CN1047460C - 银基电接点材料 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种银基电接点材料，它在银基质内均匀地含有分散的镍，氧化镍，和至少选自V，Mn，Cr，Ti，Co，和WC的一种添加剂颗粒，该接点材料基本上含有1.3-24.8重量%镍，0.2-4.7重量%氧化镍，0.05-3重量%添加剂，和平衡量的银。这种材料经过向银-镍-氧化镍接点材料中加入金属和金属炭化物使其具有优良的耐磨性和焊接电阻。

Description

银基电接点材料
本发明涉及一种用于电接点的银基材料。
用于电器，如继电器和磁性开关，以及断路器的接点材料(CONTACT MATERIAL)常常是银，包括添加剂做的，以改善其接触性，即，耐磨性，焊接电阻以及接点电阻(CONTACT RESIS-TANCE)。
典型的银添加剂是金属氧化物。特别是，Ag-CdO接点材料具有低接点电阻，优良焊接电阻(WELDING RESISTANCE)，耐磨性；然而，因为它含有高毒性金属Cd，所以污染环境。另一些加入银中的金属氧化物为氧化锌(SnO2)。Ag-SnO2接点材料具有绝佳的焊接电阻和耐磨性。但是，不幸的是，这种接点材料具有高接点电阻。
有人曾建议将钨W加入银以代替这些金属氧化物。结果是Ag-W接点材料具有优良的焊接电阻，但不幸的是其耐磨性不佳，具有高接点电阻。然而，已知银中加镍改善银基接点材料的导电性以及在把接点材料加工成接触线或铆接物的加工能力。而问题是银-镍接点材料焊接电阻比银-金属氧化物接点材料的焊接电阻要来的差。因此，为了改进银-镍接点材料的焊接电阻，曾将各种添加剂分别或多种混合加入银-镍接点材料。
以下列出的文献披露这些添加剂。
现有技术文献目录
1．US5,198,015；
2．US4,834,939；
3．US4,874,430；
4．JP特许公开4-107232；
5．JP特许公开59-159951；
6．JP特许公开59-153852；
7．JP特许公开59-6342；
8．JP特许公开58-126607。
文献1描述一种银-镍接点材料，其中完全从镍的亚微粒和微粒中分离出的，NiO亚微粒分散在银基质中。同镍微粒结合的，NiO微粒降低接点材料表面的高浓度的电弧，导致改进银-镍接点材料的焊接电阻。
文献2和3描述一种含有Ni和CdO的银基电接点材料用连续的NiO固定层包裹镍颗粒目的是防止Ni和CdO的反应，以延长接点材料的的寿命。
文献4披露为改进材料的焊接电阻而不干扰其耐磨性，在银-镍接点材料中加入平均直径为1μm的WC(TUNGSTEN CARBIDE)的作用。
文献5解释将至少选自Ti,Ta,Zr,Cr中2种加入银-镍接点材料中的作用。这些金属颗粒能有效地防止因在接触时产生的电弧放电引起的接点材料的焊接。
文献6和7公开将至少Ti,W，和Mo之一种加入银-镍接点材料中的效果。在这种情况下，把加入的金属混入接点材料，从而增强焊接电阻。
文献8公开将至少将Cr,W，和Mo之一种加入银-镍接点材料中的效果。虽然在这种情况下，对银-镍接点材料的焊接电阻无直接的改进，但是使用加入的金属降低银-镍接点材料的接点电阻，并不影响其焊接电阻。
不管这些作用如何，所有上述的银-镍接点材料都比那些Ag-CdO和Ag-SnO2接点材料的焊接电阻和耐磨性差。
但是，在银-镍接点材料中，似乎银-镍-氧化镍接点材料的焊接电阻同Ag-CdO的一样好，不太成功地是这种材料的焊接电阻与Ag-SnO2相比较弱。因此，需要改进银-镍-氧化镍的接点材料的焊接电阻，以获得一种优质的银基接点材料。
针对前述不足，本发明的目的在于提供一种优质的银基电接点材料，它具有良好的耐磨性，优良的焊接电阻和低接点电阻。
本发明涉及一种优质银基电接点材料，基本上由如下成份组成：(ⅰ)1.3-24.8重量％Ni；(ⅱ)0.2-4.7重量％NiO；(ⅲ)0.05-3重量％至少一种选自V,Mn,Cr,Ta,Co，和WC的添加剂；和(ⅳ)平衡量的Ag。
要制备上述的接点材料，首先在约1650℃下，熔化银和镍的混合物，制成一种含有1-5重量％镍的融熔银镍液体，然后用水-雾化法快速冷却融熔液制得Ag-Ni合金粉。这一工艺后，银-镍合金粉具有一种显微结构，即亚粒子镍被分散到含氧的银基质中。文献1,US5,198,015详细地描述这种银-镍合金粉的方法。
其次，将均匀分散在银基中的，含有亚微粒镍颗粒的，所得到的银-镍合粉与羰基镍粉和添加剂粉末混合，而使之装入一柱状体，随后再烧结。在烧结过程中，银-镍合金粉中的有些亚微镍颗粒(SUBMICRON NI PARTICLE)与氧反应，并被氧化成亚微粒氧化镍颗粒；在混合后的粉和微粒添加颗粒中烧结羰基镍粉生成的镍微粒也分散在银基质内。
再次，用热挤出，成模，拉线进一步加工得到的烧结产物，形成相当小横截面的线。
最后，将所述的线切成适当的长度，锻成铆入形的接触物。
镍和氧化镍被用做加强银基接触物的接触性质。特别是，镍微粒改善了耐磨性，并能良好的粘合银基质；镍亚微粒改善焊接电阻；氧化镍亚微粒改善焊接电阻，稳定接点电阻和抗电弧性能。
本发明中，优选的镍微粒的平均直径为1-20μm，优选的镍亚微粒的平均直径为1μm或更小，优选的氧化镍微粒的平均直径为1μm或更小，优选的添加剂颗粒的平均直径为10μm或更小。
本发明的新颖性在于将(ⅲ)加入由(ⅰ),(ⅱ)和(ⅳ)构成的接点材料中；其成分加入量和颗粒直径是基本参数，以进一步改进银接点材料的耐磨性和焊接电阻。本发明的接点材料与Ag-SnO2接点材料相比改善了焊接电阻，并具有良好的耐磨性。
