CN107527754A - 经烧结的电触头材料 - Google Patents

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Abstract

在本说明书中描述的经烧结的电触头材料包含：分散在银基体内的至少一种盐，以及不超过100ppm的镉和镉化合物。经烧结的电触头材料显示出比市售的银复合材料低得多的接触电阻。分散在银基体内的盐代表了用于高电流应用和低电流应用的银复合材料的一类新的添加剂。

Description

经烧结的电触头材料
技术领域
本公开内容涉及经烧结的电触头材料。特别地，本公开内容的某些非限制性方面涉及包含银基体、分散在银基体内的多至15％(重量/重量)的至少一种盐和不大于限制浓度的镉和镉化合物的电触头材料。本公开内容还涉及生产本公开内容的材料的方法。
背景技术
该背景部分中描述的的信息不被认为是现有技术。
银-氧化镉(Ag-CdO)复合材料目前通常用于开关、继电器和其他电气设备中的电接触器(electrical contactor)。在操作中，负载电压的电触头材料彼此相向前进或远离，产生电弧。电弧等离子体的温度可以例如从5700℃变化至9700℃。在正常服务寿命期间，电触头材料可经历数千个电弧周期(arc cycle)，例如，4,000至5,000个电弧周期。
由于镉的毒性，已经对在电触头材料的银基体中用无毒氧化物代替CdO进行研究。这样的研究集中在使用其他金属氧化物，例如锡氧化物(SnO2)、铋氧化物(Bi2O3或铋华)和铜氧化物(CuO)。这些材料中，Ag-SnO2是主要Ag-CdO替代者。然而，Ag-SnO2基本上次于Ag-CdO，因为Ag-SnO2具有比Ag-CdO高的初始接触电阻。此外，由于金属氧化物渣形成，在接触器的寿命期间Ag-SnO2的接触电阻比Ag-CdO更快速地增加。已利用另外的组分来减轻Ag-SnO2中的渣形成，但是没有方法成功地提供与Ag-CdO可比的接触电阻。因此，需要克服有毒的常规Ag-CdO电触头材料的限制和无法提供可比的接触电阻的Ag-CdO替代物的限制的改进的电触头材料。
发明内容
本公开内容部分地涉及解决了常规电触头材料和银复合电触头材料中的CdO替代材料的某些限制的电触头材料和方法。本文的某些实施方案解决了所提出的银复合电触头材料中的CdO替代材料关于接触电阻和热耗散的限制。
在根据本公开内容的一个非限制性实例中，经烧结的电触头材料包含：银基体；分散在银基体内的多至15％(重量/重量)的至少一种盐；以及不超过100份/百万(“ppm”)的镉和镉化合物。在电触头材料的某些非限制性实施方案中，分散在银基体中的盐的熔融温度低于960℃。
在根据本公开内容的另一个非限制性实例中，生产经烧结的电触头材料的方法包括：使包含银粉末和多至15％(重量/重量)的至少一种盐的颗粒的混合物均化；使经均化的混合物的至少一部分密实化以提供密实体；以及烧结密实体。在所述方法的某些非限制性实施方案中，至少一种盐的熔融温度低于960℃。
应理解，本说明书中描述的本发明不一定限于在本发明内容中所概括的实施例。
附图说明
通过参照附图，可以更好地理解本文所描述的材料和方法的特征和优点，其中：
图1是说明了使用根据本公开内容的经烧结的电触头材料的方法的一个非限制性实施方案的某些特征的图；
图2A和图2B是形成电弧之前(2A)和形成电弧之后(2B)根据本公开内容的经烧结的电触头材料的一个非限制性实施方案的显微照片；
图3是绘出根据本公开内容的经烧结的电触头材料的某些非限制性实施方案、以及Ag-CdO复合材料和Ag-SnO2复合材料的接触电阻随电弧周期数变化的图；
图4是绘出根据本公开内容的经烧结的电触头材料的一个非限制性实施方案的触头间的电压随时间变化的图；以及
图5是绘出根据本公开内容的经烧结的电触头材料的一个非限制性实施方案、以及Ag-CdO复合材料和Ag-SnO2复合材料的两个电触头间的电压随时间变化的放大图。
应理解，本发明在其应用中不限于上述附图中说明的布置方式。当考虑到根据本公开内容的电触头材料和方法的某些非限制性实施方案的以下详细描述时，读者将理解前述的细节以及其他。当使用电触头材料和/或实践本文所述的方法时，读者还可理解某些这样的附加细节。
