CN105624458A - 一种Ti3AlC2增强Ag基电触头材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料的制备方法。该复合材料由Ti₃AlC₂和Ag基体组成，其中Ti₃AlC₂增强相的质量百分数为1～70％。将Ti₃AlC₂粉末和Ag粉末按比例混合5～300min后，在100～900MPa下冷压成型。将生坯在保护性气氛或真空中，500～1000℃烧结1～24h，即制备成Ti₃AlC₂增强Ag基复合电触头材料。本发明制备出的Ag基复合材料具有致密度高，组织均匀，硬度适中，导电性好等优点。

Description

一种Ti3AlC2增强Ag基电触头材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料，具体为一种Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料及其制备方法。

背景技术

在电气和电子工业中，电触头是接通、断开和承载电流以确保电器中电路正常开断和安全的重要接触元件，电触头的性能好坏和寿命长短直接关系到整个电器设备的安全性和可靠性(马战红等.昆明理工大学学报.2002，272，17-20)，其中Ag基电触头材料被广泛应用于低压电器、家用电器、汽车电器、航空航天电器等领域。国外机构和企业在电触头材料领域的研究起步较早(上个世纪初)，国外一些大型企业在电触头方面拥有丰富的理论知识和成熟生产技术，主要有德国的AMIDODUCO、美国的OMG、Fensteel、Mallory以及西屋、瑞士的Metalor和ABB、日本钨和田中贵金属工业以及韩国喜星贵金属等大型跨国公司。我国上个世纪六七十年代才开始研发电触头材料，起步晚，研究机构和企业的技术距离国际一流水平还有差距，但随着我国社会和科技的快速发展以及逐渐成为电器出口大国，电触头材料的研发和生产必须要能够和中国电气电子产业的发展速度相适应。

早期的触头材料多采用纯Au、Ag、Cu、Pt等贵金属，但随着全球贵金属资源的逐渐消耗和匮乏，制造成本限制了纯贵金属触头的发展和应用(张代东等.科技情报开发与经济.2004，14(10)，188-189)。为了替代纯贵金属触头，上世纪50、60年代，人们开始研究多元贵金属和各种复合电触头材料。最早被广泛应用的复合电触头材料是Ag-CdO，其接触电阻低，抗电弧磨损能力强，灭弧性能好(P.V.Minakova，etal.PowderMetallurgyandMetalCeramics.1996，34(7-8)，370-385)，抗熔焊性能好，适应电流、电压范围广(电流从几安培到几千安培，电压从几伏到几千伏)，广泛应用于继电器、接触器和断路器等电气元件，被成为“万能触头”(薇淑娟等.有色金属.1992，44(4)，68-73)。但是在电弧作用下CdO易分解产生有毒的Cd蒸汽，对环境和人体有害，因而寻找可以替代CdO的环保型触头材料成为必然趋势。2003年欧盟颁布RoHS和WEEE指令，随后含CdO触头已经逐渐退出欧洲市场，未来中国市场的Ag-CdO触头数量也必将逐步减少(谢永忠等.电工材料.2004，2，38-41)。著名电触头制造商DODUCO，OMG以及METALOR从上个世纪70年代就开始研究Ag-SnO₂，Ag-ZnO等替代触头材料，并在80，90年代取得突出成果，实现了稳定的质量控制和成熟的生产工艺。Degussa公司的德国触头分部还研发出了Ag-C触头，也可以在某些领域替代Ag-CdO触头。我国从上个世纪90年代才开始研发替代Ag-CdO触头的材料，主要集中在Ag-SnO₂，Ag-ZnO，Ag-CuO，Ag-Ni等产品上，但是制造工艺水平和触头产品质量距离与发达国家仍有差距。在所有无Cd触头材料中，Ag-SnO₂是目前最有可能完全替代Ag-CdO的环保触头材料，因为SnO₂熔点高，在电弧侵蚀过程中能很好的保持颗粒形态，在熔池中使金属基体的粘度增大，电弧侵蚀时不会飞溅，在经过多次电弧侵蚀后仍能保留在基体表面，因此Ag-SnO₂触头具有优良的抗熔焊和抗电弧侵蚀性能。但是SnO₂与Ag的润湿性较差，普通的制备方法难以获得均匀致密的组织，后期接触性能也大受影响，并且加工困难。此外，在电弧侵蚀过后，SnO2容易在触头表面富集，温升加剧且接触电阻增大明显，降低了触头的电寿命(许福太等.材料导报.2008，22(12)，239-245)。Ag-ZnO材料具有低而稳定的接触电阻，良好的抗熔焊性能和易焊接等特点，特别适合作为分断大电流的触头使用。在阻性负载条件下，Ag-SnO₂的接触性能远低于Ag-ZnO。但是ZnO同样存在与Ag润湿性较差的问题，传统粉末冶金法制备的触头材料ZnO团聚严重分散不均匀，密度较低(许灿辉等.功能材料.2008，39(8)，1306-1309)。通过制备工艺的改进，可以优化ZnO在Ag基体中的分散性以及组织结构(C.P.Wu等.JournalofAlloysandCompounds.2008，457(1-2)，565-570)。Ag-C材料由于具有良好的抗熔焊性能、优良的导电性、低而稳定的接触电阻以及优异的低温升性能，近年来引起了触头研究者的广泛兴趣。C的作用在于阻止触头熔焊的同时使触头中不会形成稳定的氧化物而提高接触电阻(余海峰等.稀有金属材料与工程.2004，33(1)，96-99)。但是C在电弧作用下烧失严重，导致触头的耐电弧磨损性能下降，提高C的含量虽然能够改善耐磨性但是却削弱了材料的强度和导电性，因此C在Ag基体中的含量一般较低约为3～5％(刘伟利等.第十届中日复合材料学术会议论文集.2012，中国四川成都，中国复合材料学会)，节银效果较差，成本较高。因此，这些银基复合电触头材料各有特点和缺点，虽然在某些领域能部分取代Ag-CdO，但是还不能完全取代Ag-CdO万能触头的地位，因此新型环保型电触头材料的研发任重而道远。

