CN1056012C - 银基触头材料和这类材料在能源技术的开关设备中的应用以及这类触头材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

尤其对于低压开关的接触器元件，建议用银-氧化铁基材料来代替目前经常使用的银-镍材料。按照本发明，这类材料含有作为其它有效成分的一种第Ⅲ副族金属的氧化物，尤其是氧化钇(Y2O3)。例如，成分为Ag/Fe2O310/Y2O31的材料以其优良的温度特性可满足接触特性频谱方面的性能要求。另外，应包括至少一种含元素周期表中第Ⅵ副族元素的金属氧化物，最好是钨铁矿(FeWO4)。尤其是成分为Ag/Fe2O39/Y2O31/FeWO40.5的材料被证明另外还改善了焊接特性和短路特性。

Description

银基触头材料和这类材料在能源技术的开关设备中的应用以及这类触头材料的制备方法
本发明涉及一种银-氧化铁(AgFe2O3/Fe3O4)基材料，它除含有作为主要有效成分的氧化铁外，还含有一种用为次要有效成分的其它金属氧化物。另外，本发明还涉及这类触头材料在能源技术的开关设备中的应用及所属的制备这种材料的方法。
对于能源技术的低压开关设备，如功率开关及直流电动机接触器和辅助接触器中的接触元件而言，一类为银-金属(AgMe)体系，而另一类为银-金属氧化物(AgMeO)体系的触头材料已为公众所熟知。第一类体系的代表例如是银-镍(AgNi)或银-铁(AgFe)；第二类体系的代表主要是银-氧化镉(AgCdO)和银-氧化锡(AgSnO2)。此外，还有其它金属化物、尤如氧化铋(Bi2O3)、氧化铜(CuO)和/或氧化钽(Ta2O5)。对此，在DE-A 26 59 012中，还列出了一系列适用于含银的触点材料的金属以供参考。
以银-金属或银-金属氧化物为基的触头材料的实际可用性是由所谓的电“接触特征频谱”来确定的，其标准特征参数一方面是由开关元件烧损确定的寿命，即有效开关次数；另一方面是被称之为过热温度，即接触桥形接片和接头的触头发热，它主要由接触构件的电阻产生。此外，重要的是，接触元件有足够低的焊接倾向和足够高的耐腐蚀性。值得注意的是，由于空气开关设备中材料的长时间腐蚀，开关性能要随时间而改变。
由DE-A-1 608 211已公开了一种银-金属氧化物体系的电触头材料，它除氧化镉和氧化锡外还可含有氧化铁。另外，由DE-C-38 16895公开了一种银-铁材料作为电触头材料，该材料含有占总重量3-30％的铁，而且还附加有锰、铜、锌、锑、氧化铋、氧化钼、氧化钨、氮化铬中的一种或多种，其总含量为总重量的0.05-5％，其余的为银。除此之外，由DE-A-3911904公开了一种制造由含铁的银基复合材料组成的电触头的半成品的粉末冶金方法，其中，应用了占总重量5-50％的铁作为第一次要成份和占总重量0-5％的第二次要成份。第二种成份包括下面一组物质的一种或多种，它们是金属钛、锆、铌、钽、钼、锰、铜和锌，及它们的氧化物和碳化物。这里，元素形式的铁主要通过化学沉淀而获得。此外，为替代人们所熟知的AgCdO优质合金，由JP-A-51/2619公开了一种成分Ag-金属氧化物的触点材料，在这种材料中，金属氧化物为：作为主要有效成分至少包含的氧化铜和作为次要有效成分的氧化锌、氧化锡、氧化锑中的至少一种。另外，这种材料还可添加占总重量0.005～2％的氧化钇或氧化镧。接着，由JP-A-1/055345公开了一种本文前言所述类型的材料，它由用占总重量0.5-20％的氧化铁颗粒弥散的银基体组成，其中，氧化铁的一部分由至少一种镍、钴、铬、钼、钨、镉、锌、锑、锡、铋、铟、铅、锰、铍、钙、镁或铜的氧化物替代。由此而制成的触头元件用作开关时表现出良好的机械性能和高的耐电弧特性。
在WO-A-93/22080中推荐了一种触头材料，在这种材料中，除氧化铁外，作为次要有效成份还含有氧化铼和/或锆酸铋和/或氧化硼和/或氧化锆，其中，氧化铁作为主要有效成份的质量含量为1-50％，而次要有效成份的质量含量为0.01-5％。在此，氧化铁的成分为Fe2O3或Fe3O4，必要时也可采用混合形式。
现有技术水平的材料大多数尚不能同时满足所有“接触特性频谱”要求。最终力求在各应用场合达到与之适应的对各重要特征参数的优化。
基于上述现有技术水平，本发明的目的在于，要提供另外的带有其它次要有效成份的银-氧化铁基触头材料并确定相应的生产工艺。这些新的材料应呈现出具有稳定的升温特性的低的触头发热、低的焊接倾向和在强开关电流条件下的长寿命。另外，还应具有良好的抗腐蚀性。
按照本发明，上述目的是这样实现的，在此，氧化铁的质量含量为3～20％，次要有效成分的质量含量为0.1～10％，其余为银。另外可附加至少一种含有元素周期表中第VI副族元素的氧化物。这些触头材料尤其适合于用在低压开关中。
在本发明范畴内，当其它氧化物质量含量为0.5-2％时，作为主要有效成份的氧化铁的质量含量优选要么为7.5-15％，要么为4-7.5％。而当作为主要有效成份的氧化铁的质量含量为7.5-15％时，其更优选的范围在9.0-12％之间。作为次要有效成份的元素，元素周期表中第III副族的元素钪(SC)，钇(Y)和镧(La)及其它镧系元素都适宜。次要的有效成份尤其还有氧化钇(Y2O3)。成分为Ag/Fe2O310/Y2O31的材料能非常好地满足所提出的要求。
在成分为Ag/Fe2O3/Y2O3的材料中，作为其它金属氧化物尤其应含有铁钨矿(FeWO4)。特别是成分为Ag/Fe2O39/Y2O31/FeWO40.5的材料被证明是适合的。