本发明之银基电接点材料经混合含有镍的银-镍合金粉，羰基镍，和至少选自V,Mn,Cr,Ti,Co，和WC的一种添加剂制成，得到的接点材料基本上含有1.3-24.8重量％镍，0.2-4.7重量％氧化镍，0.05-3重量％添加剂，和平衡量的银。
要制备所述的银-镍合金粉，首先在约1650℃下，熔化银和镍的混合物，制成一种含有1-5重量％镍的融熔液体，然后用水-雾化法快速冷却融熔液，文献1,US5,198,015详细地描述这种银-镍合金粉的方法。
将得到的均匀分散在含氧的银基中的含镍颗粒的银-镍合金粉与羰基镍粉和添加剂粉末混合，而使之装入一柱状体(CY-LINDRICAL BILLET)，随后再烧结。用热挤出，成模，拉线进一步加工得到的烧结产物，形成相当小横截面的线。最后，将所述的线切成适当的长度，锻成铆入形的接触物。
为了均匀地将其与羰基镍，和至少选自V,Mn,Cr,Ti,Co，和WC的一种添加剂混合，制成的银-镍合金粉的平均粒径小于45μm，优选为20μm或更小。有可能采用两种以上的上述的添加剂粉末。也可以沉淀平均粒径小于1μm，优选为0.2-1μm的镍亚微粒来制备银-镍合金粉。由于融熔的液体含有1-5重量％的镍，这样似乎无粒径大于10μm的粗颗粒的镍，这种颗粒会破坏烧结效果，成形性，甚至假如镍粒同银-镍合金粉搀合，会降低接点材料的焊接电阻。进而，因为不超过5重量％的镍能全部溶解形成融熔液体，所以希望全部沉淀出做为亚微粒镍的镍。
应当注意的是在水-雾化法过程中，银-镍合金粉含有来自高亚水的氧，在随后的烧结工艺中，氧会氧化镍粒生成氧化镍粒。银-镍合金粉的氧含量应当在0.05-1重量％的范围，从而生成所需量的氧化镍颗粒。即有0.2-4.7％(重量)分散在银基质中。
银-镍合金粉同平均粒径为10μm的羰基镍粉以及平均粒径为1μm的添加剂颗粒混合。混合后的粉末被压形进入一个柱形体。在850℃，真空烧结该柱形体两小时，420℃热压两次，目的是要获得烧结体，800℃预热，420℃热挤出，成形制线。烧结后，除了亚微镍粒和亚微氧化镍粒(氧化亚微镍粒制得的)外，镍微粒和添加剂微粒分散在银基中，加强基质片，在银基质片中，也有非常少量的镍亚微粒。
优选的镍微粒的平均粒径为1-20μm，最佳为3-10μm，而镍亚微粒的平均粒径为1μm或更小。如果镍微粒的粒径大于20μm，结果会降低焊接电阻和烧结能力。优选的氧化镍的平均粒径为1μm或更小，以改善耐磨性。均匀分布在银基质中的，优选的添加剂的平均粒径为10μm或更小。
按照红外吸收法很容易测得的氧平衡浓度，可以计算出上述的氧化镍的数量。
优选的镍含量为1.3-24.8％(重量)。假如镍含量少于1.3％(重量)，则对所述的接点材料的焊接电阻无改进作用。假如含量超过24.8％(重量)，那就很难保持该接点材料的良好的接点电阻。优选的氧化镍的含量为0.2-4.7％(重量)。假如氧化镍的含量小于0.2％(重量)，那末，对接点材料的耐磨性和焊接电阻改进的很小。假如其含量大于4.7％(重量)，则大大地降低接点材料的工作性能。优选的添加剂的含量为0.05-3％(重量)。假如其含量小于0.05％(重量)，对焊接电阻和耐磨性都没有改进。假如其含量大于3％(重量)，显著地降低焊接电阻和耐磨性。
本发明的接点材料含有镍粒，非导电的，比镍粒熔点高的氧化镍粒，以及选出的添加剂颗粒，这种添加剂颗粒的熔点高，银基中导电。关于Ag-Ni-NiO接点材料添加剂的加入具有以下作用：(1)保持该接点材料的导电性，(2)增强银基质，不干扰导电性，和(3)改善由于低导电性，由温度增加引起的焊接电阻和耐磨性。
因此，混入添加剂的目的是比Ag-Ni-NiO接点材料更加有效地增强银基质的焊接电阻和耐磨。特别是，因为银基中有添加剂，所以减少了每次断路操作，即开关操作，的磨耗量；结果，改善了银基接点材料的耐磨性。然而，由于添加剂的熔点高，添加剂中的接点材料能抗由于接触的断路产生的高能电弧。因此，添加剂的存在更加有效地增加了接点材料的抗电弧性能。
按照ASTM(AMERICAN SOCIETY FOR TESTING ANDMATERIALS)检测线形成的铆形(RIVET-SHAPE)的接触物的焊接电阻和耐磨性。100V断路，进行ASTM试验。断路50,000次，每次断路的时间为1秒。除了这些接触特性之外，经烧结体用线来制造铆接物的工作性能也是接点材料一个重要的性质。
实施例1
在高频感应炉中，约1650℃熔化银和镍；用水-雾化法雾化熔化的银-镍液体，其中用高压水喷枪喷向熔化的液体，以固化所述的液体，形成银-镍合金粉。这种合金粉含有3.2％(重量)镍。用扫描电镜分析这种合金粉中的镍的颗粒分布。用X线衍射分析证实银和镍的存在。用燃烧红外吸收法分析合金粉的氧含量。
然后，将平均粒径为10μm的羰基镍和矾(V)粉，平均粒径为1μm的添加剂与上述的Ag-Ni合金粉混合。
把银-镍合金粉压实，装入柱形体；850℃真空烧结2个小时，然后，420℃在柱形体的轴向热压两次，以得到一烧结体。用X线衍射分析证烧结体中氧化镍的存在；将一些镍亚微粒化学氧化成氧化镍亚微粒。
800℃预热烧结体，420℃热挤出成直径为8毫米的线。切断该线，进一步拉线至其直达到2毫米。
用燃烧红外吸收法测定本发明接点材料线(2毫米)中0.2％重量的氧含量，从这一氧含量中，计算出氧化镍的含量为1％(重量)。镍粒的含量为9％(重量)，全镍量，即包括镍粒和氧化镍中的镍的总合，为9.8％(重量),V含量为1％(重量)，其余为银。
