CN103290349B - 一种银基金属氧化物/铜复合触头合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种银基金属氧化物/铜复合触头合金的制备方法，首先制备银基金属氧化物粉末；其次对纯铜或铜合金基体材料进行粗化处理；最后通过真空等离子沉积设备将银基金属氧化物粉末沉积于纯铜或铜合金基体表面，得到银基金属氧化物/铜复合触头合金。通过此方法，可将合金中氧化物的质量含量提高到30%，并可简化银基层合触头合金的制备工艺，同时由于是在真空设备中制备，可显著提高工作层致密度以及工作层与基体结合强度，避免合金氧化等缺点。该制备方法的应用，对提高银铜类双金属触头合金生产效率，降低制备成本，节约银资源有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于材料制造技术领域，具体涉及一种银基金属氧化物/铜复合触头合金的制备方法。
背景技术
电触头是电力、电器中通、断控制的核心元件，其性能的好坏直接影响到电气系统的整体可靠性及寿命。AgCdO触头材料由于其具有优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和较低的接触电阻，长期以来被国内外电器行业广泛使用。但由于AgCdO材料在制造和使用过程中不可避免地产生“镉毒”已逐渐被AgSnO2、AgCuO、AgZnO、AgLa2O3等其它银基金属氧化物合金所取代。
目前国内外生产银基金属氧化物触头合金的工艺主要是“内氧化法”和“粉末冶金法”，以这两种工艺生产的触头均为整体银基触头，并且均为半成品，必须进行后续大变形加工，因此氧化物含量有一定的限制，质量百分比一般不超过15%。为降低成本，减少银的消耗量，研究开发银基金属氧化物/铜复合触头材料具有非常重要的意义。
现有的制备银铜类双金属触头材料的技术存在生产工艺复杂、成本高等缺点。例如：1）专利《银基三层金属复合电接触材料》（申请号200710065631.1，公开号CN101034632，公开日2007.9.12）；2）专利《银氧化锡/铜复合电触头及其制备方法》（申请号200810059302.0，公开号CN101217074，公开日2006.07.09）；3）专利《银氧化铜/铜复合电触头材料及其制备工艺》（申请号201110006761.4，公开号CN102054598，公开日2011.05.11）。以上公开技术先采用“内氧化法”或“粉末冶金法”制备银基金属氧化物合金，再通过覆银合金焊料并钎焊连接银基金属氧化物工作层与铜基体材料，最后通过热轧得到银基金属氧化物/铜复合触头材料。其制备过程繁琐、工艺复杂，且由于焊料层也主要为银，同时由于受氧化物含量的限制，所以银资源消耗大，成本高。而4）专利《铜基表面纳米复合AgSnO2电接触合金的制备方法》（申请号200810231645.0，公开号CN101407868，公开日2009.04.15）采用大气等离子喷涂工艺制备Ag基双层复合触头合金，虽然制备工艺简单，但存在工作层与基体结合强度低，工作层致密度不高，喷涂过程中易造成合金氧化等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种银基金属氧化物/铜复合触头合金的制备方法，解决了现有制备方法中存在的生产效率低，制备成本高，制备得到的银基金属氧化物工作层致密度低及工作层与铜基体结合强度低，合金易氧化的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种银基金属氧化物/铜复合触头合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备银基金属氧化物粉末；
步骤2、对纯铜或铜合金基体材料进行粗化处理；
步骤3、采用真空等离子沉积工艺进行沉积处理，将步骤1中制得的银基金属氧化物粉末沉积于经步骤2粗化处理的纯铜或铜合金表面，制得银基金属氧化物/铜复合电触头合金。
本发明的特点还在于，
步骤1制备银基金属氧化物粉末，具体按照以下步骤实施：按质量百分比分别称取70%-95%微米级Ag粉末和5%-30%的微米级金属氧化物粉末，以上组分的质量百分比之和为100%，放入高能球磨机中球磨混粉，球磨完成后通过400℃退火1h处理得到沉积用银基金属氧化物粉末。
微米级金属氧化物粉末为SnO2、CuO、ZnO或La2O3中的一种。
球磨的磨球为不锈钢球，磨球直径分别为20mm、10mm、6mm，并按1:2:1的数量配比，球料比为6～15:1，球磨转速为400～1000r/min，球磨混粉时间为4～12h。
步骤2对纯铜或铜合金基体材料粗化处理，具体按照以下步骤实施：用丙酮清洗基体材料表面去除油污，然后用16＃棕刚玉砂对基体材料表面做喷砂粗化处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗，电热风烘干。
