CN108067612A - 一种高可焊性片状平行结构银石墨触头的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可焊性片状平行结构银石墨触头的制备工艺。该工艺依次包括以下步骤：1)根据所需要制备的银石墨电触头的材料配比计算所需的石墨粉和银粉的用量，称量后进行混粉，得到混合粉；2)所得混合粉等静压成型，得到银石墨坯锭；3)所得银石墨坯锭进行脱碳，得到脱碳后的银石墨坯锭；4)所得脱碳后的银石墨坯锭于保护气氛条件下烧结，得到烧结后的银石墨坯锭；5)所得烧结后的银石墨坯锭进行常规挤压、常温轧制、常规冲压，即得。本发明所述制备工艺简单，生产成本低，可有效提高触头材料的加工性能及焊接性能。

Description

一种高可焊性片状平行结构银石墨触头的制备工艺

技术领域

本发明涉及银石墨触头材料，具体涉及一种高可焊性片状平行结构银石墨触头的制备工艺。

背景技术

现有银石墨(AgC)触头的制备工艺主要分为两大类：一类是粉末单片压制工艺，另一类为挤压工艺，其中：

单片压制工艺是将银石墨粉末装入模具型腔中进行压力压制，加工成片状触头，再经烧结、复压、后处理等工序加工成成品片状触头；其中触头焊接银层(Ag)可通过压力压制工艺实现银石墨层与银层的压制成型(即在压力压制阶段加工成AgC/Ag触头)，也可通过后续的单片脱碳工艺，获得焊接银层。因受限于设备条件及加工工艺，该方法加工的触头组织疏松、密度低，焊接银层孔隙多，需要添加焊料才能焊接，且焊接质量并不稳定。

挤压工艺加工的银石墨材料，由于经过热挤压，材料组织更致密，石墨颗粒呈纤维状分布，材料在电性能方面表现更好，因此获得广泛应用。挤压工艺加工的银石墨材料，根据石墨纤维与工作面的关系，分为垂直结构银石墨触头(即石墨纤维垂直工作面表面)与平行结构银石墨触头(即石墨纤维平行工作面表面)。两种触头相比较，垂直结构银石墨触头的抗烧损性好，而平行结构银石墨触头抗熔焊性较好，因此，两种触头各有优缺点，适用不同需求。但是，由于平行结构银石墨触头在焊接银层制备加工方面及大批量生产技术方面存在较大的困难，所以挤压工艺加工的银石墨触头，长期由垂直结构的银石墨触头占据主流地位。

垂直结构银石墨触头的常规工艺流程为：

锭子制备——挤压——切片——脱碳——复压——分切——后处理。

垂直结构银石墨触头的焊接银层是通过挤压后，单片脱碳获得，类似单片压制工艺的产品采用脱碳工艺获得银层，但不同之处是，脱碳时，往往采用整片产品脱碳的方式，即六个表面都脱碳，所以要获得工作面，还需要将产品一个表面的脱碳银层处理掉，即使如此，在工作面的四周，还是存在一定厚度的脱碳银层的；另一方面，为了区分焊接银层面及工作面，工艺流程中还需要增加产品压花的步骤，所以垂直结构银石墨产品的工艺流程长、相对繁锁，成本较高。此外，由于脱碳银层固有的特点，即脱碳后银层疏松、孔隙多，增加了焊接难度，焊接质量稳定性差。

而制备平行结构银石墨触头的工艺主要有两种，分别如下：

(1)带料脱碳制备工艺

锭子制备——挤压——轧制——带料脱碳——工作面加工——冲压加工成片状触头或分剪加工成条料。

(2)锭子复合挤压

锭子制备——银层制备——挤压——工作面加工——轧制——冲压加工成片状触头或分剪加工成条料。

公开号为CN101866761A的发明专利，公开了一种银石墨-银复合电触头材料的制备方法及其专用抗氧化剂涂料，其中银石墨-银复合电触头材料的制备方法为：将银粉和石墨粉混合，经过烧结挤压成石墨呈纤维状排列的丝材或带材，将银石墨丝切成一定厚度的片，银石墨带材经过多次热轧制至一定厚度，然后在银石墨片的一面轧上花纹，在经过清洗后的银石墨片的无花纹面和带材的一面涂上抗氧化剂，放入脱碳炉中加热脱碳，然后去除抗氧化剂，带材经过精轧后冲或者裁成规定规格，最终得到一面有纯银复合层的银石墨-银复合电触头材料。该发明生产成本低，加工效率较高，复合银层均匀，复合层结合强度相对较高，工作面保护相对良好，适合大批量生产；但是，由于需要涂抹及去除抗氧化剂，生产流程仍然较长；对涂层的均匀性需要把控好，否则易造成工作面脱碳；由于脱碳层未经过大变形加工，仍然会有较多孔隙，对焊接存在影响。