将Ag-Ni-NiO-V线加工成有帽的用作样品的铆接物，用于测定接点材料的接触性；焊接电阻和耐磨性。于上述的断通情况下以ASTM法测试这些接触性能。列于表Ⅰ中的接触磨耗(CONTACT WEAR)和接触接合(CONTACT WELDING)以12个样品铆接物的平均试验值来解释。
实施例2
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-Mn接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的锰粉(Mn)代替V粉。该材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,1％重量的Mn，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物(RIVET TEST CONTACTS)。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例3
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-Cr接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的铬粉(Cr)。该材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,1％重量的Cr，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物(RIVET TEST CONTACTS)。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例4
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-Ta接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的铊粉(Ta)。该材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,1％重量的Ta，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物(RIVET TEST CONTACTS)。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例5
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-Ti接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的Ti粉(Ti)。该材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,1％重量的Ti，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物(RIVET TEST CONTACTS)。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例6
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-Co接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的Co粉。该材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,1％重量的Co，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物(RIVET TEST CONTACTS)。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例7,8,9
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-WC接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的WC(tungsten carbide)粉。以该材料制造铆接试验接触物(RIVET TEST CONTACTS)。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例7的第一个接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,0.1％重量的WC，和平衡量的Ag；实施例8的第二个接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,1％重量的WC，和平衡量的Ag；实施例9的第三个接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,3％重量的WC，和平衡量的Ag。
实施例10