具体实施方式
在本发明的非限制性实施方案和权利要求的描述中，除了操作实例中或其中另外说明以外，表示成分和产品、工艺条件等的数量或特征的所有数字应理解为在所有的情况下被术语“约”修饰。因此，除非相反地指出，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐述的任何数值参数为这样的近似值：其可根据试图在根据本公开内容的电触头材料和方法中获得的所需性质而变化。至少，不是作为试图限制权利要求书的范围的等同原则的应用，至少应根据所报告的有效数字的数目和通过应用普通凑整技术来解释每个数值参数。
本公开内容部分地涉及解决常规电触头材料和银复合材料中CdO替代材料的某些限制的电触头材料和方法。根据某些非限制性实施方案，经烧结的电触头材料包含银基体以及分散在银基体中的至少一种盐。银可为电接触器提供成本有效的基体材料。在某些非限制性实施方案中，电接触器的基体可包括其他合适惰性贵金属。如以下进一步说明，根据本公开内容的材料的某些非限制性实施方案用于需要在高温下反复形成电弧的电接触器。通过电接触器的重复使用，这样的形成电弧可潜在地引起氧化。根据特定的电接触器的使用需求或偏好，其他金属如铜可以不向电接触器提供所需的抗氧化性。
在某些非限制性实施方案中，基于经烧结的电触头材料的总重量，盐可以以按重量计多至15％的量存在。在电触头材料和方法的某些非限制性实施方案中，分散在银基体中的盐具有晶体结构，还具有低于960℃(银的熔融温度)的熔融温度。根据某些另外的非限制性实施方案，基于经烧结的电触头材料的总重量，盐可以以按重量计0.5％至10％范围的量存在。根据某些其他非限制性实施方案，基于经烧结的电触头材料的总重量，盐可以以按重量计2％至5％范围的量存在。
在电触头材料和方法的某些非限制性实施方案中，分散在银基体内的盐经历可逆、吸热(吸收热量)的相变或相转变，例如，固体至液体的变化。这些盐可由于其暴露于温度范围时可逆地储存和释放热量的能力而被选择。就此而言，不考虑使镉和镉氧化物作为分散在银基体内的盐，因为镉蒸发和镉氧化物分解均为不可逆过程。根据本公开内容的盐可以包括基于氟化物、氯化物、氢氧化物、硝酸盐和碳酸盐的组合物，只要盐经历可逆、吸热的相变或相转变即可，并且另外适用于在电接触器中使用。
根据本公开内容的某些非限制性实施方案，分散在银基体内的盐可经历环境温度(约20℃)和银的熔融温度(约961.8℃)之间的至少一个可逆、吸热的相变。根据某些非限制性实施方案，分散在银基体内的盐经历高于环境温度且低于960℃的多个可逆、吸热的相变。根据另一些非限制性实施方案，分散在银基体内的盐经历高于环境温度且低于800℃的至少一个可逆、吸热的相变。
根据某些非限制性实施方案，包含在根据本公开内容的经烧结的电触头材料中的盐选自：氟化锂、氮化锌、硫酸钠和碳酸镁。根据特定电触头材料的使用需求或偏好，分散在银基体中的盐不聚集并且可在电触头材料的使用期间抑制渣形成。离子盐添加剂例如氟化锂(LiF)、硫酸钠(Na2SO4)和碳酸镁(MgCO3)可以表现出相对高的熔融热(例如，大于24kJ/mol)并且在低于800℃熔化。根据另一些非限制性实施方案，可以使用陶瓷共价相变材料代替盐。在约600℃至700℃下，氮化锌(Zn3N2)经历可逆、吸热的形态学变化，并且是陶瓷共价相变材料的一个实例。本公开内容的盐和/或陶瓷共价相变材料的一个或更多个可逆、吸热的转变可以减少由电弧的热效应引起的银损失。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开内容的经烧结的电触头材料包含不超过100ppm(重量/重量)的镉和镉化合物。根据另一些非限制性实施方案，根据本公开内容的经烧结的电触头材料包含不大于偶然发生的浓度(incidental concentration)的镉和镉化合物。根据另一些非限制性实施方案，根据本公开内容的经烧结的电触头材料不含或基本上不含镉和镉化合物。
