各自制造方法中获得的垫和电触头。

Description

制造电接触垫和电触头的方法
技术领域
本发明涉及电触头领域。其更具体地涉及制造电接触垫的方法和制造电触头的方法，以及涉及可通过它们各自的制造方法获得的电接触垫和电触头。
背景技术
所谓的“低电压”电触头，即对其来说，操作范围大约处于10和1,000V之间以及1和10,000A之间，通常用于家庭、工业和汽车领域，以DC和AC两者，用于开关、继电器、接触器和断路器等。
电触头由必须达到以下三个要求的材料制成：
-低和稳定的接触电阻，以便当电流流过时避免过度加热；
-良好的电阻，以便在电弧的存在下焊接；和
-在电弧作用下的低腐蚀。
为了满足这些部分矛盾的要求，为了制作该垫，利用包括银或铜基体的假合金和插入该基体的由尺寸通常包括在1和5μm之间的以体积计大约10%至50%的耐火颗粒(例如Ni、C、W、WC、CdO、SnO2)组成的部分，组成溶液。由此获得的材料更好地承受由电弧释放的能量。
在本领域技术人员已知的常规方法中，该垫可通过压缩-烧结或压缩-烧结-挤出-层压-切割，从粉末获得。该垫随后被组装在合适的触头支撑体上，该支撑是非常好的电导体和热导体，以便获得电触头。可通过例如焊接、铜焊或铆接完成触头支撑体上的垫组装。
更具体地，触头支撑体传统上为铜。由于垫被制成耐焊接的，所以通过焊接在铜上组装垫是困难的。因此有必要在垫上添加例如银结合层。
这些常规方法包括很多产生高制造成本的操作。
此外，很难通过焊接或铜焊将垫组装在铝触头支撑体上，因为这要求加热支撑体至接近其熔点的温度。
因此本发明的一个目的是通过提出制造电接触垫的方法和制造电触头的方法克服这些缺点，利用这些方法，已知方法可通过降低操作数量简化。
本发明的另一个目的是提出制造电触头的方法，利用该方法，铝可更容易地用作电触头支撑体的材料。
发明内容
为了该目的，并根据本发明的第一方面，提出制造包括垫支撑体和至少一个接触层的至少一个电接触垫的方法，所述方法包括以下步骤：通过冷气体动态喷射，沉积第一粉末至所述垫支撑体上，以便形成所述接触层，所述第一粉末至少包含以下颗粒：该颗粒包括至少一种被并入基体的耐火材料的粒子，所述基体基于选自银或铜的传导金属。
根据另一个方面，本发明涉及制造包括触头支撑体和至少一个垫的电触头的方法，所述方法包括：
-用如上限定的制造垫的方法制造所述垫的步骤，和
-将所述垫组装到所述触头支撑体上的步骤。
根据另一个方面，本发明涉及制造包括触头支撑体和至少一个接触层的电触头的方法，所述方法包括以下步骤：通过冷气体动态喷射，沉积第一粉末至所述触头支撑体上，以便形成所述接触层，所述第一粉末至少包含以下颗粒：该颗粒包括至少一种被并入基体的耐火材料的粒子，所述基体基于选自银或铜的传导金属。
本发明也涉及可通过如上限定的制造电接触垫的方法获得的电接触垫。
本发明也涉及可通过如上限定的制造电触头的方法中的任一种获得的电触头。
附图说明
在阅读以下的描述，参考所附的示意性说明冷喷射枪的图1后，本发明将更好地被理解。
具体实施方式
本发明涉及制造包括垫支撑体和至少一个接触层的至少一个电接触垫的方法，以及涉及应用于制造包括触头支撑体和至少一个接触层的至少一个电触头的类似方法。根据本发明的方法首先在以下方面是突出的：它们使用冷气体动态喷射技术，以沉积第一粉末至所述垫支撑体或所述触头支撑体上，以便形成所述接触层。
通过冷气体动态喷射沉积粉末的该技术也称为“冷喷射”技术，不像其他热发射方法，其特征在于低喷射温度和粉末颗粒的可达5马赫(Mach)的高喷射速度。不像等离子体或HVOF方法——其中粉末颗粒在撞到基底前被熔化，因为喷射气体温度通常不超过600℃，所以冷喷射方法不引起颗粒的任何熔化，所述颗粒因此在整个喷射持续期间保持固体状态。在碰撞基底后，颗粒塑性变形和凝聚，以便形成沉积。与例如等离子体喷射相比，冷喷射方法的益处是不过度加热组成沉淀物的颗粒以及支撑体，由此低氧化有助于获得更好的电导率和良好的内粘力。冷喷射方法例如在专利EP 0 484 533中进行了描述。
