CN105642889A

CN105642889A - 一种Ag基电触头的制造方法

Info

Publication number: CN105642889A
Application number: CN201510560254.3A
Authority: CN
Inventors: 宋波; 赵晓; 史玉升; 魏青松; 刘洁; 章媛洁; 文世峰; 张李超
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: CN105642889B

Abstract

本发明公开了一种Ag基电触头的制造方法，利用激光选区熔化法，首先使用4×10⁵W/m²～10×10⁵W/m²的激光，在触桥表面预制20μm～50μm的Ag₂O过渡层，再在过渡层表面打印出Ag基电触头三维结构。本发明利用了预制过渡层、在成形过程中通入氧气、降低激光能量密度等手段，降低了激光选区熔化的反应温度，避免了低熔点的Ag蒸发造成的损耗，使Ag粉在制备过程中的损耗减少了20～30％，从而降低了生产成本。

Description

一种Ag基电触头的制造方法

技术领域

本发明属于先进快速制造技术领域，更具体地，涉及一种Ag基电触头的制造方法。

背景技术

电触头直接担负着连通、断开电路和负载电流的任务，它的可靠性直接影响到电器系统整体的可靠性，被称为电器的“心脏”。触头焊接在触桥上，二者直接影响开关电器的可靠运行和使用寿命。触桥要求有较高的导电性、可焊性并具有一定的强度，通常采用铜合金或铁铜合金等。触头要求有良好的导电性、导热性、接触电阻低且稳定、优异的抗侵蚀性能等，目前主要使用的有Ag基触头材料、Cu基触头材料、W基触头材料和贵金属基弱电接点材料。其中，Ag基触头材料导热性好、加工性能优越、具有很高的抗氧化性且对绿色环保，广泛适用于各类低压电器。

Ag基触头的现有制备工艺有内氧化法和粉末冶金法。内氧化法具有材料致密性好、工艺简单、生产率高等特点，但材料很难充分氧化，制备获得的触头零件结构不均匀，严重降低其抗熔焊性和电寿命。而粉末冶金法的工艺流程长、需要成形设备多、制造成本较高。最终，触头材料焊接在触桥上，两者之间还需预制一定厚度(200μm～800μm)的过渡层，整个电触头零件制造工艺流程长、成本高，因此亟须寻求新的制造方法来优化此类产品的制造过程，提供制造效率、降低制造成本。

激光选区熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)是增材制造(AdditiveManufacturing)技术中的一种粉床熔化工艺，采用该方法可以用来制造金属零件；然而现有的SLM采用能量密度极高的激光束来熔化金属，熔化温度场可以达到3000℃，将该方法引入致Ag基触头零件的制造，将会造成低熔点Ag在成形过程中存在严重的蒸发损耗，影响成形制件的成分，进而导致Ag基触头零件的失效。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种Ag基电触头的制造方法，其目的在于通过降低激光选区熔化法的反应温度，从而减少Ag的损耗，提高成形制件的强度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种Ag基电触头的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：先在触桥表面铺制20μm～50μm厚的Ag粉，再在含氧气氛中，使用激光选区熔化法将其焊合于触桥表面，使Ag与氧气反应形成过渡层；所述Ag粉的粒径为10μm～45μm，在所述激光选区熔化法中，通过调整激光的功率以及激光在成形表面的光斑直径，使得激光的辐照度为4×10⁵W/m²～10×10⁵W/m²；

步骤二：先在所述过渡层表面铺制Ag基触头粉末，再在含氧气氛中，使用激光选区熔化法在过渡层表面打印出Ag基电触头三维结构，同时对触桥以200℃～400℃的温度加热；

所述含氧气氛中，氧气的体积比大于等于30％。

优选地，所述Ag基触头粉末的制备方法为，将Ag粉与增强体颗粒在100rpm～200rpm的转速下球磨，直至增强体颗粒均匀地粘附于Ag粉表面；所述增强体颗粒为碳、钨、金属氧化物、金属碳化物以及金属氮化物中的一种或多种，质量为Ag粉质量的10％～30％。

作为进一步优选地，所述Ag粉的粒径为10μm～45μm；所述增强体颗粒的粒径为0.1μm～1μm，平均粒径小于等于0.5μm。

作为进一步优选地，所述球磨的时间为3h～7h小时。

作为进一步优选地，所述Ag粉为球形或者近球形。

优选地，所述含氧气氛中的氧气与参与反应的Ag粉的摩尔比为1:4～1.2:4。

优选地，在步骤二之后，再将Ag基电触头在300℃～350℃烘箱中热处理4h以上，以去除内应力。

总体而言，本发明由于在激光选区熔化过程中预制过渡层、减小激光的辐照度，同时在激光选区熔化的反应过程中通入了氧气，能够取得下列有益效果：

1、通过减小激光选区熔化法所使用的激光的辐照度，降低了反应表面的能量密度，从而降低了激光选区熔化法的反应温度；

2、在制备过程中通入氧气，减少了Ag粉由于蒸发而发生的材料损耗；

3、预制了20μm～50μm的过渡层，进一步降低了Ag基电触头的制备温度，提高了Ag基电触头制备的成功率；

3、由于反应温度的降低，整体使Ag粉的损耗减少了20～30％，降低了材料的损耗，同时也避免了由于材料蒸发而造成的零件结构不均匀；

4、将激光选区熔化法引入到Ag基触头零件制备，直接打印出过渡层和触头材料，实现Ag电触头零件的快速制造，从而缩短了电触头零件的工艺流程、降低工艺成本；

5、预制Ag基触头粉末时，通过低速球磨，防止了Ag粉的熔化变形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种Ag基电触头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：预制Ag基触头粉末