根据特定电触头材料的使用需求或偏好，替代氧化物材料可能比不上常规银复合触头材料中的镉氧化物的某些性能特征。例如，不同于镉氧化物的金属氧化物可能不延迟由于形成电弧的接触器腐蚀。渣形成由于使用替代金属氧化物可导致接触电阻增大。包含替代金属氧化物的触头会倾向于缩短触头寿命的电弧焊。
根据某些非限制性实施方案，分散在根据本公开内容的电触头材料的银基体内的盐的粒径可以为0.5微米至10微米，或者1微米至10微米。在某些非限制性实施方案中，分散在银基体中的材料的粒径可以为0.5微米至10微米，或者1微米至10微米。在某些非限制性实施方案中，粒径是以所指定的粒径为中心的颗粒分布尺寸的平均值。在某些非限制性实施方案中，如果粒径为0.5微米至10微米，则至少90％的颗粒的尺寸为0.5微米至10微米。
参照图1，说明了使用根据本公开内容的经烧结的电触头材料的方法的一个非限制性实施方案。所述方法包括将包含分散在其中的至少一种盐的接触器放在一起(100)。当接触器放在一起时发生电弧。强制触头在一起(110)并且当高电流通过接触器时加热。当分离接触器(120)时，再次发生电弧。
参照图2A和2B，根据本公开内容包含分散在银基体中的盐的经烧结的电触头材料的一个非限制性实施方案的背面散射扫描电子图像示出了形成电弧之前(图2A)和形成电弧之后(图2B)的材料。在图2B中，银的小液滴或冷凝物(130)是可见的，表明电弧之后银损失的程度降低。由于银损失降低，所以接触电阻在一系列电弧周期中通常可以保持稳定。在某些非限制性实施方案中，包含具有3％(重量/重量)氟化锂的银基体的电触头材料可以表现出20μg/电弧的净质量损失。净质量损失是形成电弧之后两个电接触器的质量变化。根据本公开内容的电触头材料的净质量损失有利地与本领域已知的电触头材料相比。
参照图3，示出了在一系列电弧周期中的接触电阻。“接触电阻”是本领域的术语，并且将容易被电子材料中的普通技术人员所理解。例如，接触电阻可以指在电接触器上所测量的电压与电流的比率。通过使100安培的电流通过电接触器并且测量跨越电接触器所得的电位差来测量图3中的接触电阻。该电阻被描述为“约束(constriction)”电阻。该现象公认的模型表示接触表面之间的界面为本体金属复合材料中的电子可用路径的约束。
对于纯银电接触器而言，初始电位差可以为约10mV，导致初始接触电阻为约100μΩ。对于包含其中并入氧化镉的银基体的市售电接触器，或者包含其中并入10％(重量/重量)氧化锡和2％(重量/重量)铋氧化物的银基体的电接触器而言，初始电位差可以大于40mV，导致初始接触电阻大于400μΩ。对于包含作为盐分散于其中的氟化锂的根据本公开内容的某些非限制性实施方案的银复合材料电接触器而言，初始电位差可以为约20mV，导致初始接触电阻为约200μΩ。根据本公开内容的某些非限制性实施方案的银复合材料电接触器可以显示出不大于400μΩ的初始接触电阻。
仍然参照图3，在约2,000个电弧周期的跨度上测试根据本公开内容的电触头材料的一个非限制性实施方案。该实施方案的电触头材料由其中并入按重量计3％的氟化锂作为盐的银基体形成。在2,000个电弧周期之后，该实施方案的电触头材料表现出小于500μΩ的接触电阻。在某些非限制性实施方案中，在2,000个电弧周期之后，根据本公开内容的电触头材料的接触电阻可以小于400μΩ。在某些非限制性实施方案中，在2,000个电弧周期之后，根据本公开内容的电触头材料的接触电阻可以小于300μΩ。在某些非限制性实施方案中，在2,000个电弧周期之后，根据本公开内容的电触头材料的接触电阻可以小于200μΩ。
与根据本公开内容的某些非限制性实施方案的电接触器相比，银基体中包含锡氧化物的电接触器通过反复使用，特别是在约3,000个电弧周期之后并且再在约6,000个电弧周期之后表现出接触电阻的显著增大。虽然不希望受到理论的约束，但是认为这种材料的接触电阻的增大是由于材料表面上的渣形成。渣形成(延伸的共价网)是放热过程。因此，接触器表面上的渣形成可以加剧银从接触器蒸发，导致接触器的寿命减少。相比之下，参照图3，由其中并入氟化锂的银基体形成的电触头材料通常表现出多至约2,000个电弧周期的稳定接触电阻。虽然不希望受到任何特定理论的约束，但是认为在临界温度下盐的吸热相变快速吸收热，从而减少银在极限温度下的蒸发。