公开号为CN1713463A的发明专利，公开了一种制造纤维状银石墨/银触头的加工方法》涉及一种制造纤维状银石墨/银触头的加工方法，该方法包括下述步骤：将银、石墨混合粉料经烧结－挤压制成石墨定向排列、呈纤维状的银石墨型材，通过脱碳处理，在其外表面形成银层，随后进行保护性腐蚀，成为一面为工作面(无银层)，另一面为焊接面(银层)的银石墨/银触头，其特征在于增加了如下步骤：1)反复进行冷轧或温轧—退火，轧至一定的厚度；2)在空气或富氧气氛中将带材加热和保温，使其表面的石墨被氧化；3)带材的某一面贴上保护层；4)浸入硝酸溶液；5)剥去保护层，再次进行轧制和退火，将带材轧至规定厚度；6)在银层面轧出与石墨纤维方向一致的条纹；7)将带材冲或裁制成规定尺寸。本方法制造的触头焊接面银层均匀、焊接性能良好，工作面无残留银层，具有良好的工艺及使用性能。但在实际生产过程中，由于银石墨产品的塑性低，在轧制时极易出现开裂；而硝酸浸泡去除脱碳层时，操作环境对生产操作者存在有害影响，同时比较难以控制去除的厚度，很难保证工作层无脱碳层残留，且增加了材料的损耗，成本提升；脱碳层同样未经大变形加工，对后续的焊接存在影响。

公开号为CN101693955A的发明专利，公开了一种银石墨电接触带材制备方法，具体包括银石墨锭子制备、复银银石墨带材制备、复银带材轧制、复银带材复焊料、复银复焊料银石墨带材型轧、抛光、去油、烘干进行表面处理等步骤制得银石墨电接触带材成品。该发明具有复银层厚度均匀、稳定、可控，焊料层厚度均匀、稳定、可焊接性能良好的特性等优点，但需要制备出与银石墨锭子配合良好的银层，而在实际操作过程中，往往难以做到配合良好，一定程度上影响到银石墨与银层的结合强度；另一方面，该发明为了改善焊接性，进行了复焊料加工，既增加了工艺流程，也提高了生产成本。

公开号为CN105551859A的发明专利，公开了一种片状银石墨电触头材料的制备方法，具体为：按照所需要制备的银石墨电触头的材料配比计算所需的石墨粉和碳酸银粉末，称取备用；将碳酸银粉末与石墨粉进行混粉，得到的碳酸银石墨混合粉经成型、焙烧、烧结和脱碳工序，得到锭子外侧包裹银层的银石墨坯锭；再进一步经热挤压加工成带材，之后经轧制、冲压加工，得到片状银石墨电触头。该发明所述方法可有效减少脆性相石墨与银颗粒的直接接触，使制得的产品的力学物理性能和加工性能更为优良，金相组织更为均匀。该技术方案中提及银石墨锭子进行脱碳获得银层的工艺，该工艺所获得的银层，由于受脱碳时温度、气氛的影响，实际生产过程中存在脱碳不均匀的问题，从而影响到触头的性能及后续焊接；另一方面，为提高材料的致密性，采用的挤压比较大，限制了最终产品尺寸的范围，触头厚度尺寸往往不能太薄，也不能太厚，因此该发明的工艺仍然具有一定的局限性，影响到产品的批量生产及触头的焊接性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高可焊性片状平行结构银石墨触头的制备工艺，该工艺简单，生产成本低，可有效提高触头材料的加工性能及焊接性能。

