CN104480335B - 一种银钨触头材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种银钨触头材料的制备方法。该方法是将银粉和钨粉混合，所得银钨混合粉末与高纯镍球和水置于球磨机中进行球磨，所得球磨后的银钨混合粉末经干燥、退火、成型、熔渗处理，即得；其中：所述高纯镍球与银钨混合粉末的重量比为4～10：1；所述水的用量按每1kg银钨混合粉末加入120～200ml水计算；所述球磨的时间为12～50h。本发明将银钨混合粉末与高纯镍球和水按特定配比置于球磨机中进行球磨特定时间，既使银粉和钨粉的混合更为均匀；又实现球磨和加入添加物镍同时进行；还使由高纯镍球上因球磨损耗的镍可以均匀地覆着到钨颗粒的表面，以达到有效改善银对钨的湿润性的目的；所得材料组织均匀，致密度高、电阻率低。
Description
技术领域
本发明涉及一种银钨触头材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术
由于钨的熔点高，耐电腐蚀性强，而银具有优良的导电导热性能，银钨材料兼具有良好的耐电腐蚀性及导电导热性，因而银钨触头材料被广泛地应用于低压塑壳断路器、框架式断路器上。触头起接通、承载和分断电流的作用，是断路器的心脏部件，其性能在很大程度上决定了断路器的性能及其运行的可靠性。因此断路器对触头有着苛刻的要求，要求具有：①良好的抗电弧烧损能力，②高的抗熔焊能力，③长的机械寿命，④良好的导电导热性能。对于银钨触头材料，要符合断路器的要求，应达到如下要求：①钨颗粒细小并均匀地分布于银基体上，②触头致密度高，③触头材料的电阻率低。
目前，银钨触头材料制造工艺有混粉烧结法和熔渗法，混粉烧结法的工艺流程是：钨粉、银粉→混合→成型→烧结→复压，所制得的触头钨颗粒分布不均匀，易分层，致密度低，不能满足断路器的使用要求；熔渗法的主要步骤是在银熔点以上的温度下将银液体渗入银钨压坯内，所制得的银钨触头致密度高，因此银钨触头通常采用熔渗法来制造；但由于银对钨的湿润性较差，采用熔渗法工艺制造时需要添加微量金属元素，如镍、钴、铁，来改善银对钨的湿润性，才能使银液体渗入银钨压坯内，以获得致密的触头。现有熔渗法常见的工艺流程为：钨粉、银粉、添加微量的金属元素→混合→成型→熔渗→整形→成品，由于添加的金属元素是微量的，它们难于分散均匀且不能有效地覆盖在钨颗粒表面，致使银对钨的湿润性得不到有效的改善，渗入的银液体不足以充满银钨压坯，因而导致触头致密度不够理想，金相组织不够均匀，触头抗电弧烧损能力低。
为了解决上述问题，通常采用化学反应的方式来制造银钨混合粉末，然后再成型和熔渗，这样就可以获得致密度高、组织均匀的银钨触头。如公开号为CN102392170A的发明专利公开了一种制造银钨复合触头材料的加工方法，该方法是将钨粉置于反应器皿中加水及适量的还原剂(水合肼或甲醛)后，在搅拌情况下喷入银氨络合溶液，反应生成银钨包覆粉，清洗干净的银钨包覆粉经过高能球磨处理和去应力处理后初压成型，然后在还原性保护气氛下经预烧结、熔渗烧结、复压成银钨复合材料。但这种处理方式存在以下几个问题：首先，制备过程中采用有毒化学物质，不仅对生产操作人员的健康有影响，还存在环境污染的问题，不利于社会的可持续发展；其次，通过化学反应制得银钨粉末后需要用纯净水来清洗，在这过程中产生了大量的废水，存在污水处理和环境污染的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种银钨触头材料的制备方法。该方法工艺简单、环保，且所得的银钨触头金相组织均匀，致密度高，电性能较好。
本发明所述的银钨触头材料的制备方法，是将银粉和钨粉混合，所得银钨混合粉末与高纯镍球和水置于球磨机中进行球磨，所得球磨后的银钨混合粉末经干燥、退火、成型、熔渗处理，得到银钨触头材料；其中：
所述高纯镍球与银钨混合粉末的重量比为4～10：1；
所述水的用量按每1kg银钨混合粉末加入120～200ml水计算；
所述球磨的时间为12～50h。