参照图4，说明了当两个电接触器放在一起时，由根据本公开内容的经烧结的电触头材料制成的接触器的一个非限制性实施方案的弧电压波形图。如图4所示，在接触器放在一起之前，出现约450V的高电压。当两个电接触器放在一起时，电压峰值到达约500V，并且在两个接触器之间发生电弧。
图5是绘出与包含CdO或SnO2的银复合材料电触头材料相比，包含2％(重量/重量)LiF的经烧结的银复合材料电触头材料的跨越两个电接触器的电压随时间变化的放大图。在接触器之间产生电弧之后的时间段内，电压随时间的积分表示由电触头材料承受的电弧能。降低的电弧能与通过电弧等离子体热量蒸发的银的减少量有关，反过来这可以导致在一系列电弧周期中更稳定的接触电阻。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开内容的电触头材料可以通过使包含金属粉末和盐颗粒的混合物均化来生产。盐颗粒占混合物的多至15％(重量/重量)。在某些非限制性实施方案中，盐颗粒占混合物的0.5％至10％(重量/重量)。在某些另外非限制性实施方案中，盐颗粒占混合物的2％至5％(重量/重量)。根据某些非限制性实施方案，金属粉末可选自金属银粉末和含银的金属粉末。根据某些非限制性实施方案，盐可选自氟化锂、氮化锌、硫酸钠和碳酸镁。在某些非限制性实施方案中，可以在球磨机中组合金属粉末与盐颗粒以提供混合物。在某些非限制性实施方案中，盐的粒径与金属粉末的粒径基本相似，以在密实化之前提供颗粒之间的充分混合。例如，盐和金属粉末的颗粒的粒径可以均为0.5微米至10微米，或者1微米至10微米。在其他的非限制性实施例中可以使用另外的混合方法，例如振动混合器、高能磨机、液体混合器和圆筒混合器。
可使经均化的混合物的至少一部分密实化以提供密实体。可烧结密实体。可通过例如密实体的电流辅助烧结、无压烧结、和/或液相烧结来实现烧结。根据某些非限制性实施方案，可以在低于900℃的温度范围内发生烧结。例如，可以在环境温度至900℃的温度范围内发生烧结。根据另一些非限制性实施方案，可以在500℃至900℃的温度范围内发生烧结。根据某些非限制性实施方案，可以在高至840℃的温度下发生烧结。根据某些另外的非限制性实施方案，可以在高至750℃的温度下发生烧结。根据某些另外的非限制性实施方案，可以在高至500℃的温度下发生烧结。
根据某些非限制性实施方案，将密实体保持在烧结温度下多至两小时以烧结密实体。如本文使用的短语，例如关于温度、温度范围或最低温度的“保持在”，表示密实体的至少期望部分达到、保持在至少等于参考温度或在参考温度范围内的温度。根据某些非限制性实施方案，通过将密实体保持在第一温度下第一时间段，并随后在第二、更高的温度下保持第二时间段来烧结密实体。根据某些非限制性实施方案，第一温度和第二温度可相差至少150℃。根据某些另外的实施方案，第一温度和第二温度可相差小于150℃。根据某些非限制性实施方案，第一时间段和第二时间段可相同。根据某些另外的非限制性实施方案，第一时间段和第二时间段可以不同。
根据某些非限制性实施方案，可以在小于1atm(即，小于101,325Pa)的压力下烧结密实体。例如，可以在0.1Pa至小于101,325Pa的压力下进行烧结。根据某些非限制性实施方案，可以在133Pa至小于101,325Pa的压力下进行烧结。
根据某些非限制性实施方案，烧结之后，经烧结的密实体可进一步进行机械加工。另外的机械加工可包括，例如锻造或轧制到厚度小于1mm。根据某些非限制性实施方案，可将经烧结的密实体锻造并轧制到厚度小于0.5mm。根据某些非限制性实施方案，加工经烧结的电触头材料使其为电开关或电接触器的至少一个区域的形式。