本发明所述的高可焊性片状平行结构银石墨触头的制备工艺，依次包括以下步骤：

1)根据所需要制备的银石墨电触头的材料配比计算所需的石墨粉和银粉的用量，称量后进行混粉，得到混合粉；

2)所得混合粉等静压成型，得到银石墨坯锭；

3)所得银石墨坯锭进行脱碳，得到脱碳后的银石墨坯锭；

4)所得脱碳后的银石墨坯锭于保护气氛条件下烧结，得到烧结后的银石墨坯锭；

5)所得烧结后的银石墨坯锭进行常规挤压、常温轧制、常规冲压，得到片状平行结构银石墨触头。

上述制备工艺的步骤1)中，石墨粉和银粉的粒度选择与现有技术相同，优选地，选用平均粒度为10～50μm的银粉，选用平均粒度为3～8μm的石墨粉。所述银粉与石墨粉的混粉操作与现有技术相同，具体可以在混合器中进行，优选是在转速为20～40r/min的条件下搅拌1～4h。

上述制备工艺的步骤2)中，等静压成型操作与现有常规操作相同，具体地，等静压成型的成型压力通常为100～150MPa。

上述制备工艺的步骤3)中，银石墨坯锭通常是在空气中进行脱碳。为了更好地控制脱碳设备内的气氛一致性，从而改善脱碳层的均匀性及一致性，优选银石墨坯锭在压缩空气或氧气中进行脱碳，控制气流量为5～10L/min。该步骤中，脱碳优选是在650～800℃条件下进行，时间为2～6h；其中脱碳时间可根据最终产品厚度及银层厚度进行常规调整。

上述制备工艺的步骤4)中，烧结操作与现有常规操作相同，优选是在800～900℃条件下烧结3～6h。

上述制备工艺的步骤5)中，所述的挤压、冲压操作均与现有常规操作相同，具体地，挤压温度为750～850℃。由于前述各工艺步骤对材料性能的改善，使得轧制时可在常温条件下进行，且轧制时变形量得到有效提升，为每道次轧制变形量≤30％，提高了材料的加工性能，并提高了生产效率，降低了生产成本。

上述工艺制备得到的银石墨触头在后续的焊接过程为电阻焊接过程，焊接时不需要添加焊料。

与现有技术相比，本发明的特点在于：

1、工艺简单，流程简化。整个工艺过程主要分为五大步骤，坯锭制备、脱碳、烧结、挤压、轧制，工艺过程明显简化，而各大步骤中，由于没有特殊的操作过程，也就不会涉及到特殊设备的投入，对生产条件要求没有特殊性，更能实现产品的批量生产。

2、采用坯锭直接脱碳获得锭子外侧为银层的脱碳锭(脱碳后的银石墨坯锭)，即减少了坯锭烧结流程，同时也解决了银层与锭子的包裹、配合问题，改善了最终触头银石墨层与焊接银层的结合强度；采用等静压成型所得的银石墨坯锭脱碳工艺，也避免了带料脱碳所带来的带料脱碳前加工性差、脱碳层不易控制、脱碳层致密性不够导致的焊接性不良、材料银损耗大以及化学品处理等问题。

3、脱碳锭之后的烧结工序有效地提高了脱碳层的致密性以及锭子整体的致密性，对提高材料的加工性能及焊接性起着重要作用，也使得加工厚度尺寸大于1.5mm或小于0.7mm的触头产品成为可能。

4、挤压加工是制备出符合要求的有焊接银层的银石墨带料的关键工序之一，该过程充分利用了挤压时材料的流动特点，从而获得一面为银石墨工作层的带料；而通过前述烧结致密化后，该过程也可以将挤压比减少，获得厚度尺寸大于1.5mm以上且材料性能满足要求的带料，从而扩展了产品尺寸范围。

5、由于前述各步骤对材料性能的改善，在轧制过程中，可以实现常温轧制，从而有效的降低了工艺加工难度，提高了生产效率，降低了生产成本，可实现大批量生产。

6、由于前述步骤对材料致密性的改善，可以实现触头焊接时，不需要另外增加焊料层或添加焊料，即触头银层与触桥的直接焊接，实现触头的高可焊性，且钎着率达到95％以上，降低了生产成本，提高了产品的焊接质量。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的触头材料的金相图(100×)；

图2为本发明实施例1制得的触头材料进行无焊料电阻焊接后的金相图(50×)；

图3为本发明实施例2制得的触头材料的金相图(100×)；

图4为本发明实施例2制得的触头材料进行无焊料电阻焊接后的金相图(50×)；

图5为本发明对比例1制得的触头材料的金相图(100×)；

图6为本发明对比例1制得的触头材料进行无焊料电阻焊接后的金相图(100×)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容,但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

1)按照制备10kg AgC(3)材料配比计算银粉与石墨粉所需的用量，称取9.7kg银粉和0.3kg银石墨粉，使用双锥混料器上进行混粉，转速25r/min，时间2h，得到混合粉；