本发明将银钨混合粉末与高纯镍球和水按特定配比置于球磨机中进行球磨特定时间，一方面，通过球磨，银粉和钨粉的混合更为均匀；另一方面，球磨过程中，由高纯镍球上因球磨损耗的镍可以作为添加物直接添加到银钨混合粉中，实现球磨和加入添加物同时进行，而且申请人经过大量实验验证发现，当球磨时间限定在上述范围内时，所得触头材料中的镍恰好占银钨混合粉末总重量的0.1～1.0％；再一方面，因钨颗粒的硬度比高纯镍球高得多，钨粉与镍球得到充分的接触和研磨，由高纯镍球上因球磨损耗的镍可以均匀地覆着到钨颗粒的表面，从而达到有效改善银对钨的湿润性的目的；因此，采用本发明所述方法可以制造得到具有钨颗粒细小且均匀地分布于银基体上的组织结构的银钨触头材料，且触头材料的致密度高、电阻率低，整个制造过程不使用有毒化学物质且未产生任何废水及其它废弃物。
上述技术方案中，所述的高纯镍球为高纯度的镍球，为了尽量少地引入杂质，优选是采用镍含量≥99.9％的镍球。通常情况下，采用直径为φ6～φ30mm的高纯镍球。
上述技术方案中，所述银粉和钨粉的用量及配比可根据要制备的银钨触头材料来计算，通常情况下，钨粉和银粉的重量比为96～50：4～50。
上述技术方案中，所述钨粉和银粉的粒度与现有技术相同，在本发明中，优选采用所述平均粒度为1～10μm的钨粉，优选采用粒度为-200目的银粉，更优选采用-100～-200目的银粉。
上述技术方案中，通常是将银粉和钨粉置于V型或双锥混料器中混合，混合的时间通常为2～3h。
上述技术方案中，对球磨后的银钨混合粉末进行干燥、退火、成型和熔渗处理的工艺与现有技术相同，在本发明中，所述干燥、退火、成型和熔渗处理的工艺参数优选为：
干燥是将球磨后的银钨混合粉末置于80～150℃条件下烘干2～4h；
退火是将干燥后的银钨混合粉末置于氢气或氨分解气气氛下、温度为700～850℃的条件下，保温1～3h；
成型是将退火后的银钨混合粉末置于钢模中压制成压坯，成型压力为2～4T/cm2；
熔渗是将压坯置于氢气或氨分解气气氛下、温度1040～1150℃的条件下，保温10～50min。
与现有技术相比，本发明的特点在于：
1、本发明将银钨混合粉末与高纯镍球和水按特定配比置于球磨机中进行球磨特定时间，一方面，通过球磨，银粉和钨粉的混合更为均匀；另一方面，球磨过程中，由高纯镍球上因球磨损耗的镍可以作为添加物直接添加到银钨混合粉中，实现球磨和加入添加物同时进行，而且申请人经过大量实验验证发现，当球磨时间限定在上述范围内时，所得触头材料中的镍恰好占银钨混合粉末总重量的0.1～1.0％；再一方面，因钨颗粒的硬度比高纯镍球高得多，钨粉与镍球得到充分的接触和研磨，由高纯镍球上因球磨损耗的镍可以均匀地覆着到钨颗粒的表面，从而达到有效改善银对钨的湿润性的目的；因此，采用本发明所述方法可以制造得到钨颗粒细小且均匀地分布于银基体上组织结构的银钨触头材料，且触头材料的致密度高、硬度高且电阻率低。
2、本发明与现有混粉烧结法相比，所得触头材料的金相组织更均匀，致密度和硬度更高，抗电弧烧损能力也更高。
3、本发明与现有熔渗法相比，所得触头材料的金相组织更均匀，致密度和硬度更高，抗电弧烧损能力也更高，且电阻率低。
4、本发明与采用化学反应的方式制造银钨混合粉末结合熔渗制造银钨触头的方法相比，整个制造过程不使用有毒化学物质且未产生任何废水及其它废弃物，而且工艺更为简单。
附图说明
图1为本发明实施例3制备得到的触头材料的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
选取平均粒度1μm的钨粉和-200目的银粉，按钨：银＝50:50的重量比称取总重为20kg的银钨粉末，将粉末放入30升的V型混料器混合2.5小时，将混合后的银钨粉末、200kg的φ30mm的高纯镍球(镍含量为99.99％)、4000ml去离子水一起放入100升的滚筒球磨机内进行球磨(转速为45转/分)，球磨时间为50小时，取出粉料于150℃下烘干2小时，将烘干的粉末置于氢气气氛中850℃下退火3小时(经检测，所得粉末材料中的镍含量为0.96％)，用2T/cm2的压力在钢模中将退火后的粉末压成压坯，按银片在下压坯在上的结构将压坯和银片置于石墨舟中，在氢气气氛中1040℃下熔渗10分钟，取出，得到银钨40触头材料。
