CN103151186B

CN103151186B - 一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法

Info

Publication number: CN103151186B
Application number: CN201310123165.3A
Authority: CN
Inventors: 陈乐生; 陈晓; 陈王正; 穆成法; 吴新合
Original assignee: Wenzhou Hongfeng Electrical Alloy Co Ltd
Current assignee: Wenzhou Hongfeng Electrical Alloy Co Ltd
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103151186A

Abstract

本发明公开一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，步骤为：第一步，将碳化钨(WC)粉、X(金属活化剂粉)、石墨粉和银粉均匀混合；第二步，将混粉后的粉体进行球磨；第三步，将球磨后粉体进行造粒；第四步，成型压制；第五步，将成型后的坯体依次进行烧结、复压、复烧以及整形，得到Ag-WC-C-X覆Cu电触头材料。本发明方法在烧结温度低及烧结时间短时也可以性能优良的复合电接触材料，且复合界面结合强度较高、本发明工艺简单，操作方便，成本低廉，对设备无特殊要求。本发明方法制备的材料耐电弧烧蚀性能及电导率、硬度均有较大的提高，并且加工性能十分优良，成材率较高。

Description

一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种材料技术领域的电触头材料的制备方法，具体地说，涉及的是一种用于断路器的Ag-WC-C-X覆Cu电接触材料的制备方法。

背景技术

断路器是接通和切断正常负荷、过负荷、短路负荷电流的开关电器。它在电路中起控制保护作用。断路器广泛应用于配电系统各级枢纽控制端，承担设备的电源控制和用电终端管理任务。电触头是断路器的核心元件，用来实现电路的接通和分断，是影响断路器通断能力和可靠性的关键因素，它的性能直接影响着断路器的可靠性和稳定性。目前，主要用于断路器的电接触材料有AgW、AgWC、AgWC12C3覆Ag以及AgWC22C3覆Ag等材料。

国内外关于断路器用的电接触材料方面的研究报道中，如雷新等，AgWCNiC触头材料的研制(甘肃电器技术，1996年1期)；公开号CN202042384U的中国实用新型专利等，上述文献所制备的触头，其触头整体银含量较高，造成了部分贵金属浪费。为了节约银，全世界在开展降低触头材料含银量研究的同时，也在开发贱金属材料，以替代资源有限且价格昂贵的白银。

近年来，人们努力采取各种节约措施，在不降低触头性能的条件下，开展触头材料设计与研发。铜具有与银相近的物理、化学、电学等性能，作为电接触材料，铜有导电导热好、热容大、触头温升低、加工成型性能优异、价格低廉等优势。目前，市场上开发用于断路器上复合触头材料主要有：AgWC12C3覆CuNi、AgWC22C3覆Cu、AgWC22C3覆CuNi等一系列的复合材料。但是，由于AgWC22C3(碳化钨具有高熔点、高硬度、低的膨胀系数)材料和纯Cu或CuNi热膨胀系数差别很大，加之AgWC22C3材料较难烧结，当烧结温度较高或烧结时间较长时，由于两层材料之间热膨胀系数差异较大，由膨胀系数较高的Cu层产生的张力和由膨胀系数较低AgWC22C3所产生的拉力组成的合力矩使产品发生严重弯曲，造成材料热应力较大，导致两层材料之间结合强度很差，甚至使得AgWC22C3覆Cu产品从覆合界面开裂、分层等；烧结温度较低或烧结时间较短时，虽然烧结后产品弯曲不明显，但是AgWC22C3层材料烧结不到位，导致该AgWC22C3层材料电阻率较高，硬度较低，AgWC22C3自身材料结合强度较差、易开裂，甚至在后续加工中发生散落。

如申请号为201110454839.9，公开号为102522229A的中国发明专利申请，该发明公开了一种银碳化钨复银镍铜电触头的生产工艺，以Ag、Ni、Cu合金粉代替Ag粉，加入了镍和铜，节约复层中的银含量，且钎着率、结合强度提高。此发明对于银碳化钨(工作层)中，WC或C含量较高时，如AgWC22C3，产品烧结后将会发生严重弯曲，造成产品开裂，此外该发明对于AgWC12C3复Ag的材料来说，的确节省了部分贵金属Ag，但是由于其焊接层仍为AgCuNi，相对Cu复层来说，成本仍然较高，同时由于Cu和Ni，Ag和Cu都是互为无限固溶的材料，因此随着烧结的进行，三种材料将会形成固溶体，其电阻率将会升高，进而会导致后续触点服役时温升较高等缺点。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种用于断路器的Ag-WC-C-X覆Cu电接触材料的制备方法，该方法无论在烧结温度高或烧结时间长，及烧结温度低或烧结时间短，都可以得到性能优异Ag-WC-C-X覆Cu电触头材料，且覆合界面结合强度高，Ag-WC-C-X烧结性能好，电阻率低，硬度高等特点。同时工艺简单，操作方便，成本低廉，对设备无特殊要求。本发明方法所制备材料其电寿命、耐电弧烧蚀性能及电导率均有较大的提高，并且加工性能十分优良。

