CN106119593A - 一种Ti2SnC增强Ag基电触头材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种Ti2SnC增强Ag基电触头材料的制备方法，该复合材料由Ti2SnC和Ag基体组成，其中Ti2SnC增强相的质量百分数为1～50％。将Ti2SnC粉末和Ag粉末按比例混合5～240min后，在100～800MPa下冷压成型。将生坯在保护性气氛或真空中，600～1000℃烧结1～12h，即制备成Ti2SnC增强Ag基复合电触头材料。本发明制备出的Ag/Ti2SnC复合电触头材料具有致密度高，组织均匀，硬度适中，导电性好等优点。

Description

一种Ti2SnC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Ti2SnC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，具有接通、断开和承载电流作用的电触头是确保电路安全和电器正常运行的重要接触元件，电触头的性能好坏和寿命长短直接关系到整个电器设备运行的可靠性。电触头种类繁多，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、航空航天等领域(王永根等.低压电器.2011，10，58-61)。国外在电触头材料领域的设计和应用方面的研究起步较早(上个世纪初)，一些大型跨国公司，包括德国的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，在电触头方面拥有丰富的理论知识和成熟生产技术(陈仲等.电工材料.2002，3，37-43)。上个世纪六七十年代，我国才开始研究电触头材料，起步较晚，理论基础和研发水平与发达国家相比还有较大差距。随着我国社会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(溥存继等.材料导报A：综述篇.2014，28(4)，22-25)，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进一步发展和应用(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复合电触头材料。Ag/CdO是最早被广泛应用的复合电触头材料，其接触电阻低，抗电弧磨损能力强，灭弧性能好(P.V.Minakova，et al..Powder Metallurgy and Metal Ceramics.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)，被广泛应用于继电器、接触器和断路器等电气元件中，有“万能触头”之称(薇淑娟等.有色金属.1992，44(4)，68-73)。但是CdO的分解温度(～900℃)和Cd(～765℃)的汽化温度较低，在电弧高温作用下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的环保型触头材料是未来触头行业发展的必然趋势(F.Pons，et al..Journal ofElectronic Materials.2010，39(4)，456-463)。随着2003年欧盟RoHS和WEEE指令的颁布，近年来Ag/CdO触头已经逐渐退出欧洲市场。随着中国等发展中国家的环保意识的增强和可持续发展目标的实施，未来Ag/CdO触头在发展中国家电器市场所占的份额也必将逐渐减少(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年代开始研究Ag/SnO2，Ag/ZnO等材料，用于替代Ad/CdO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。上个世纪末，Degussa公司的德国触头分部研发出了Ag/C触头，实现了在某些领域替代Ag/CdO触头的目标。上个世纪90年代我国才开始研发替代Ag/CdO触头的材料，主要集中在Ag/SnO2，Ag/ZnO，Ag/CuO，Ag/Ni等产品上，但是触头的制造水平和产品质量与发达国家仍有很大差距。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。SnO2熔点高，在电弧侵蚀过程中能很好的保持颗粒形态，增大了金属基体的熔池粘度，减少了电弧侵蚀时Ag的喷溅，因此Ag/SnO2触头具有优良的抗熔焊和抗电弧侵蚀性能(J.Wang，et al..Journal of Alloysand Compounds.2014，582，1-5)。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，并且高硬度的SnO2颗粒给电触头的后期加工成型带来了困难。此外，电弧侵蚀过后，SnO2容易在触头表面富集，导致温升加剧且接触电阻增大，降低了触头的电接触性能和工作寿命(X.M.Liu，et al..Materials Chemistry andPhysics.2006，98(2-3)，477-480)。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(P.B.Joshia，et al..MaterialsLetters.1997，33(3-4)，137-141)。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，导致传统粉末冶金法制备的Ag/ZnO触头材料中ZnO团聚严重(许灿辉等.功能材料.2008，39(8)，1306-1309)。而内氧化法制备的Ag/ZnO易产生氧化不均匀现象，导致内部贫氧化层的出现，影响了后期成型和电接触性能。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，et al..Journal ofAlloys and Compounds.2008，457(1-2)，565-570)。Ag/C材料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，近年来受到了触头研究者的广泛关注。C的作用在于阻止触头熔焊的同时使触头表面不会形成高电阻率的氧化物。此外，由于石墨材料的层状结构，Ag/C复合材料具有很好的自润滑性能，非常适合作为滑动电接触材料(余海峰等.稀有金属材料与工程.2004，33(1)，96-99)。但是C耐高温性能差，在电弧作用下烧失严重，进而导致触头的耐电弧烧蚀性能下降，提高C的含量虽然能够改善耐电弧烧蚀性能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(3～5wt.％)(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)，节银效果差，成本较高。目前，因为这些无毒银基复合电触头材料具有各自的优点，在某些领域已经起到了部分取代Ag/CdO的作用，但是它们还存在一些无法克服的缺点，因此没有一种触头能完全取代Ag/CdO万能触头的地位，也不能进一步满足未来电触头的发展需求，因此新型环保型电触头材料的研发任重而道远。
