CN108251683A - 一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料，包括Ag粉、Ni粉和TiB2粉三种组分，所述Ni粉、TiB2粉和Ag粉的质量百分比分别为2％～15％，2％～8％，77％～96％，以上组分质量百分比之和为100％。本发明还公开了耐抗熔焊性能的银基电触头材料的制备方法：将按比例称取好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉进行预先混粉4～8h，随后在三维运动混粉机上继续混粉2～6h，再将混合粉末压制成压坯后烧结，即得AgNi‑TiB2电触头材料。本发明的AgNi‑TiB2电触头材料通过在AgNi触头材料中引入TiB2颗粒，显著改善了AgNi触头材料抗熔焊性差的问题，获得了电气性能优异且低银含量的AgNi‑TiB2电触头材料。

Description

一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料及制备方法
技术领域
本发明属于低压触头材料技术领域，具体涉及一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料，本发明还涉及该银基电触头材料的制备方法。
背景技术
触头是各种高低压开关、电器、仪器仪表、元器件的核心部件，其性能好坏直接影响整个电器的通断容量、使用寿命和运行的可靠性等。电触头材料的种类繁多，其中AgNi触头材料是一种典型的低压触头材料，不仅具有良好的导电性、耐电磨损性以及低而稳定的接触电阻，还具有良好的塑性和可加工性能。目前AgNi触头材料广泛用于交直流继电器、接触器、微型断路器、配电继电器、汽车继电器、光控开关、温控器等低压电器领域。但是，AgNi触头材料存在抗熔焊性差和机械强度低等不足，因而限制了该触头材料的广泛应用。随着工业电器配电电压等级要求的提高，以及断路器、接触器等低压电器对小型化、多功能化、工作寿命、可靠性要求的日益提高，传统AgNi系触头材料的性能亟待提高，尤其是抗熔焊性能。抗熔焊性能的好坏，直接影响着触头材料的电流电压等级、电器元件的运行可靠性和使用寿命。已有研究表明，在不显著影响AgNi系材料的加工性能前提下，通过加入适量的添加剂，如金属氧化物、石墨等，可改善AgNi系触头材料的抗熔焊性能和耐电磨损性能，进而提升AgNi系触头材料的电流使用等级，扩大其应用范围；或利用添加剂自身特性，如稀土元素具有细化颗粒的作用、金属氧化物具有增加熔池粘度的作用等，可以起到改变AgNi系合金的物理性能和电性能的作用。TiB2陶瓷因其熔点高(2900℃)、硬度大(2.9GPa)、导电导热性好(8.33MS/m)，以及优异的耐磨和耐电弧侵蚀等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料，解决了现有电触头材料抗熔焊性能差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料，包括Ag、Ni和TiB2三种组分，Ni、TiB2和Ag的质量百分比分别为2％～15％，2％～8％，77％～96％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：Ni粉、TiB2粉和Ag粉2％～15％，2％～8％，77％～96％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，球磨机转速为250～350r/min，得到预混粉末；
步骤3，将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为30～40Hz，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3再次混粉后的混合粉末放入模具中进行压制，制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度不低于10-3Pa，以70℃/min的升温速率升温至750～850℃，保温8～20min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
本发明的特点还在于，
步骤2预先混粉的混粉时间为4～8h。
步骤3再次混粉的混粉时间为2～6h。
步骤4压制的压强为10～30MPa，保压10～30s。
步骤1中Ag粉纯度不小于99.9％、粒度为72μm，Ni的纯度不小于99.9％、粒度为50nm，TiB2粉的纯度不小于99.9％、粒度50nm。
步骤2无水乙醇添加量为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.5～1.2％，聚乙烯吡络烷酮的添加量为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.5～2.0％。
本发明的有益效果是，本发明的一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料，通过在AgNi触头材料中引入TiB2颗粒，显著提高了触头材料的耐电弧侵蚀性能和抗材料转移性能，改善了AgNi触头材料抗熔焊性差的问题，获得了电气性能优异且低银含量的AgNi-TiB2电触头材料。
附图说明
图1是本发明一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料制备流程图；
图2是本发明一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料电弧侵蚀后阴极形貌图；
图3是本发明一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料电弧侵蚀后阳极形貌图。
具体实施方式
本发明提供的一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料，包括Ag、Ni和TiB2三种组分，Ni、TiB2和Ag的质量百分比分别为2％～15％，2％～8％，77％～96％，以上组分质量百分比之和为100％。
一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法具体流程如图1所示，具体操作步骤如下：
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：纯度不小于99.9％、粒度为50nm的Ni粉2％～15％，纯度不小于99.9％、粒度50nm的TiB2粉2％～8％和纯度不小于99.9％、粒度为72μm的Ag粉77％～96％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，球磨机转速为250～350r/min，混粉4～8h，得到预混粉末；