为实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种用于断路器的Ag-WC-C-X覆Cu电接触材料，所述电接触材料的工作层为Ag-WC-C-X层，焊接层为Cu层，其中活化剂X为一切能活化烧结且能够与银不互溶、与铜互溶的金属及其金属盐中一种或多种，X含量不低于整个电接触材料重量的4.5％；Ag-WC-C-X层厚度与Cu层厚度之比为1/3～9之间。

本发明提供一种用于断路器的Ag-WC-C-X覆Cu电接触材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将碳化钨(WC)粉、活化剂(X)粉、石墨粉和银粉均匀混合，然后进行混粉，其中：活化剂(X)为一切能活化烧结且能够与银不互溶、与铜互溶的金属及其金属盐中一种或多种，X含量不低于混合粉体整体重量4.5％；

第二步，将第一步获得的混合粉体进行球磨；

第三步，将第二步得到的粉体进行造粒；

第四步，将造粒后的粉体进行成型压制，其中产品工作层Ag-WC-C-X层，焊接层为Cu层，且工作层Ag-WC-C-X层厚度根据产品所需计算获得；

第五步，将成型后的坯体依次进行烧结、复压、复烧以及整形，得到Ag-WC-C-X覆Cu电触头材料。

本发明所制备材料与以往传统材料的AgWC22C3覆CuNi有显著不同，传统的复合触点材料，由于AgWC22C3烧结性能较差，烧结温度需要达到800度以上，长时间烧结，方达到理想烧结效果，但是由于两层材料热膨胀系数差别较大，造成材料热应力较大，导致两层材料结合强度大大降低。总之，传统复合材料烧结温度高时，复合界面结合强度较差；烧结温度低时，AgWC22C3烧结不到位，会导致该层材料在后续加工时直接散落。此外，由于其另一层为CuNi，在热处理时会形成Cu-Ni固溶体，大大降低CuNi材料层的电导率。

本发明采用的方法是：将碳化钨粉、金属活化剂粉、石墨粉、以及银粉进行混粉，再进行球磨，然后造粒、成型、烧结、复压、复烧、整形等工艺。本发明通过添加金属活化剂作为主体元素之一，一方面提高烧结活性，即降低烧结温度、缩短烧结时间，提高生产效率；另一方面，由于X和Cu互溶，且X活化复合界面烧结性能，使得复合界面结合强度得到提高，此外本发明覆层采用纯Cu材料，提高了整体触点电导率。该Ag-WC-C-X材料耐电弧烧蚀能力比传统AgWCC材料体系触头材料提高10-20％，导电率提高5-15％，电寿命提高了10-30％，并且具有优良的加工性能，成材率高，适用于规模化生产。

附图说明

图1是传统AgWC22C3覆CuNi触点实验结果图。

图2是本发明一实施例制备AgWCNiC覆Cu材料实验结果图。

具体实施方式

以下对本发明的技术方案作进一步的说明，以下的说明仅为理解本发明技术方案之用，不用于限定本发明的范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

本发明提供的上述Ag-WC-C-X覆Cu复合电接触材料的制备方法，适用于通常的断路器用复合材料的制备，该方法在烧结温度低或时间短时也可以获得高性能Ag-WC-C-X工作层，同时复合界面结合强度高，且工艺简单，操作方便，对设备无特殊要求。本发明方法制备的材料电寿命、耐电弧烧蚀性能及电导率均有较大的提高，并且加工性能优良，成材率高。

根据本发明方法得到的复合电接触材料，活化剂是以其粉体颗粒形式添加于基体中，且活化剂材料为一种材料或多种材料混合物。在具体制备的时候，根据实际需要设计的材料成分进行配比。