选择碳、钨、金属氧化物、金属碳化物以及金属氮化物中的一种或多种作为增强体颗粒，增强体颗粒的粒径为0.1μm～1μm，平均粒径小于等于0.5μm；同时筛选出粒径为10μm～45μm的Ag粉。

将Ag粉与增强体颗粒以10:3～10:1的比例混合球磨直至增强体颗粒均匀地粘附在Ag粉表面，球磨的转速为100rpm～200rpm以免温度过高使得Ag熔化；球磨的时间优选为3h～7h小时；球磨时间过短会混合不均匀，但是球磨时间过长则会导致Ag粉变形，影响激光选区熔化成形的流动性。

增强体颗粒与Ag粉混合后能增加成形制件的韧性。

步骤二：预制过渡层

选择粒径为10μm～45μm的Ag粉，在触桥表面铺制厚度为20μm～50μm的薄层，再在含氧气氛中，使用激光选区熔化法将其焊合于触桥表面，使Ag与氧气反应形成过渡层；所述Ag粉的激光选区熔化法使用的激光器优选为Yb光纤激光器，调节激光的功率和光斑大小，使得辐照度为4×10⁵W/m²～10×10⁵W/m²，辐照度过大容易造成Ag在成形过程中的蒸发损耗，而过小会产生未熔化粉末或者不完全熔化粉末，造成缺陷。

步骤三：先在过渡层表面铺制Ag基触头粉末，再在含氧气氛中，根据触头三维CAD数据，使用激光选区熔化设备在过渡层表面打印出Ag基电触头三维结构，同时对触桥以200℃～400℃以上的温度加热，防止激光选区熔化成形中打印的触头零件的开裂，由于设备的限制以及能量节约的考虑，一般加热温度为200℃～300℃。

上述步骤一和步骤二中，Ag粉优选为球形或者近球形的Ag粉，例如气雾法制备的Ag粉，该材料相比其它形状的Ag粉，流动性更好，更适用于激光选区熔化法。

上述步骤二和步骤三的含氧气氛中，氧气的体积比大于等于30％，可以通入纯氧，也可以通入含氧的混合气氛，例如体积比为30％～100％的氧气和0％～70％的氩气组成的混合气体。气氛通过SLM设备的成形界面通入。

为使Ag能完全反应，含氧气氛中的氧气需过量，其氧气与参与反应的Ag粉的摩尔比优选为1:4～1.2:4，即反应系数的1～1.2倍；具体计算方法为，设成形效率为m(g/min)，Ag含量为a(％)，则根据Ag和氧气的反应式得到氧气质量为2ma/27，通入氧气质量为通入氧气体积为

步骤四：去除Ag基电触头内部的热应力

热应力去除的方法可以为热处理、自然消除以及敲打振动消除，其中，热处理方法最为常见，例如，可将Ag基电触头在300℃～350℃烘箱中进行热处理4h以上。

实施例1

(1)选取粒度10μm～35μm的气雾化制备的Ag粉和平均粒径为0.2μm的SnO₂粉末混合，转速在200r/min以下球磨混合4h，从而制备得到Ag基触头粉末材料；

(2)在氩气环境下进行激光选区熔化(SLM)成形，激光源为Yb光纤激光，设置激光功率为50W，光斑直径为200μm以降低能量密度，激光的辐照度为5×10⁵W/m²；将触桥固定在SLM装备的成形台面上，使其表面与SLM装备激光加工平面平齐，在触桥表面预制一层20μm的Ag粉末，使用激光熔化将其焊合在触桥表面，按照需求进行2层过渡层的制造；同时，在成形面上通入氧气，使Ag与氧气反应，产生氧化物，以减少Ag的气化；

(3)对触桥进行加热，使其温度维持在200℃；在过渡层表面铺制步骤(1)制备的Ag基触头粉末材料。在成形面上通入氧气，根据触头三维CAD数据，使用SLM装备逐层打印出触头三维结构，从而整体制造出电触头零件；