近20年来，一种新型的三元层状化合物——MAX相材料，因其兼具金属和陶瓷材料的优良性能，引起研究者的极大兴趣，并取得了长足的发展(M.W.Barsoum，等.ScriptaMaterialia.1997，37(10)，1583-1591)。M代表过渡金属元素，如Sc，Ti，V，Cr，Zr，Nb等，A代表A族元素，如Al，Si，P，S，Ga，Ge等，X为C或者N。代表性MAX相有Ti₃SiC₂，Ti₃AlC₂，Ti₂AlC，Ti₂SnC等，室温下，这些化合物具有良好的导电性、导热性、机械切削性、抗热震性。此外，因其具有层状晶体结构，相对柔软，具有自润滑性能；高温条件下具有高的弹性模量、机械性能和良好的抗氧化和耐腐蚀性能，这些优异的性能赋予了MAX作为Ag基电触头材料增强相的潜力(Z.M.Sun，等.InternationalMaterialsReviews.2011，56(3)，143-166)。

Ti₃AlC₂材料属于层状MAX相金属陶瓷材料中最常见的一种，具有较低的电阻率(23×10^-3Ωm·cm)，与Ag、Cu等金属复合后的材料具有良好的导电性。Ti₃AlC₂导热性良好(9.0×10^-6K^-1)，有利于在触头开断过程中控制温升。同时，Ti₃AlC₂硬度适中(3.5GPa)，比纯Ag(2.5GPa)、Cu(3GPa)的硬度高，作为增强相与Ag、C复合后起到增强基体的作用，同时也能保证良好的切削性，相比与加工性较差的SnO₂(7GPa)和ZnO(5GPa)具有明显的优势。此外，Ti₃AlC₂还具有较高的熔点，在1400℃以内能够稳定存在。相比与在电弧产生的高温下易分解的CdO，Ti₃AlC₂保证了触头材料在电弧侵蚀下的稳定性。Ti₃AlC₂还具有类似陶瓷的抗腐蚀和抗氧化性能，使复合触头材料能够在较为复杂的环境下长期工作。因此，使用Ti₃AlC₂作为增强相与Ag复合制备的电触头材料具有广阔的应用前景，是可以替代Ag-CdO的新型环保触头材料。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种具有优良综合性能的Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料的制备方法。所要解决的技术难问题是，使用Ti₃AlC₂颗粒替代传统的增强相，用简单的球磨工艺替代传统的粉末冶金和内氧化工艺，以普通烧结方法替代昂贵的真空、热压、热等静压、甚至SPS烧结技术，在500～1000℃的低温范围内制备出Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料。

技术方案：本发明是一种Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料的制备方法：该制备方法包括以下步骤：