本发明中，设计的混粉、球磨和过筛、造粒、成型、烧结、复压、复烧、整形、清洗等步骤，具体工艺操作的参数是可以选择的，比如：

第一步中，首先将碳化钨(WC)粉、活化剂(X)粉、石墨粉和银粉均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉。其中活化剂含量不低于4.5％，优选参数可以采用：碳化钨粉(WC)含量为10％～30％、活化剂含量4.5％～15％、石墨粉含量为1％～5％、银粉含量为60％～75％。

活化剂为一切能活化烧结且能够与银不互溶，与铜互溶的金属及其金属盐，优选地如羰基Ni粉或超细Ni粉，超细Fe粉或超细Co粉等等中一种或多种。

混粉速度在20转/分钟-35转/分钟之间；混粉时间在2-5小时之间。

第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨造粒。其中优选参数可以采用：球磨转速在30转/分钟-150转/分钟之间；球磨时间在5-15小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在2-10之间。

第三步中，将第二步获得的复合粉体进行造粒，其中造粒工艺可以采用烧结造粒或拌胶造粒。

所述的烧结造粒优选参数为：温度300℃-550℃，时间为2-5小时，烧结气氛H₂。

所述拌胶造粒优选参数为：所用拌胶量为0.5％-1％。

第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，其中优选参数可以采用：成型压力1～15Mpa，Ag-WC-C-X材料厚度与Cu层厚度之比为1/3～9之间。

第五步中，将成型后的坯体进行烧结。其中优选参数可以采用：烧结温度在450℃-700℃之间；烧结时间在3-6小时之间，烧结气氛为H₂或N₂气。

第六步中，将烧结获得的坯体进行复压。其中优选参数可以采用：复压压力在10～30Mpa，保压时间1～5秒。

第七步中，将复压后获得的坯体进行复烧，其中优选参数可以采用：烧结温度在550-750℃之间；烧结时间在3-6小时之间，烧结气氛为H₂或N₂气。

第八步中，将复烧后获得的坯体进行整形，其中优选参数可以采用：整形压力10～30Mpa之间，保压时间1～5秒之间。

第九步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

以下通过具体应用的实施例来对本发明详细的技术操作进行说明。

实施例一

以制备Ag-WC-Ni-C覆Cu复合电接触材料为例

第一步中，首先将碳化钨(WC)粉20％、镍(Ni)粉4.5％、石墨粉1％和银粉74.5％均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉，转速在20转/分钟；时间5小时。

第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨，球磨转速在150转/分钟；球磨时间在5小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在2∶1。

第三步中，将第二步获得的复合粉体进行拌胶造粒，胶水量为总重量的1％。

第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，成型压力1Mpa，AgWCNiC覆层材料厚度与Cu层厚度之比为9。

第五步中，将成型后的坯体进行烧结。其中参数可以采用：烧结温度在700℃；烧结时间在3之间，烧结气氛为H₂。

第六步中，将烧结获得的坯体进行复压。其中参数可以采用：复压压力在10Mpa，保压时间1秒。

第七步中，将复压后获得的坯体进行复烧，其中参数可以采用：烧结温度在750℃之间；烧结时间在3小时，烧结气氛为H₂。

第八步中，将复烧后获得的坯体进行整形，其中参数可以采用：整形压力20Mpa之间，保压时间1秒。

第九步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

本实施例最终获得性能较好Ag-WC-Ni-C覆Cu复合电接触材料，其中，复合界面结合强度较好，且材料组织弥散均匀，电阻率为2.6μΩ.cm；硬度为120HV。

实施例二

以制备AgWCCoC覆Cu复合电接触材料为例

第一步中，首先将碳化钨(WC)粉、超细Co粉、石墨粉和银粉均匀混合，然后置于混粉机中中进行混粉。其中参数可以采用：碳化钨粉(WC)含量为10％，超细Co粉含量15％、石墨粉含量为5％、银粉含量为70％；混粉速度35转/分钟；混粉时间2小时。

第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨和过筛。其中参数可以采用：球磨转速30转/分钟；球磨时间15小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在10之间。

第三步中，将第二步获得的复合粉体进行造粒，其中造粒工艺拌胶造粒，拌胶量为0.5％。

第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，其中参数可以采用：成型压力15Mpa，Ag-WC-Co-C覆层材料厚度与Cu层厚度之比为1∶1。