按照本发明，新的触头材料的生产应这样来完成，即先将银粉和氧化铁粉按预先给定的比例相互混合，这些混合料再同其它金属氧化物混合，接下来的再加工通过交替烧结和挤压来完成。
利用本发明可获得改进的AgNi代用材料。尤其对于那些已公开的含有氧化铁作为主要有效成份的代用材料，为保障其温度特性，其氧化铁含量要选择得低于7.5％，可观察到从现在起接触元件的熔损减少了，并接近于银-镍的熔损。
在本发明的范畴内可看出，特别是作为主要有效成份的氧化铁与作为次要成份的氧化钇化合，改善了触头材料的整个“接触特性频谱”。
本发明的其它细节和优点可从以下对实施例的描述中得出。在此，对附表中具有符合本发明的具体的材料组成的各例子进行讨论。
表中列出了在开关设备的接触桥形接片处测得的、新材料过热温度的测量值作为最大的和平均的电桥温度，另外也给出了熔损的测量值。
第一列是过热温度，即为电桥的最高温度，在第二列里包含了所有测量温度的平均值，该值给出的是与室温之间的温度差。第三列为熔损值，它由重量测量得出。所有测量均是在开关串联试验中用15千瓦接触器开关Ns＝50.000次的情况下进行的。
该表除对比材料外，还包含了一个具有本发明提出的触头材料的代表成分的典型例子。测量分别是直接在一个由带有两个接触元件的15KW试验接触器的接触桥形接片上进行的。下面对测量结果进行逐个讨论。
实施例1、Ag/Fe2O310/Y2O31触头材料
生产成分为Ag/Fe2O310/Y2O31的材料，首先分别将银粉和氧化铁粉按预先给定的比例混合，该混合粉再同1％质量的氧化钇粉混合，其后的制备采用人们熟知的方法通过在给定的边界条件下交替烧结和挤压来完成。
接触元件的制备或通过挤压技术，或通过模型技术来完成。在两种场合下，为确保可靠的连接，在制备时其背面就带有可焊接的银层。这样制备的成分为Ag/Fe2O3/Y2O3的触头材料在确定的接触器中同已熟知的触头材料进行了对比试验、其结果在表中列出。
表中首先列出了AgNi20触头材料，它不仅在电桥温度方面，而且在熔损方面都具有公认的良好性能。这些参数值在仅用氧化铁(Fe2O3)取代镍的AgFe2O3-触头材料中大大恶化了，其中，尤其是在各个开关电桥所观测到的最大温度高的不能允许，并且观测到，随着氧化物含量而成比例上升，而熔损则按所预料的下降。
从现有技术水平看，加入不同的其它添加物作为次要有效成分可改善这些性能。尤其氧化锆被证明是有效的，其结果列于表中。在此，在低氧化铁含量时，尤其是Fe2O3的质量含量低于约7.5％时，观测到一个低的最高电桥温度和格外好的平均电桥温度，但此时熔损不够令人满意。而后者仅在高氧化铁含量时，即Fe2O3质量含量大于约7.5％时才有所下降，但此时温度特性变坏。
从表中还可明显地看出，尤其通过添加氧化钇，其温度特性会令人惊奇地改善，而熔损并没有变得太差。其氧化钇的质量含量可在0.1-10％的范围内，优选在0.5-5％的范围内。
尤其表中所列出的Ag/Fe2O310/Y2O31材料，在其温度特性方面简直可与AgNi10相比。与目前所推荐的带有其它次要有效成份的AgFe2O3基材料相反，其熔损明显低于所公开材料。例如，在开关次数为50000次时，其熔损仅高于银-镍材料约20％，而其它代用材料明显高于此值。
特别是由于Ag/Fe2O310/Y2O31材料在温度特性和熔损特性方面都具有良好的性能，因而具备了取代对于宽应用频谱具有已知的不利作用的银-镍基材料的先决条件。也许用元素周期表中第III副族的其它化学元素代替氧化钇作为次要有效成分加入AgFe2O3材料中也是适宜的。
实施例2：Ag/Fe2O39/Y2O31/FeWO40.5触头材料
为制备这种材料，首先分别将银粉和氧化铁粉按预先给定的比例混合，并且该混合粉再与1％质量的氧化钇粉和0.5％质量的钨铁粉混合。其后的制备以公知的方式通过在给定边界条件下交替烧结和加压来完成。
用这种材料制备接触器元件或通过挤压技术，或通过模型技术来完成。在两种场合下，为确保接触器元件可靠连接，在制备接触器元件时其背面就带有可焊接的银层。
这样制备的接触器元件经受了一方面同所公开的触头材料，另一方面同按上面描述中其它例子制成的材料的对比试验。
已确定，用例2中的材料不仅可获得例1中所推荐的成分为Ag/Fe2O3/Y2O3的烧结触头材料的良好温度性能，而且尤其焊接特性和短路特性得以进一步改善。因此，这种材料在特殊范围内适合于在功率开关中使用。表：
              最大电桥温度      平均电桥温度        电桥(两触块)的总熔损
                  [K]               [K]                 [重量损失用g]AgNi20                91                68                      0,13AgFe2O56,4         162               71                      0,27AgFe2O310          168               87                      0,18AgFe2O55,4ZrO21   89                66                      0,24AgFe2O510ZrO21    136               78                      0,16AgFe2O310Y2O31   101               74                      0,16