在实践中，冷喷射方法的原理可参考图1以以下的方法进行描述。具有粒子尺寸理想地包括在5和50μm之间的粉末1，在压力下经载气被运送至喷嘴2，载气通常与推进气体3具有相同的性质。经可在200℃和650℃之间加热的载气进行提供动能至颗粒，以便增加膨胀并因此增加其速度。使粉末+载气混合物在喷嘴出口4处通过其特定的形状(拉瓦尔喷嘴5)达到超音速速度，该形状使混合物在出口处达到极大的超音速速度。尽管气体温度咋一看可能看起来高，但喷嘴5的分叉部分引起气体膨胀并因此引起不可忽略的温度降低(从650℃至260℃)。此外在热气体流动中具有极其有限的停留时间的粉末颗粒在每种情况下都保持固体或稍微粘性状态(表面加热)。
可认为冷喷射沉积以以下方法形成：
-基底表面的清除：其用作砂纸打磨，以清洁支撑体(例如去除表面氧化物)，以便随后允许第一层的良好粘合；
-在基底上形成第一层；
-构建沉积并压实层。
在冷喷射方法中，有可能控制七个参数，即：
-推进气体(空气、氮气、氦气和其混合物)的性质
-推进气体的温度
-喷嘴的几何形状
-喷嘴中气体的引入压力(在喷嘴中随后的膨胀)
-粉末的内在特性(性质、形状、粒子尺寸、氧化状态)
-喷射距离(其影响基底上的碰撞速度)
-发射角。
影响所获得沉积质量的主要参数为颗粒的喷射速度。确实，过低的速度引起粉末颗粒之间弱的内粘力。
另一个要考虑的重要参数为所用粉末的性质。
根据本发明的方法也在以下方面突出：用于形成垫或电触头的接触层的沉积粉末——后面称为第一粉末——至少包含以下颗粒：该颗粒包括至少一种并入基体的耐火材料的粒子，所述基体基于选自银或铜的传导金属。
该第一粉末因此在沉积前被制备。更具体地，包括并入传导金属基体的至少一种耐火材料粒子的颗粒从选自物理气相沉积方法(PVD)、化学气相沉积方法(CVD)、无电方法、悬浮颗粒上化学沉淀的方法获得。
通过悬浮颗粒上化学沉淀——例如美国专利5,846,288和5,963,772中描述的方法——获得的颗粒是更优选的。确实，这些颗粒具有海绵状结构，“渗透”多孔性，即彼此相连，由此产生很大的形变，以便在冷喷射沉积期间不会反弹。
有利地，耐火金属可选自CdO、CuO、SnO2、ZnO、Bi2O3、C、WC、MgO、In2O3，以及Ni、Fe、Mo、Zr、W或它们的氧化物。
基于第一粉末的总体积，第一粉末可包含以体积计在2%和50%之间的耐火材料粒子，优选在5%和40%之间，并且更优选在10%和40%之间。
存在于垫或电触头的接触层的传导金属可组成100%的包括耐火材料粒子的基体或更低。在后一情况，第一粉末进一步包含对应于包含耐火材料粒子的基体的传导金属的纯金属颗粒，其代表存在于接触层中的传导金属的其余部分。
此外，第一粉末也可包含至少一种掺杂剂。
根据第一种可能，包括至少一种掺杂剂的粒子的颗粒被并入金属基体，其金属对应于包含耐火材料粒子的基体的传导金属。这些颗粒以与包括并入传导金属基体的耐火材料粒子的颗粒相同的方法制备，并随后与所述包括并入传导金属基体的耐火材料粒子的颗粒混合，任选地与纯金属颗粒混合，以便形成第一粉末。
根据第二种可能，将至少一种掺杂剂与耐火材料的粒子合并，以便将它们结合到它们的传导金属基体中。
根据第三种可能，将至少一种掺杂剂引入包含耐火材料粒子的基体。
优选地，掺杂剂为金属或该金属的氧化物，所述金属选自Bi、Mo、W、Re、In和Cu。
优选地，第一粉末颗粒的尺寸被包括在10μm和300μm之间。
根据本发明，在该方法的最后，有进一步的可能提供以下步骤：在其表面上制作垫或触头的形状。这种成形可例如通过塑性变形(冲压、锻头、卷曲)、材料去除(磨碎、刨平、研磨)或可能使用两者完成。
根据本发明的第一种选择，利用制造电触头的方法，可直接获得电触头，其如上限定的包括触头支撑体和至少一个接触层。
触头支撑体是传导支撑体，其优选由金属组成，该金属是非常好的电导体和热导体。通常，该触头支撑体可由选自铜、铝、铜合金、铝合金的材料制成，或进一步由复合材料制成，该复合材料由传导金属和高弹性极限的金属例如镀铜钢组成。