步骤1.以Ti₃AlC₂和Ag粉末为原料，其中增强相Ti₃AlC₂占整个触头的质量百分数为1～70％；Ag粉占整个触头的质量百分数为30～99％；

步骤2.将上述两种粉末混合5～300min；

步骤3.将混合后的粉末在100～900MPa下冷压制成型坯体；

步骤4.将压制成型的坯体在炉中直接加热到500～1000℃烧结；整个烧结过程在保护性气氛或者真空中进行；

步骤5.将坯体在烧结温度点处保温1～24h；最终得到Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料。

其中：所述的保护性气氛为Ar气氛。

有益效果：本发明具有以下优点：

1.本发明制备原料易得，混粉工艺简单，在较短时间内混合即可得到Ag-Ti₃AlC₂混合粉末；经过简单的冷压成型工艺即可得到高致密度的生坯(相对密度90％以上)。

2.本发明烧结工艺简单，无需使用昂贵的热压、等静压和放电烧结过程，只需普通的气氛炉，通过普通烧结即可制备性能优良的电触头材料，适合大规模生产应用。

3.本发明通过无压烧结制备出来的Ag-Ti₃AlC₂复合电触头材料密度达93％以上；组织均匀，Ti₃AlC₂颗粒在Ag基体中分散均匀，没有团聚，与Ag基体结合良好；硬度适中(HV65～223)，具有良好的机械加工性；复合材料电电阻率低(8.4～27.5×10^-3mΩ·cm)，具有优良的导电性能。

4.本发明制备的Ag基电触头材料在保证导电性能的基础上，增强相Ti₃AlC₂含量能达到70％以上，具有明显的节银效果。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的描述：

实施方案一：

按照Ag-1wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨5min，混合后的粉末在100MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度500℃，烧结时间1h，得到Ag-1wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达93％，硬度达HV65，电阻率为8.4×10^-3mΩ·cm。

实施方案二：

按照Ag-7wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨20min，混合后的粉末在150MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度630℃，烧结时间3h，得到Ag-10wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达93.5％，硬度达HV73，电阻率为8.7×10^-3mΩ·cm。

实施方案三：

按照Ag-10wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨30min，混合后的粉末在190MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度680℃，烧结时间5h，得到Ag-15wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达93％，硬度达HV79，电阻率为8.9×10^-3mΩ·cm。

实施方案四：

按照Ag-20wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨70min，混合后的粉末在310MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度780℃，烧结时间7h，得到Ag-25wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达94.5％，硬度达HV88，电阻率为9.2×10^-3mΩ·cm。

实施方案五：

按照Ag-30wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨120min，混合后的粉末在430MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度830℃，烧结时间11h，得到Ag-35wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达94％，硬度达HV99，电阻率为9.7×10^-3mΩ·cm。

实施方案六：

按照Ag-40wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨180min，混合后的粉末在580MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度880℃，烧结时间15h，得到Ag-50wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达93％，硬度达HV117，电阻率为10.4×10^-3mΩ·cm。

实施方案七：

按照Ag-50wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨220min，混合后的粉末在700MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度930℃，烧结时间19h，得到Ag-70wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达93.5％，硬度达HV138，电阻率为12.8×10^-3mΩ·cm。

实施方案八：

按照Ag-60wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨260min，混合后的粉末在820MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度960℃，烧结时间20h，得到Ag-80wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达93％，硬度达HV177，电阻率为15.3×10^-3mΩ·cm。

实施方案九：

按照Ag-70wt％(按质量百分数)Ti₃AlC₂制备金属基复合材料：将Ti₃AlC₂颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨300min，混合后的粉末在900MPa下冷压成型，最后在普通管式气氛炉中，Ar气氛或真空保护下烧结，烧结温度1000℃，烧结时间24h，得到Ag-90wt％Ti₃AlC₂电触头材料。相对密度达93％，硬度达HV223，电阻率为27.5×10^-3mΩ·cm。

Claims (2)

1.一种Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤

步骤1.以Ti₃AlC₂和Ag粉末为原料，其中增强相Ti₃AlC₂占整个触头的质量百分数为1～70％；Ag粉占整个触头的质量百分数为30～99％；

步骤2.将上述两种粉末混合5～300min；

步骤3.将混合后的粉末在100～900MPa下冷压制成型坯体；

步骤4.将压制成型的坯体在炉中直接加热到500～1000℃烧结；整个烧结过程在保护性气氛或者真空中进行；

步骤5.将坯体在烧结温度点处保温1～24h；最终得到Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料。

2.根据权利要求1所述的一种Ti₃AlC₂增强Ag基电触头材料的制备方法，其特征在于：所述的保护性气氛为Ar气氛。