第五步中，将成型后的坯体进行烧结。其中参数可以采用：烧结温度在450℃；烧结时间6小时，烧结气氛为N₂气。

第六步中，将烧结获得的坯体进行复压。其中参数可以采用：复压压力在30Mpa，保压时间5秒。

第七步中，将复压后获得的坯体进行复烧，其中参数可以采用：烧结温度在550之间；烧结时间在6小时之间，烧结气氛为H₂气。

第八步中，将复烧后获得的坯体进行整形，其中参数可以采用：整形压力10之间，保压时间5秒。

第九步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

本实施例最终获得性能较好Ag-WC-Co-C覆Cu复合电接触材料，其中，复合界面结合强度较好，分断能力较高，且材料组织弥散均匀，电阻率为2.7μΩ.cm；硬度为110HV。

实施例三

以制备Ag-WC-CoNi-C覆Cu复合电接触材料为例

第一步中，首先将碳化钨(WC)粉、羰基Ni粉和超细Co粉、石墨粉和银粉均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉。其中参数可以采用：碳化钨粉(WC)含量为12％、羰基Ni粉和超细Co粉总含量12％、石墨粉含量为3％、银粉含量为73％；混粉速度30转/分钟；混粉时间在4小时。

第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨和过筛。其中参数可以采用：球磨转速在100转/分钟；球磨时间在10小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在5之间。

第三步中，将第二步获得的复合粉体进行造粒，其中造粒工艺可以采用烧结造粒，温度400度，时间2h，气氛H₂。

第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，其中参数可以采用：成型压力8Mpa，Ag-WC-CoNi-C覆层材料厚度与Cu层厚度之比为1/3。

第五步中，将成型后的坯体进行烧结。其中参数可以采用：烧结温度在550℃之间；烧结时间在4小时，烧结气氛为H₂气。

第六步中，将烧结获得的坯体进行复压。其中参数可以采用：复压压力在15Mpa，保压时间2秒。

第七步中，将复压后获得的坯体进行复烧，其中参数可以采用：烧结温度在650℃之间；烧结时间在4小时之间，烧结气氛为N₂气。

第八步中，将复烧后获得的坯体进行整形，其中参数可以采用：整形压力15Mpa之间，保压时间2秒之间。

第九步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

本实施例最终获得性能较好Ag-WC-NiCo-C覆Cu复合电接触材料，其中，复合界面结合强度较好，整体材料塑性较高，且材料组织弥散均匀，电阻率为2.5μΩ.cm；硬度为122HV。

实施例四

以制备Ag-WC-Fe-C覆Cu复合电接触材料为例

第一步中，首先将碳化钨(WC)粉、超细Fe粉、石墨粉和银粉均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉。其中参数可以采用：碳化钨粉(WC)含量为30％、超细铁粉总含量9％、石墨粉含量为1％、银粉含量为60％；活化剂为一切能提高烧结活性的金属或金属盐；混粉速度30转/分钟；混粉时间在5小时。

第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨和过筛。其中参数可以采用：球磨转速在120转/分钟；球磨时间在8小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在10。

第三步中，将第二步获得的复合粉体进行造粒，其中造粒工艺可以采用烧结造粒，温度550度，时间5h，气氛H₂。

第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，其中参数可以采用：成型压力8Mpa，Ag-WC-Fe-C覆层材料厚度与Cu层厚度之比为4。

第五步中，将成型后的坯体进行烧结。其中参数可以采用：烧结温度在700℃之间；烧结时间在6小时，烧结气氛为H₂气。

第六步中，将烧结获得的坯体进行复压。其中参数可以采用：复压压力在30Mpa，保压时间2秒。

第七步中，将复压后获得的坯体进行复烧，其中参数可以采用：烧结温度在750℃之间；烧结时间在4小时之间，烧结气氛为H₂气。

第八步中，将复烧后获得的坯体进行整形，其中参数可以采用：整形压力30Mpa之间，保压时间2秒之间。

第九步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

本实施例最终获得性能较好Ag-WC-Fe-C覆Cu复合电接触材料，其中，复合材料组织弥散均匀，硬度高，耐磨性好且界面结合强度较好，电阻率为3.4μΩ.cm；硬度为175HV。

实施例五

以制备Ag-WC-NiFe-C覆Cu复合电接触材料为例

第一步中，首先将碳化钨(WC)粉、羰基Ni粉与超细铁粉、石墨粉和银粉均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉。其中参数可以采用：碳化钨粉(WC)含量为12％、羰基Ni粉和超细铁粉总含量10％、石墨粉含量为3％、银粉含量为75％；活化剂为一切能提高烧结活性的金属或金属盐；混粉速度25转/分钟；混粉时间在3.5小时。