步骤3中采用真空等离子沉积，真空室压力为8×103Pa～20×103Pa，电弧电压为40V～80V，电弧电流为300A～650A，氩气流量为1500L/h～3500L/h，氢气流量为800L/h～2000L/h，送粉速度为30g/min～50g/min，喷涂距离为150mm～250mm。
本发明的有益效果是：
（1）银、金属氧化物粉末按一定比例配比后在高能球磨机中混粉，即使得合金的晶粒细化，又保证了银基合金成分分布的均匀性。第二相氧化物的添加量可以达到30%，而无需考虑高氧化物含量造成的银基合金加工性能差的问题，充分节约用银。
（2）采用真空等离子沉积技术直接将银基金属氧化物粉末沉积于纯铜或铜合金基体表面，省去传统制备方法中以下三个工序：其一，省去了采用“内氧化法”或“粉末冶金法”制备银基合金工作层的工序；其二，省去了采用扩散焊连接银基合金工作层与铜基材的工序；其三，省去了通过热轧加工以得到符合规定尺寸的银基金属氧化物/铜复合成品触头的工序。因而简化了生产工艺，提高了生产效率，降低了制备成本。
（3）在真空设备中制备，可使银基金属氧化物工作层致密度、工作层与铜基体结合强度以及粉末沉积率显著提高，同时避免了合金氧化等缺点。
附图说明
图1是本发明的实施例1制得的AgSnO2/Cu复合触头合金横截面处的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明银基金属氧化物/铜复合触头合金的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、制备银基金属氧化物粉末；
具体按照以下步骤实施：按质量百分比分别称取70%-95%微米级Ag粉末和5%-30%的微米级金属氧化物粉末，以上组分的质量百分比之和为100%，其中，微米级金属氧化物粉末为SnO2、CuO、ZnO或La2O3中的一种，放入高能球磨机中球磨混粉，球磨完成后通过400℃退火1h处理得到沉积用银基金属氧化物粉末，其中球磨的磨球为不锈钢球，磨球直径分别为20mm、10mm、6mm，并按1:2:1的数量配比，球料比为6～15:1，球磨转速为400～1000r/min，球磨混粉时间为4～12h；
步骤2、对纯铜或铜合金基体材料进行粗化处理；
具体按照以下步骤实施：用丙酮清洗基体材料表面去除油污，然后用16＃棕刚玉砂对基体材料表面做喷砂粗化处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗，电热风烘干；
步骤3、采用真空等离子沉积工艺进行沉积处理，将步骤1中制得的银基金属氧化物粉末沉积于经步骤2粗化处理的纯铜或铜合金表面，制得银基金属氧化物/铜复合电触头合金，其中，真空等离子沉积的条件是，真空室压力为8×103Pa～20×103Pa，电弧电压为40V～80V，电弧电流为300A～650A，氩气流量为1500L/h～3500L/h，氢气流量为800L/h～2000L/h，送粉速度30g/min～50g/min，喷涂距离150mm～250mm。
实施例1
将200目的Ag粉和SnO2粉按重量比：70:30的比例放入高能球磨机中混粉，球磨参数为：磨球为不锈钢球，磨球直径分别为20mm、10mm、6mm，并按1:2:1的数量配比，球料比15:1，球磨转速1000r/min，球磨时间12h，球磨完成后通过400℃退火1h处理得到沉积用AgSnO2粉末；用丙酮清洗纯铜基材表面以去除油污，然后用16＃棕刚玉砂对基材表面做喷砂粗化处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、电热风烘干；采用真空等离子沉积工艺，工艺参数为：真空室压力2×104Pa、电弧电压80V、电弧电流650A、氩气流量为3500L/h、氢气流量为2000L/h、送粉速度30g/min、喷涂距离150mm，制得AgSnO2/Cu复合触头合金。该触头合金横截面处的扫描电镜形貌如图1所示，从图中可以看出，AgSnO2工作层的致密度高，同时可以看到AgSnO2粉末撞击到经喷砂粗化处理的铜基体表面时，在凹凸不平的表面上嵌合，形成“机械锚钉”界面，使AgSnO2工作层在受外力作用下不易脱落。
实施例2
将200目的Ag粉和CuO粉按重量比为85:15的比例放入高能球磨机中混粉，球磨参数为：磨球为不锈钢球，磨球直径分别为20mm、10mm、6mm，并按1:2:1的数量配比，球料比10:1，球磨转速800r/min，球磨时间6h，球磨完成后通过400℃退火1h处理得到沉积用AgCuO粉末；用丙酮清洗纯铜基材表面以去除油污，然后用16＃棕刚玉砂对基材表面做喷砂粗化处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、电热风烘干；采用真空等离子沉积工艺，工艺参数为：真空室压力12×103Pa、电弧电压55V、电弧电流400A、氩气流量为2000L/h、氢气流量为1200L/h、送粉速度50g/min、喷涂距离150mm，制得AgCuO/Cu复合触头合金。