步骤3，将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为30～40Hz，混粉2～6h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3再次混粉后的混合粉末放入模具中进行压制，压强为10～30MPa，保压10～30s，制成压坯。
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度不低于10-3Pa，以70℃/min的升温速率升温至750～850℃，保温8～20min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
步骤1中Ag粉纯度不小于99.9％、粒度为72μm，Ni的纯度不小于99.9％、粒度为50nm，TiB2粉的纯度不小于99.9％、粒度50nm。
步骤2的无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮的添加量分别为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.5～1.2％、0.5～2.0％。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：纯度不小于99.9％、粒度为50nm的Ni粉2％，纯度不小于99.9％、粒度50nm的TiB2粉2％和纯度不小于99.9％，粒度72μm的Ag粉96％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮的添加量分别为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.5％、0.5％，球磨机转速为250r/min，混粉4h，得到预混粉末；
步骤3，将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为30Hz，混粉时间2h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3再次混粉后的混合粉末放入模具中进行压制，制成压坯，压强为10MPa，保压10s；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度1.2×10-4Pa，以70℃/min的升温速率升温至750℃，保温8min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
实施例2
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：纯度不小于99.9％、粒度为50nm的Ni粉15％，纯度不小于99.9％、粒度50nm的TiB2粉8％和纯度不小于99.9％，粒度72μm的Ag粉77％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮的添加量分别为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的1.2％、2.0％，球磨机转速为350r/min，混粉8h，得到预混粉末；
步骤3，将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为40Hz，混粉时间6h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3再次混粉后的混合粉末放入模具中进行压制，制成压坯，压强为30MPa，保压30s；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度1.5×10-4Pa，以70℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
实施例3
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：纯度不小于99.9％、粒度为50nm的Ni粉5％，纯度不小于99.9％、粒度50nm的TiB2粉5％和纯度不小于99.9％，粒度72μm的Ag粉90％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮的添加量分别为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.85％、1.2％，球磨机转速为300r/min，混粉6h，得到预混粉末；
步骤3，将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为35Hz，混粉时间4h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3再次混粉后的混合粉末放入模具中进行压制，制成压坯，压强为20MPa，保压20s；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度1.2×10-4Pa，以70℃/min的升温速率升温至200℃，保温14min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
实施例4
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：纯度不小于99.9％、粒度为50nm的Ni粉10％，纯度不小于99.9％、粒度50nm的TiB2粉4％和纯度不小于99.9％，粒度72μm的Ag粉86％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮的添加量分别为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的1％、1.5％，球磨机转速为350r/min，混粉5h，得到预混粉末；