近年来，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，引起研究者的广泛关注，并取得了长足的发展(M.W.Barsoum，et al..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，Ti3SiC2，Ti3AlC2，Ti2AlC，Ti2SnC等是MAX相家族中的典型代表。室温下，这些三元化合物具有良好的导电性、导热性和机械切削性。此外，因其具有层状晶体结构，相对柔软，MAX相还具有自润滑性能；高温条件下具有良好的抗热震、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，et al..International Materials Reviews.2011，56(3)，143-166)。
在层状MAX相材料中，Ti2SnC属于211相中的一员，于1963年被合成出来(W.Jeitschko，et al..Journal of the Less Common Metals.1963，7(2)，133-138)，但是关于它的性能方面的研究直到1997年才有报道(M.W.Barsoum，et al..ScriptaMaterialia.1997，37(10)，1583-1591)。由于特殊的层状结构，Ti2SnC具有可以和石墨以及MoS2等固体润滑剂相媲美的自润滑性能，未来有希望应用在滑动电接触部件上(S.B.Li，etal..Journal of the American Ceramic Society.2006，89(12)，3617-3623)。Ti2SnC具有较高的导电率(14×106Ω-1·m-1)(H.Y.Dong，et al.Journal of MaterialsChemistry.2001，11(5)，1402-1407)，与Ag、Cu等金属复合后的材料能够保持良好的导电性。同时，Ti2SnC导热性良好(～10×10-6K-1)，有利于在触头开断过程中温度的传导，能够避免在电弧侵蚀中剧烈的温升效应(T.El-Raghy，et al..Journal of the EuropeanCeramic Society.2000，20(14-15)，2619-2625)。此外，Ti2SnC硬度适中(3.5-4GPa)(G.P.Bei，et al.Materials Research Bulletin.2007，42(12)，1995-1998)，比纯Ag(2.5GPa)、Cu(3GPa)的硬度高，与Ag、Cu复合后能够起到增强基体的作用，同时也能保证良好的机械切削性(K.Y.Jae，et al..Advanced Engineering Materials.2012，14(1-2)，85-91)，与加工性较差的SnO2(7GPa)和ZnO(5GPa)相比具有明显的优势。Ti2SnC还具有较高的热稳定性，在1350℃以内能够稳定存在(T.El-Raghy，et al..Journal of the EuropeanCeramic Society.2000，20(14-15)，2619-2625)。相比在电弧高温下易分解的CdO，Ti2SnC保证了整体触头材料在高温电弧侵蚀下的稳定性，提高了触头的抗电弧侵蚀性能。Ti2SnC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Ti2SnC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综合性能优良的Ti2SnC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Ti2SnC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，以普通烧结技术替代昂贵的真空、热压、热等静压和SPS烧结技术，在600～1000℃的低温范围内制备出Ti2SnC增强Ag基电触头材料。
技术方案：本发明是一种Ti2SnC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Ti2SnC和Ag粉末为原料，其中增强相Ti2SnC占整个触头的质
量百分数为1～50％；Ag粉占整个触头的质量百分数为50～99％；
步骤2.将上述两种粉末混合5～240min；
步骤3.将混合后的粉末在100～800MPa下冷压制成型，获得坯体；
步骤4.将压制成型的坯体在炉中直接加热到600～1000℃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1～12h；最终得到Ti2SnC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，可在较短时间内得到混合均匀地Ag/Ti2SnC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，无需采用昂贵的热压、等静压和等离子放电烧结等方法，只需普通的气氛炉，通过无压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/Ti2SnC复合电触头材料密度达93％以上；Ti2SnC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(HV30～165)，具有良好的机械加工性；电阻率低(5.4～85.6×10-2μΩ·m)，具有优良的导电性能。