实施例2：
选取平均粒度9μm的钨粉和-100目的银粉，按钨：银＝96:4的重量比称取总重为20kg的银钨粉末，将粉末放入30升V型混料器混合2小时，将混合后的银钨粉末、80kg的φ6～φ30mm组合(重量比为φ6mm：φ10mm：φ20mm：φ30mm＝3:5:1:1)的高纯镍球(镍含量为99.9％)、2400ml去离子水一起放入50升的滚筒球磨机内进行球磨(转速为50转/分)，球磨时间12小时，取出粉料于80℃下烘干4小时，将烘干的粉末置于氨分解气气氛中700℃下退火1小时(经检测，所得粉末材料中的镍含量为0.15％)，用4T/cm2的压力在钢模中将退火后的粉末压成压坯，按银片在下压坯在上的结构将压坯和银片置于石墨舟中，在氨分解气气氛中1150℃下熔渗50分钟，由此可制得银钨75触头。
实施例3：
选取平均粒度2μm的钨粉和-200目的银粉，按钨：银＝70:30的重量比称取总重为20kg的银钨粉末，将粉末放入30升V型混料器混合3小时，将混合后的银钨粉末、120kg的φ20mm的高纯镍球(镍含量为99.9％)、3000ml去离子水一起放入100升的滚筒球磨机内进行球磨(转速为45转/分)，球磨时间30小时，取出粉料于100℃下烘干2小时，将烘干的粉末置于氨分解气气氛中800℃下退火2小时(经检测，所得粉末材料中的镍含量为0.60％)，用2.5T/cm2的压力在钢模中将退火后的粉末压成压坯，按银片在下压坯在上的结构将压坯和银片置于石墨舟中，在氢气气氛中1100℃下熔渗20分钟，由此可制得银钨50触头，所得触头材料的金相组织图如图1所示。所制得的银钨50触头可以满足系列框架断路器的使用要求，如：应用于额定电压400V、电流3200A的智能型框架断路器上，额定极限、运行短路分断能力达100kA。
实施例4
选取平均粒度5μm的钨粉和-120目的银粉，按钨：银＝85:15的重量比称取总重为20kg的银钨粉末，将粉末放入30升V型混料器混合2小时，将混合后的银钨粉末、160kg的φ10mm的高纯镍球(镍含量为99.9％)、3600ml去离子水一起放入100升的滚筒球磨机内进行球磨(转速为45转/分)，球磨时间20小时，取出粉料于100℃下烘干2小时，将烘干的粉末置于氨分解气气氛中850℃下退火3小时(经检测，所得粉末材料中的镍含量为0.35％)，用3.5T/cm2的压力在钢模中将退火后的粉末压成压坯，按银片在下压坯在上的结构将压坯和银片置于石墨舟中，在氢气气氛中1150℃下熔渗30分钟，由此可制得银钨65触头。
将实施例1～4制得的触头材料以及按CN102392170A公开的技术制得的触材料进行性能检测，并与现有常规熔渗法制得的银钨50触头产品进行比较，结果如下述表1所示：
表1：
Claims (5)
1.一种银钨触头材料的制备方法，其特征在于：将银粉和钨粉混合，所得银钨混合粉末与高纯镍球和水置于球磨机中进行球磨，所得球磨后的银钨混合粉末经干燥、退火、成型、熔渗处理，得到银钨触头材料；其中：
所述高纯镍球与银钨混合粉末的重量比为4～10：1；
所述水的用量按每1kg银钨混合粉末加入120～200ml水计算；
所述球磨的时间为12～50h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高纯镍球的镍含量≥99.9％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述钨粉和银粉重量比为96～50：4～50。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述钨粉的平均粒度为1～10μm。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述银粉的粒度为-100～-200目。
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