虽然前述说明书已必要地展示了仅有限数目的实施方案，但是本领域的普通技术人员将意识到，本领域的技术人员可以对本文已描述并说明的电触头材料和方法以及实施例的其他细节进行多种改变，并且所有这样修改将保持在如本文和所附权利要求书中表达的本公开内容的精神和范围内。因此，应理解虽然本发明不限于本文所公开或包括的特定实施方案，但是如权利要求书所限定的，旨在涵盖本发明的精神和范围内的修改。本领域技术人员还应理解的是，可以对以上实施方案进行改变而不脱离其宽的发明构思。
本说明书中描述的电触头材料和方法可以包括本说明书中描述的多个特点和特征、由本说明书中描述的多个特点和特征组成或者基本上由本说明书中描述的多个特点和特征组成。除非另外说明，否则如本说明书中使用的语法冠词“一个”、“一”和“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或更多个”。因此，本说明书中使用的冠词是指冠词的语法对象的一个或多于一个(即，指“至少一个”)。举例来说，“至少一种盐”是指一种或更多种盐，因此可能考虑多于一种盐并且可以利用于或使用于所述电触头材料和方法的实施中。此外，除非用法的上下文另外要求，否则单数名词的使用包括复数，并且复数名词的使用包括单数。

Claims (15)

1.一种经烧结的电触头材料，包含：
银基体；
分散在所述银基体内的多至15％(重量/重量)的至少一种盐，其中所述至少一种盐的熔融温度低于960℃；以及
不超过100ppm(重量/重量)的镉和镉化合物。
2.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，包含0.5％至10％(重量/重量)的所述至少一种盐。
3.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，包含2％至5％(重量/重量)的所述至少一种盐。
4.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，其中所述至少一种盐包括盐化合物。
5.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，其中所述至少一种盐选自：氟化锂、氮化锌、硫酸钠和碳酸镁。
6.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，其中所述经烧结的电触头材料的初始接触电阻不大于400μΩ。
7.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，其中所述经烧结的电触头材料不含镉和镉化合物。
8.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，其中分散在所述银基体中的所述至少一种盐的平均粒径分布在0.5微米至10微米的范围内。
9.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，其中在2,000个电弧周期之后，所述经烧结的电触头材料的接触电阻不大于500μΩ。
10.根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料，其中在2,000个电弧周期之后，所述经烧结的电触头材料的接触电阻在100μΩ至500μΩ的范围内。
11.一种制品，包含根据权利要求1所述的经烧结的电触头材料。
12.根据权利要求11所述的制品，包含权利要求5所述的经烧结的电触头材料。
13.根据权利要求11所述的制品，其中所述制品选自电接触器和电开关。
14.一种生产经烧结的电触头材料的方法，所述方法包括：
使包含银粉末和多至15％(重量/重量)的至少一种盐的颗粒的混合物均化，其中所述至少一种盐的熔融温度低于960℃；
使经均化的混合物的至少一部分密实化以提供密实体；以及
烧结所述密实体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在500℃至900℃的温度范围内，在0.1Pa至小于101,325Pa或者101,325Pa至20MPa的压力下烧结所述密实体。
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