2)所得混合粉置于等静压设备上成型，成型压力为100MPa，得到银石墨坯锭；

3)所得银石墨坯锭置于脱碳炉中，向脱碳炉通入压缩空气，气流量为5L/min，升温到650℃，保温脱碳6h，得到脱碳后的银石墨坯锭；

4)所得脱碳后的银石墨坯锭置于烧结炉中，在氢气保护条件下进行烧结，烧结温度为800℃，时间为6h，得到烧结后的银石墨坯锭；

5)将烧结后的银石墨坯锭按常规挤压工艺挤压成带料，挤压温度为850℃，挤压比为100；

6)将挤压所得带料在常温下，按每道次轧制变形量25％进行轧制至成品厚度(0.55mm)，得到成品带料；

7)将所得成品带料按常规工艺冲压成片状触头，并进行无焊料电阻焊接。

对比例1

1)按照制备10kg AgC(3)材料配比计算银粉与石墨粉所需的用量，称取9.7kg银粉和0.3kg银石墨粉，使用双锥混料器上进行混粉，转速25r/min，时间2h，得到混合粉；

2)所得混合粉置于等静压设备上成型，成型压力为150MPa，得到银石墨坯锭；

3)所得银石墨坯锭置于烧结炉中，在氢气保护条件下进行烧结，烧结温度为920℃，时间为4h，得到烧结后的银石墨坯锭；

4)所得脱碳后的银石墨坯锭置于脱碳炉中，在空气气氛中脱碳，升温到650℃，保温脱碳6h，得到脱碳后的银石墨坯锭；

5)将脱碳后的银石墨坯锭按常规挤压工艺挤压成带料，挤压温度为880℃，挤压比为200；

6)将挤压所得带料进行多次轧制(每道次轧制变形量15％)、退火至所需尺寸(0.7mm)，得到成品带料；

7)将所得成品带料按常规工艺冲压成片状触头，并进行无焊料电阻焊接。

实施例2

重复实施例1，不同的是：

步骤2)中，等静压成型压力为150MPa；

步骤3)中，向脱碳炉通入压缩空气的气流量为10L/min，脱碳温度为800℃，时间为2h；

步骤4)中，烧结温度为900℃，时间为3h；

步骤5)中，挤压温度为750℃，挤压比为80。

实施例3

重复实施例1，不同的是：

步骤2)中，等静压成型压力为120MPa；

步骤3)中，向脱碳炉通入压缩空气的气流量为8L/min，脱碳温度为750℃，时间为3h；

步骤4)中，烧结温度为850℃，时间为4h；

步骤5)中，挤压温度为800℃，挤压比为200。

将上述实施例1-2及对比例1制得的触头材料进行金相组织分析，分别如图1、3和5所示；并对实施例1-2及对比例1制得的触头进行无料电阻焊接后进行金相组织分析，分别如图2、4和6所示。

由图1-6可知，按本发明工艺制备的触头金相组织均匀，脱碳层厚度一致性较好，焊接质量较好；而现有常规锭子烧结工艺(即对比例1)制备的触头焊接层厚度一致性较差，影响焊接质量，同时触头结合层强度较低。

将上述实施例1-2及对比例1制得的触头材料进行性能检测，结果如下述表1所示：

表1：

Claims (5)

1.一种高可焊性片状平行结构银石墨触头的制备工艺，其特征在于：依次包括以下步骤：

1)根据所需要制备的银石墨电触头的材料配比计算所需的石墨粉和银粉的用量，称量后进行混粉，得到混合粉；

2)所得混合粉等静压成型，得到银石墨坯锭；

3)所得银石墨坯锭进行脱碳，得到脱碳后的银石墨坯锭；

4)所得脱碳后的银石墨坯锭于保护气氛条件下烧结，得到烧结后的银石墨坯锭；

5)所得烧结后的银石墨坯锭进行常规挤压、常温轧制、常规冲压，得到片状平行结构银石墨触头。

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：步骤3)中，所述银石墨坯锭在压缩空气或氧气中进行脱碳，流量为5～10L/min。

3.根据权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于：步骤3)中，脱碳在650～800℃条件下进行，时间为2～6h。

4.根据权利要求1或2所述的制备工艺，其特征在于：步骤4)中，烧结在800～900℃条件下进行。

5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于：烧结的时间为3～6h。