Claims (14)

1、一种银-氧化铁(AgFe2O3/Fe3O4)基触头材料，其中，除作为主要有效成份的氧化铁外还含有至少一种作为次要有效成分的其它金属氧化物，其特征在于，该次要有效成分为元素周期表中第III副族元素的氧化物，在此，氧化铁的质量含量为3-20％，次要有效成分的质量含量为0.1-10％，其余为银。
2、按照权利要求1所述的触头材料，其特征在于，氧化铁(Fe2O3/Fe3O4)的质量含量为7.5-15％。
3、按照权利要求2所述的触头材料，其特征在于，氧化铁的质量含量为9-12％。
4、按照权利要求1所述的触头材料，其特征在于，氧化铁的质量含量为4-7.5％。
5、按照权利要求1所述的触头材料，其特征在于，次要有效成份为氧化钇(Y2O3)。
6、按照权利要求5所述的触头材料，其特征在于，氧化钇的质量含量为0.5-5％。
7、按照上述任一项权利要求所述的触头材料，其特征在于，成分为Ag/Fe2O310/Y2O31。
8、按照权利要求1所述的触头材料，其特征在于，所附加的至少一种其它金属氧化物含有元素周期表中第VI(六)副族元素。
9、按照权利要求8所述的触头材料，其特征在于，其它金属氧化物为钨铁矿(FeWO4)。
10、按照权利要求9所述的触头材料，其特征在于，钨铁矿(FeWO4)的质量含量为0.1-1％。
11、按照权利要求10所述的触头材料，其特征在于，成分为Ag/Fe2O39/Y2O31/FeWO40.5
12、一种生产银-氧化铁基触头材料的方法，该触头材料除含有作为主要有效成分的氧化铁外，还含有作为其它次要有效成份的至少一种含元素周期表中第III副族元素的氧化物和作为余量的银。其中，氧化铁的质量含量为3-20％，次要有效成分的质量含量为0.1-10％，其操作步骤如下：
-首先将银粉和氧化铁粉按预先给定的比例混合，
-上述混合料再添加至少一种含元素周期表中第III副族元素的氧化物，
-接下来通过交替烧结和挤压完成后续加工。
13、按照权利要求12所述的方法，其中在往所述银粉和氧化铁粉混合料中添加至少一种含元素周期表中第III副族元素的氧化物的同时，再添加至少一种含元素周期表中第VI副族元素的其它金属氧化物。
14、按照权利要求1或权利要求2至11中任一项所述的触头材料用于能源技术中的开关设备，尤其是低压开关设备中。
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