(4)将触桥从SLM成形平台上取下，在300℃烘箱中进行热处理4小时，去除零件内部的热应力，得到Ag基电触头。

实施例2

(1)选取粒度20μm～45μm的气雾化制备的Ag粉和平均粒径为0.1μm的W粉末混合，转速在200r/min以下球磨混合5h，从而制备得到Ag基触头粉末材料；

(2)在空气环境下进行SLM成形，激光源为Yb光纤激光，设置激光功率为100W，光斑直径为200μm，激光的辐照度为10×10⁵W/m²；将触桥固定在SLM装备的成形台面上，使其表面与SLM装备激光加工平面平齐，在触桥表面预制一层40μm的Ag粉末，使用激光熔化将其焊合在触桥表面，按照需求进行1层Ag₂O过渡层的制造；同时，在成形面上通入氧气，使Ag与氧气反应，产生氧化物，以减少Ag的气化；

(3)对触桥进行加热，使其温度维持在300℃；在过渡层表面铺制步骤(1)制备的Ag基触头粉末材料，在成形面上通入氧气，根据触头三维CAD数据，使用SLM装备逐层打印出触头三维结构，从而整体制造出电触头零件；

(4)将触桥从SLM成形平台上取下，在350℃烘箱中进行热处理4小时，去除零件内部的热应力，得到Ag基电触头。

实施例3

(1)选取粒度10μm～30μm的球形Ag粉和平均粒径为0.5μm的C粉末混合，转速在100r/min球磨混合7h，从而制备得到Ag基触头粉末材料；C粉末的质量为Ag粉质量的30％；

(2)在空气环境下进行SLM成形，激光源为Yb光纤激光，设置激光功率为50W，光斑直径为250μm，激光的辐照度为4×10⁵W/m²；将触桥固定在SLM装备的成形台面上，使其表面与SLM装备激光加工平面平齐，在触桥表面预制一层10μm的Ag粉末，使用激光熔化将其焊合在触桥表面，按照需求进行1层过渡层的制造；同时，在成形面上通入定量氧气与氮气以1:1混合的气体，使Ag与氧气反应，产生氧化物，以减少Ag的气化；

(4)将触桥从SLM成形平台上取下，自然放置7天以去除零件内部的热应力，得到Ag基电触头。

实施例4

(1)选取粒度20μm～50μm的近球形Ag粉和平均粒径为0.5μm的Si₃N₄粉末混合，转速在150r/min球磨直至Si3N4粉末均匀附着于Ag粉上，从而制备得到Ag基触头粉末材料；Si₃N₄粉末的质量为Ag粉质量的10％；

(2)在空气环境下进行SLM成形，激光源为Yb光纤激光，设置激光功率为80W，光斑直径为250μm，激光的辐照度为6.4×10⁵W/m²；将触桥固定在SLM装备的成形台面上，使其表面与SLM装备激光加工平面平齐，在触桥表面预制一层50μm的Ag粉末，使用激光熔化将其焊合在触桥表面，按照需求进行1层过渡层的制造；同时，在成形面上通入定量氧气，使Ag与氧气反应，产生氧化物，以减少Ag的气化；

(3)(4)以所述的相同步骤重复实施例1。

实施例5

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于以质量为Ag粉质量的20％的WC粉取代SnO₂粉末。

实施例6

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于步骤二中Ag粉末的粒径为10μm，过渡层的层数为5层，厚度为50μm。

实施例7

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于以平均粒径为0.3μm的ZnO粉末取代SnO₂粉末，ZnO的粒径为0.1μm～1μm。

对比例1

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于成形过程中不通入氧气。由于温度较高，成形时会有大量Ag烟雾产生，损耗量与实施例1相比增加了5％～10％。

对比例2

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于步骤(1)的光斑直径为100μm，由于激光在成形界面的能量密度较高，Ag损耗量与实施例1相比增加了10％～20％。

对比例3

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，不经过步骤(1)而直接进入步骤(2)，Ag基电触头在制备时即开裂。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Ag基电触头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：先在触桥表面铺制20μm～50μm厚的Ag粉，再在含氧气氛中，使用激光选区熔化法将其焊合于触桥表面，使Ag与氧气反应形成过渡层；所述Ag粉的粒径为10μm～45μm，激光选区熔化法中激光的辐照度为4×10⁵W/m²～10×10⁵W/m²；

所述含氧气氛中，氧气的体积比大于等于30％。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述Ag基触头粉末的制备方法为，将Ag粉与增强体颗粒在100rpm～200rpm的转速下球磨，直至增强体颗粒均匀地粘附于Ag粉表面；所述增强体颗粒为碳、钨、金属氧化物、金属碳化物以及金属氮化物中的一种或多种，质量为Ag粉质量的10％～30％。

3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述Ag粉的粒径为10μm～45μm；所述增强体颗粒的粒径为0.1μm～1μm，平均粒径小于等于0.5μm。

4.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述球磨的时间为3h～7h小时。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的制造方法，其特征在于，所述Ag粉为球形或者近球形。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述含氧气氛中的氧气与参与反应的Ag粉的摩尔比为1:4～1.2:4。

7.如权利要求1-4或6中任意一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤二之后，还包括步骤三：将Ag基电触头在300℃～350℃烘箱中热处理4h以上。