该触头支撑体可由电镀银或铜沉淀物覆盖。
该触头支撑体可作为预切割的单独部件出现。该触头支撑体也可作为连续的条板出现。在该情况，该方法可进一步包括切割所述条板以便形成电触头的步骤。如果该触头支撑体作为条板出现，则根据本发明，接触层可通过冷喷射沉积被沉积在触头支撑体上，以便形成离散的接触点或至少一个连续痕迹。
在该选择方案中，在一些操作中，根据本发明的制造电触头的方法允许直接获得电触头，不像制造电触头的常规方法。
通过冷喷射的沉积方法由于去除任何氧化物的痕迹也具有清洁支撑体的优点，粉末颗粒在过程开始时喷射，起到砂纸打磨支撑体表面的作用。因此随后提高了喷射的粉末颗粒的粘合力。
利用这种方法，明显有可能去除存在于铝支撑体上的氧化物，并因此沉积第一粉末到铝支撑体上，以便形成包括铝触头支撑体的电触头。
根据本发明的第二选择，制造电触头的方法是这样的：电触头在两个阶段中形成：如上所述，根据制造垫的方法，在垫支撑体上制造垫的一个步骤，和由于其用作电触头，将垫组装在合适的电触头支撑上的步骤。
在该选择中，垫支撑体可由银或铜的薄的连续条板(0.1-1mm)组成，该条板用作用于铜焊或焊接的亚层。通过冷喷射形成接触层的第一粉末的沉积可直接发生在该条板上。如上所述，该条板可进一步通过塑性变形(辊压)或通过去除材料(磨碎、刨平、研磨)，或可能两者，经历最终的成形操作。也可能以铜焊条板开始，并随后向其添加上述不同的层。随后获得多金属条板。该方法可进一步包括以下步骤：切去所述条板，以便形成意欲用常规方法(焊接或铜焊)组装的垫，以便它们用作电触头。
此外，根据本发明的制造电触头的方法可进一步包括，在沉积接触层的步骤前，至少一个在触头支撑体和接触层之间施加至少一个结合亚层的步骤。
有利地，通过冷气体动态喷射第二粉末至所述触头支撑体上，以便形成结合亚层，进行施加结合亚层的所述步骤，所述第二粉末至少包含传导金属化合物的颗粒。
这种结合亚层的存在是任选的。
该结合亚层可由与支撑体的金属具有相同数量级的硬度和相对高的电导率的金属或金属合金组成，例如银、含有5%铜的银合金、或基于银的焊料。
类似地，根据本发明的制造电垫的方法可进一步包括在沉积接触层的步骤前，至少一个通过冷气体动态喷射，施加至少一种第二粉末至所述垫支撑体上的步骤，以便在垫支撑体和接触层之间形成至少一种结合亚层。在该情况，结合亚层的熔化时间间隔应该明显高于随后可能用于将垫组装到触头支撑体上的焊料。
类似于第一粉末，第二粉末颗粒的尺寸包括在10μm和300μm之间。
此外，制造垫或制造电触头的方法可进一步包括，在沉积接触层的步骤后，至少一个通过冷气体动态喷射，沉积至少一种第三粉末以便形成至少一个覆盖层的步骤，所述第三粉末具有不同于第一粉末的组成。
类似于第一和第二粉末，第三粉末颗粒的尺寸包括在10μm和300μm之间。
更具体地，冷喷射沉积方法的另一个优点是能够改变喷射喷嘴、所使用粉末的组成以及喷射流速，以便在接触层上面获得不同的层，所述不同的层可对应于具有不同组成的不同接触层。例如，有可能在表面上提供适于弱电流的层，并在下面提供适于较强电流的另一个层。也可提供沉积保护覆盖层，用于在保存期间保护垫或触头，该覆盖层由选择以便在使用电触头时迅速被去除的材料制成。
以下实施例说明了本发明，但不限制其范围。
实施例
在以下描述的实施例1至3中，通过冷气体技术(CGT)制成的模型“Kinetic 3000M”被用作冷气体动态喷射的系统。其包括控制室、气体加热器
Figure BDA00002021466100071
Cold Spray Heater HT 800/30、粉末分配器CGT-PF4000Comfort和发射枪POWER-JET 3000。
实施例1(比较的)
银粉末的混合物被制成，其尺寸包括在30和80微米之间并含有锡氧化物，锡氧化物粒子小于20微米，该组合物以重量计为8%的氧化物(以体积计为大约12%)。