第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨和过筛。其中参数可以采用：球磨转速在80转/分钟；球磨时间在10小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在5之间。

第三步中，将第二步获得的复合粉体进行造粒，其中造粒工艺可以采用烧结造粒，温度300度，时间5h，气氛H₂。

第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，其中参数可以采用：成型压力10Mpa，Ag-WC-NiFe-C覆层材料厚度与Cu层厚度之比为3。

第六步中，将烧结获得的坯体进行复压。其中参数可以采用：复压压力在20Mpa，保压时间3秒。

第七步中，将复压后获得的坯体进行复烧，其中参数可以采用：烧结温度在600℃之间；烧结时间在4小时之间，烧结气氛为H₂气。

第九步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

本实施例最终获得性能较好Ag-WC-NiFe-C覆Cu复合电接触材料，其中，复合界面结合强度较好且材料组织弥散均匀，电阻率为2.0μΩ.cm；硬度为103HV。

如图1所示，是传统AgWC22C3覆CuNi触点，夹扁50％变形量后的照片，测试后银点开裂。如图2所示，是本发明实施例制备的AgWCNiC覆Cu触点，夹扁50％变形量后的照片，测试后银点良好。可见，本发明能够得到性能优异Ag-WC-C-X覆Cu电触头材料，该材料覆合界面结合强度高，提高了整体触点电导率。

以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并非对本发明的技术范围做任何限制，凡在本发明的精神和原则之内做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于断路器的复合电接触材料，其特征在于所述电接触材料的工作层为Ag-WC-C-X层，焊接层为Cu层，其中活化剂X为一切能活化烧结且能够与银不互溶、与铜互溶的金属及其金属盐中一种或多种，X含量不低于整个电接触材料重量的4.5％；Ag-WC-C-X层厚度与Cu层厚度之比为1/3～9之间。

2.如权利要求1所述的一种用于断路器的复合电接触材料，其特征在于，所述活化剂X重量含量为整个电接触材料重量的4.5％～15％。

3.如权利要求1或2所述的一种用于断路器的复合电接触材料，其特征在于，所述活化剂X为羰基Ni粉、超细Ni粉中一种或两种；

或者所述活化剂X为羰基Ni粉与超细Fe粉的混合粉、羰基Ni粉与超细Co粉的混合粉中一种；

或者所述活化剂X为超细Ni粉与超细Fe粉的混合粉、超细Ni粉与超细Co粉的混合粉中一种。

4.一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将碳化钨WC粉、活化剂X粉、石墨粉和银粉均匀混合，然后进行混粉，其中：活化剂X为一切能活化烧结且能够与银不互溶、与铜互溶的金属及其金属盐中一种或多种，X含量不低于混合粉体整体重量4.5％；

第二步，将第一步获得的混合粉体进行球磨；

第三步，将第二步得到的粉体进行造粒；

5.如权利要求4所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第一步中，所述混粉，其中碳化钨粉重量含量为10％～30％、活化剂粉重量含量4.5％～15％、石墨粉重量含量为1％～5％、银粉重量含量为60％～75％。

6.如权利要求4所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第一步中，所述的混粉速度在20转/分钟-35转/分钟之间；混粉时间在2-5小时之间。

7.如权利要求4所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第二步中，所述的球磨转速在30转/分钟-150转/分钟之间；球磨时间在5-15小时；球料比在2-10之间。

8.如权利要求4所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第三步中，所述造粒工艺采用烧结造粒或拌胶造粒，其中：烧结造粒温度为300℃-550℃，时间为2-5小时，烧结气氛为H₂；拌胶造粒所用拌胶量为复合粉体重量的0.5％-1％。

9.如权利要求4-8任一项所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第四步中，所述的成型压力为1～15Mpa，AgWCNiC覆层材料厚度与Cu层厚度之比为9。

10.如权利要求4-8任一项所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第五步中，所述的烧结温度在450℃-700℃之间，烧结时间在3-6小时之间，烧结气氛H₂或N₂。

11.如权利要求4-8任一项所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第五步中，所述的复压压力在10～30Mpa，保压时间在1～5秒之间。

12.如权利要求4-8任一项所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第五步中，所述的复烧温度500℃-750℃之间，烧结时间在3-6小时之间，烧结气氛为H₂或N₂。

13.如权利要求4-8任一项所述的一种用于断路器的复合电接触材料的制备方法，其特征在于，第五步中，所述的整形压力10～30Mpa之间，保压时间1～5秒之间。