步骤3，将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为32Hz，混粉时间5h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3再次混粉后的混合粉末放入模具中进行压制，制成压坯，压强为15MPa，保压25s；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度0.6×10-3Pa，以70℃/min的升温速率升温至800℃，保温15min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
实施例5
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：纯度不小于99.9％、粒度为50nm的Ni粉5％，纯度不小于99.9％、粒度50nm的TiB2粉4％和纯度不小于99.9％，粒度72μm的Ag粉91％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Ni粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮的添加量分别为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.8％、1％，球磨机转速为300r/min，混粉7h，得到预混粉末；
步骤3，将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为35Hz，混粉时间3h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3再次混粉后的混合粉末放入模具中进行压制，制成压坯，压强为10MPa，保压30s；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度0.6×10-3Pa，以70℃/min的升温速率升温至750℃，保温10min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
图2和图3分别是AgNi-TiB2触头材料阴极和阳极的电弧侵蚀形貌。可以看出，阴极表面有少量凸起，阳极表面出现轻微熔化凝固的痕迹，未出现孔洞、蚀坑等。阴极和阳极表面均较为平整，材料转移不很明显。
实施例与传统的AgNi触头材料性能参数如表1所示
表1实施例与传统的AgNi触头材料性能参数比较
样品名称 致密度 导电率/IACS 硬度/HV
实施例4 98.07％ 57.09％ 75.47
实施例5 99.64％ 59.76％ 62.13
传统的AgNi触头材料 99.8％ 52.08％ 52.33
由实施例4和实施例5可以明显看出，本发明制备的AgNi-TiB2触头材料的致密度、导电率、硬度均良好，与传统的AgNi触头材料相比其致密度相当，但导电率、硬度的性能较传统AgNi触头材料更加优异。
在36V/10A测试条件下，实施例4制备的AgNi-TiB2触头材料电接触20000次后材料转移方向是从阳极到阴极。与AgNi触头材料相比，AgNi-TiB2触头材料的相对转移量减少92.14％。
在36V/10A测试条件下，实施例5制备的AgNi-TiB2触头材料电接触20000次后材料转移方向是从阳极到阴极。与AgNi触头材料相比，AgNi-TiB2触头材料的相对转移量减少98.50％。
相对转移量指的是AgNi-TiB2触头材料从阳极向阴极转移的质量和从阴极向阳极转移的质量之差。
电弧侵蚀常伴随材料转移，进而导致电极材料持续损失，缩短使用寿命，并使材料表面的接触状态发生变化，严重时产生熔焊，最终触点失效。因而，相对转移量是衡量触头材料抗熔焊性能的重要指标，相对转移量越小，抗熔焊性能越优异。

Claims (7)

1.一种抗熔焊的银基触头材料，其特征在于，包括Ag、Ni和TiB2三种组分，所述Ni、TiB2和Ag的质量百分比分别为2％～15％，2％～8％，77％～96％，以上组分质量百分比之和为100％。
2.一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：Ni粉、TiB2粉和Ag粉2％～15％，2％～8％，77％～96％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将所述Ag粉、Ni粉和TiB2粉放入球磨机中，并加入无水乙醇和聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，球磨机转速为250～350r/min，得到预混粉末；
步骤3，将所述预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，震动频率为30-40Hz，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3所述的混合粉末放入模具中进行压制，制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中，真空度不低于10-3Pa，以70℃/min的升温速率升温至750～850℃，保温8～20min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgNi-TiB2电触头材料。
3.根据权利要求2所述的一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法，其特征在于，步骤2所述的预先混粉的混粉时间为4～8h。
4.根据权利要求2所述的一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法，其特征在于，步骤3所述的再次混粉的混粉时间为2～6h。
5.根据权利要求2所述的一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法，其特征在于，步骤4所述的压制的压强为10～30MPa，保压10～30s。
6.根据权利要求2所述的一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法，其特征在于，步骤1所述的Ag粉纯度不小于99.9％、粒度为72μm，Ni的纯度不小于99.9％、粒度为50nm，TiB2粉的纯度不小于99.9％、粒度50nm。
7.根据权利要求2所述的一种具有高抗熔焊性能的银基触头材料的制备方法，其特征在于，步骤2所述无水乙醇添加量为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.5～1.2％，所述聚乙烯吡络烷酮的添加量为Ag粉、Ni粉和TiB2粉总质量的0.5～2.0％。
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