所述粉末混合物通过冷喷射，在30巴和300℃下，发射在铜板上，铜板长度为50mm，宽度为27mm，厚度为1.5mm。沉积了2mm层。
a.沉积的孔隙率不超过3%；
b.该结构肉眼可见是均匀的，但在显微镜下是非均匀的；
c.但所获得的层的组成不对应于最初的组成：氧化物损失为大约50%。
实施例2(发明)
锡氧化物的粉末通过CVD用银涂覆，以获得以体积计(20%)的期望组成。粒子的尺寸处于10和40微米之间。1.5mm的层在对于该粒子尺寸来说优化的条件下，通过冷喷射，发射在预切割的铜和黄铜UZ15支撑体(厚度1.5mm)上。条件为30巴和400℃。
a.沉积的孔隙率低(<0.5%)；
b.该结构是均匀的；
c.所获得的层的组成是喷射的粉末的组成；
d.然而，膨胀退火显示了沉积的破裂；和
e.与通过传统粉末冶金获得的标准材料相比，在AC3条件下商业设备(3x400VAC，37A)上的电试验显示了异常的高腐蚀。
实施例3(发明)
根据美国专利5,846,288中描述的方法，经化学途径获得的银和锡氧化物的海绵状粉末(以重量计14%的氧化物，以体积计大约20%)通过冷喷射，在30巴和600℃下，发射在预成型的铜支撑体上(所沉积的厚度：3mm，支撑体：4mm)。其粒子尺寸位于40和300微米之间。
a.沉积的孔隙率小于0.1%；
b.该结构是均匀的；
c.所获得的层的组成为所喷射的粉末的组成；
d.在AC3条件(460安培，3x400伏特)下商业设备上的电试验显示，寿命具有该类型设备的通常触头的数量级。报告了寿命结束时的破裂，其类似于标准材料的破裂，但更浅。
实施例4(发明)
根据本发明，在预切割的铜和黄铜UZ15支撑体(厚度1.5mm)上通过利用冷喷射发射制成银-耐火金属(镍)触头。条件为30巴和400℃。
最初的组成是以质量计为30%的镍(以体积计为33.5%)。镍粒子的尺寸位于5和10μm之间。
a.镍损失在25%和50%之间；
b.该结构在显微镜下是均匀的，但观察到镍簇的数量级为50μm；
c.沉积的孔隙率限于小于1%；
d.在AC3条件下商业设备上的电试验显示，与对于通常装备该设备的标准材料所观察到的相比，小于一半的腐蚀。所观察到的镍簇是无害的，只要没有观察到早期的粘性结合或接触电阻。
实施例5(比较的)
与实施例3的组成相同，但通过传统粉末冶金(压缩坯锭、挤出、辊压、切割)制成的银-氧化物耐火触头，通过感应电流(HF焊接)铜焊在铜支撑体上。
a.孔隙率比1%小得多(挤出)；
b.该结构是均匀的；
c.与实施例3相同类型的设备上的相同电试验AC3显示在它们“寿命”的前三分之一就有显著的破裂。

Claims (23)

1.制造包括垫支撑体和至少一个接触层的至少一个电接触垫的方法，其特征在于其包括以下步骤：通过冷气体动态喷射沉积第一粉末至所述垫支撑体上，以便形成所述接触层，所述第一粉末至少包含以下颗粒：所述颗粒包括至少一种被并入基体的耐火材料的粒子，所述基体基于选自银或铜的传导金属。
2.制造包括触头支撑体和至少一个垫的至少一个电触头的方法，其特征在于其包括：
-用根据权利要求1所述的方法制造所述垫的步骤，和
-将所述垫组装到所述触头支撑体上的步骤。
3.制造包括触头支撑体和至少一个接触层的至少一个电触头的方法，其特征在于其包括以下步骤：通过冷气体动态喷射沉积第一粉末至所述触头支撑体上，以便形成所述接触层，所述第一粉末至少包含以下颗粒：所述颗粒包括至少一种被并入基体的耐火材料的粒子，所述基体基于选自银或铜的传导金属。
4.根据权利要求1所述的制造电接触垫的方法或根据权利要求2和3任一项所述的制造电触头的方法，其特征在于所述第一粉末进一步包含纯金属颗粒，其对应于包含所述耐火材料的粒子的所述基体的传导金属。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述第一粉末进一步包含以下颗粒：所述颗粒包括至少一种被并入金属基体的掺杂剂的粒子，所述金属基体的金属对应于包含所述耐火材料的粒子的所述基体的传导金属。