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-WC-Ta接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的WC(tungsten carbide)粉和Ta粉。该接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,0.5％重量的WC,0.5％重量的Ta，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物(RIVET TEST CONTACTS)。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例11
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-WC-Ti接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的WC粉和Ti粉。该接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,0.5％重量的WC,0.5％重量的Ti，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
实施例12
用实施1相同的方法制备Ag-Ni-NiO-Ti-V接点材料，不同的是加入平均粒径为1μm的V粉和Ti粉。该接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,0.5％重量的Ti,0.5％重量的V，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
比较例1
用实施例7,8，和9相同的方法制成的Ag-Ni-NiO-WC接点材料制造铆接试验物，不同的是加入大量的平均粒径为1μm的WC粉。该接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO,5％重量的WC，和平衡量的Ag。以该材料制造铆接试验接触物。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
结果是大量的WC对接点材料的耐磨性有不利作用。
比较例2
用实施例1相同的方法制成的Ag-Ni-NiO接点材料，现有的接点材料制造铆接试验物，不同的是不加入任何添加物。该接点材料含9％重量的Ni,1％重量的NiO，和平衡量的Ag。在上述的断通条件下，按ASTM试验检测试验物的接触性能。
所有实施例1-9中制成的接点材料与比较例2中的现有接点材料相比具有优良的耐磨和焊接电阻。比较例1的接点材料由于大量的WC的原故，对其耐磨性有不利作用，确示出优良的焊接电阻。
                                表1
    成份(重量％) 全镍量(重量％) 氧合量(重量％) 接触接合量(数量) 接触磨耗(毫克)
镍 氧化镍 添加剂 银
实施例1  9     1     1(V) 平衡量     9.8     0.2  1.3  3.8
实施例2  9     1     1(Mn) 平衡量     9.8     0.2  1.3  2.4
实施例3  9     1     1(Cr) 平衡量     9.8     0.2  4.3  3.9
实施例4  9     1     1(Ta) 平衡量     9.8     0.2  1.3  2.5
实施例5  9     1     1(Ti) 平衡量     9.8     0.2  4.3  1.6
实施例6  9     1     1(Co) 平衡量     9.8     0.2  3.3  2.1
实施例7  9     1   0.1(WC) 平衡量     9.8     0.2   0  2.7
实施例8  9     1     1(WC) 平衡量     9.8     0.2   0  3.4
实施例9  9     1     3(WC) 平衡量     9.8     0.2   0  4.2
实施例10  9     1   0.5(WC)0.5(Ta) 平衡量     9.8     0.2   0  2.8
实施例11  9     1   0.5(WC)0.5(Ti) 平衡量     9.8     0.2  2.5  2.1
实施例12  9     1   0.5(Ti)0.5(V) 平衡量     9.8     0.2  1.1  2.0
比较例1  9     1     5(WC) 平衡量     9.8     0.2   0  9.9
比较例2  9     1 平衡量     9.8     0.2  5.6  5.2

Claims (2)

1．一种银基电接点材料，其特征在于基本上由以下成分组成：
    a)1.3-24.8％(重量)镍，
    b)0.2-4.7％(重量)氧化镍，
    c)0.05-3％(重量)至少一种选自V,Mn,Cr,Ta,Co,
      和WC的添加剂，
    d)平衡量的Ag；和所述的镍基本上是纯镍颗粒，所述的氧化镍基本上是纯氧化镍颗粒，以及所述的添加剂基本上是纯添加剂颗粒，所有所述的颗粒被分散在银基质中以增强所述的接触材料。
2．如权利要求1所述的银基电接点材料，其特征在于所述的镍颗粒包括平均粒径为1-20μm的微粒和平均粒径为1μm或更小的亚微粒，所述的氧化镍颗粒是平均粒径为1μm或更小的亚微粒，以及所述的添加剂是平均粒径为10μm或更小的微粒。
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