实施例3
将200目的Ag粉和ZnO粉按重量比为95:5的比例放入高能球磨机中混粉，球磨参数为：磨球为不锈钢球，磨球直径分别为20mm、10mm、6mm，并按1:2:1的数量配比，球料比6:1，球磨转速400r/min，球磨时间4h，球磨完成后通过400℃退火1h处理得到沉积用AgZnO粉末；用丙酮清洗纯铜基材表面以去除油污，然后用16＃棕刚玉砂对基材表面做喷砂粗化处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、电热风烘干；采用真空等离子沉积工艺，工艺参数为：真空室压力8×103Pa、电弧电压40V、电弧电流300A、氩气流量为1500L/h、氢气流量为800L/h、送粉速度50g/min、喷涂距离250mm，制得AgZnO/Cu复合触头合金。
本发明采用真空等离子沉积技术将银基金属氧化物粉末直接沉积于纯铜或铜合金基体表面，以制备银基金属氧化物/铜复合触头合金。与传统的制备技术相比，其优势在于：
（1）省去了传统制备技术中先采用“内氧化法”或“粉末冶金法”制备银基合金的工序。
（2）省去了传统制备技术中采用扩散焊连接银基合金工作层与铜基材的工序。
（3）省去了传统制备技术中通过热轧加工以得到符合规定尺寸的银基金属氧化物/铜复合成品触头的工序。
（4）由于不需大变形加工处理，所制备的银基金属氧化物/铜复合触头合金中第二相氧化物的添加量可达30%。
而与普通的大气等离子喷涂相比，其优势在于：
（1）在一定的真空度下沉积，真空使得粉末粒子和气流具有很高的速度，因而得到的银基金属氧化物工作层更为致密，粉末沉积率也会得到显著提高。
（2）在真空室中可有效提高铜基体的预热温度，有利于铜基体与银基金属氧化物工作层之间的相互扩散和减小内应力，提高涂层与基体的结合强度。
（3）消除了氧化及其它污染。
采用真空等离子沉积技术制备银基金属氧化物/铜复合触头合金，其关键工艺在于：
（1）混粉工艺参数的控制，包括球料比、球磨机转速、球磨时间的控制。若球料比过低、球磨机转速过小、球磨时间过短，会造成银基合金成分分布不均匀，合金晶粒粗化。反之，易造成磨球损耗过大而导致粉末污染。
（2）沉积工艺参数的控制，包括真空室压力、电弧电压、电弧电流、氩气流量、氢气流量的控制。真空室压力的大小反应了真空室内真空度的高低，真空室压力过大即真空度过低，不但导致粉末粒子和气流的速度达不到要求，所得银基金属氧化物工作层致密度低，还将导致粉末氧化。反之，真空度要求过高，不仅增加了设备成本，而且降低了制备效率。电弧电压、电弧电流、氩气流量、氢气流量是影响等离子弧功率的关键因素，等离子弧功率过高将导致粉末烧蚀，而功率过低导致粉末熔化不充分，所得银基金属氧化物工作层致密度低。
Claims (1)
1.一种银基金属氧化物/铜复合触头合金的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
将200目的Ag粉和CuO粉按重量比为85:15的比例放入高能球磨机中混粉，球磨参数为：磨球为不锈钢球，磨球直径分别为20mm、10mm、6mm，并按1:2:1的数量配比，球料比10:1，球磨转速800r/min，球磨时间6h，球磨完成后通过400℃退火1h处理得到沉积用AgCuO粉末；用丙酮清洗纯铜基材表面以去除油污，然后用16#棕刚玉砂对基材表面做喷砂粗化处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、电热风烘干；采用真空等离子沉积工艺，工艺参数为：真空室压力12×103Pa、电弧电压55V、电弧电流400A、氩气流量为2000L/h、氢气流量为1200L/h、送粉速度50g/min、喷涂距离150mm，制得AgCuO/Cu复合触头合金；
或者，具体按照以下步骤实施：
将200目的Ag粉和ZnO粉按重量比为95:5的比例放入高能球磨机中混粉，球磨参数为：磨球为不锈钢球，磨球直径分别为20mm、10mm、6mm，并按1:2:1的数量配比，球料比6:1，球磨转速400r/min，球磨时间4h，球磨完成后通过400℃退火1h处理得到沉积用AgZnO粉末；用丙酮清洗纯铜基材表面以去除油污，然后用16#棕刚玉砂对基材表面做喷砂粗化处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、电热风烘干；采用真空等离子沉积工艺，工艺参数为：真空室压力8×103Pa、电弧电压40V、电弧电流300A、氩气流量为1500L/h、氢气流量为800L/h、送粉速度50g/min、喷涂距离250mm，制得AgZnO/Cu复合触头合金。
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