6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于至少一种掺杂剂与耐火材料的粒子一起被并入它们的传导金属基体。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于至少一种掺杂剂被引入包含所述耐火材料的粒子的所述基体中。
8.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于所述掺杂剂为金属或该金属的氧化物，所述金属选自Bi、Mo、W、Re、In和Cu。
9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于所述耐火材料选自CdO、CuO、SnO2、ZnO、Bi2O3、C、WC、MgO、In2O3，以及Ni、Fe、Mo、Zr、W或它们的氧化物。
10.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于基于所述第一粉末的总体积，所述第一粉末包含以体积计在2%和50%之间的耐火材料的粒子，优选在5%和40%之间，更优选在10%和40%之间。
11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于包括至少一种被并入所述传导金属基体的耐火材料的粒子的所述颗粒通过选自物理气相沉积方法(PVD)、化学气相沉积方法(CVD)、无电方法、悬浮颗粒上化学沉淀的方法获得。
12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述触头支撑体作为预切割的单独部件出现。
13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述触头支撑体作为连续的条板出现，并且其中所述方法进一步包括切割所述条板以便形成电触头的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述接触层在所述条板上形成离散的接触点。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述接触层在所述条板上形成至少一个连续的痕迹。
16.根据权利要求12至15任一项所述的方法，其特征在于所述触头支撑体由选自铜、铝、铜合金、铝合金和钢-铜复合材料的材料制成。
17.根据权利要求3和12至16任一项所述的方法，其特征在于其进一步包括在沉积所述接触层的步骤之前的至少一个以下步骤：通过冷气体动态喷射，将至少一种第二粉末施加到所述触头支撑体上，以便形成至少一个结合亚层，所述第二粉末至少包含传导金属化合物的颗粒。
18.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于其进一步包括，在沉积所述接触层的步骤之后的至少一个以下步骤：通过冷气体动态喷射沉积至少一种第三粉末，以便形成至少一个覆盖层，所述第三粉末具有不同于所述第一粉末的组成。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其进一步包括，在沉积所述接触层的步骤之前的至少一个以下步骤：通过冷气体动态喷射将至少一种第二粉末施加到所述垫支撑体上，以便形成至少一个结合亚层。
20.根据权利要求17至19任一项所述的方法，其特征在于所述第一、第二和第三粉末的颗粒尺寸包括在10μm和300μm之间。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述垫支撑体作为连续的条板出现，并且所述方法进一步包括切割所述条板以便形成电接触垫的步骤。
22.可根据权利要求2和3以及12至17任一项获得的电触头。
23.可通过根据权利要求1、19和21任一项所述的方法获得的电接触垫。
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