4.本发明制备的Ag/Ti2SnC复合电触头材料在保证导电性能的基础上，增强相Ti2SnC含量高达50wt.％，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.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC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600℃，烧结时间1h，得到Ag/1wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达93.5％，硬度达HV30，电阻率为5.4×10-2μΩ·m。
实施方案二：
按照Ag/7wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC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650℃，烧结时间2h，得到Ag/7wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达94.0％，硬度达HV42，电阻率为9.5×10-2μΩ·m。
实施方案三：
按照Ag/10wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨40min，混合后的粉末在200MPa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690℃，烧结时间4h，得到Ag/10wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达93.8％，硬度达HV51，电阻率为13.4×10-2μΩ.m。
实施方案四：
按照Ag/15wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨70min，混合后的粉末在250MPa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760℃，烧结时间5h，得到Ag/15wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达94.5％，硬度达HV68，电阻率为22.7×10-2μΩ·m。
实施方案五：
按照Ag/20wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨120min，混合后的粉末在300MPa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800℃，烧结时间7h，得到Ag/20wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达94.2％，硬度达HV80，电阻率为29.2×10-2μΩ·m。
实施方案六：
按照Ag/25wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨150min，混合后的粉末在400MPa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840℃，烧结时间8h，得到Ag/25wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达93.8％，硬度达HV98，电阻率为31.4×10-2μΩ·m。
实施方案七：
按照Ag/30wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨180min，混合后的粉末在500MPa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9h，得到Ag/30wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达94.4％，硬度达HV118，电阻率为36.8×10-2μΩ·m。
实施方案八：
按照Ag/35wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti2SnC颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨200min，混合后的粉末在600MPa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900℃，烧结时间10h，得到Ag/35wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达93.6％，硬度达HV130，电阻率为46.3×10-2μΩ·m。
实施方案九：
按照Ag/40wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：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950℃，烧结时间11h，得到Ag/40wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达93.9％，硬度达HV148，电阻率为55.6×10-2μΩ·m。
实施方案十：
按照Ag/50wt.％(质量百分数)Ti2SnC制备复合电触头材料：将Ti3AlC2颗粒和Ag粉按上述质量比配料，球磨240min，混合后的粉末在800MPa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12h，得到Ag/50wt.％Ti2SnC电触头材料。相对密度达94.2％，硬度达HV165，电阻率为85.6×10-2μΩ·m。

Claims (2)

1.一种Ti2SnC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Ti2SnC和Ag粉末为原料，其中增强相Ti2SnC占整个触头的质
量百分数为1～50％；Ag粉占整个触头的质量百分数为50～99％；
步骤2.将上述两种粉末混合5～240min；
步骤3.将混合后的粉末在100～800MPa下冷压制成型，得到坯体；
步骤4.将坯体在炉中直接加热到600～1000℃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1～12h；最终得到Ti2SnC增强Ag基电触头材料。
2.根据权利要求1所述的一种Ti2SnC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。
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