CN108546843B - 一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料，包括Ag、Cu和TiB2三种组分，Cu、TiB2和Ag的质量百分比分别为5％‑20％，2％‑10％，70％‑93％，以上组分质量百分比之和为100％。本发明还公开了耐电弧侵蚀的银基电触头材料的制备方法：将按比例称取好的Ag粉、Cu粉和TiB2粉预先混粉，得到预混粉末；再将预混粉末放入三维混粉机中进行再次混粉，得到混合粉末；随后将得到的粉末放入模具中进行压制，制成压坯；最后将压坯烧结炉中进行烧结，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu‑TiB2电触头材料。通过上述方法，本发明将TiB2引入到Ag‑Cu合金电触头材料中，采用粉末冶金法制备出了低成本的AgCu‑TiB2电触头材料，具有良好的导电导热性、优良的耐电弧侵蚀性、抗材料转移性和力学性能。

Description

一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料及其制备方法
技术领域
本发明属于低压触头材料技术领域，具体涉及一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料，本发明还涉及该银基电触头材料的制备方法。
背景技术
电触头是开关电器中承担接通和分断电路的元件，对开关电器的安全运行起着决定性作用。银基触头因其良好的综合性能，广泛应用于继电器、接触器和断路器等低压电器中。随着低压电器向大功率、小型化、长寿命的方向发展，也对电触头材料提出了更高的性能要求，即应具有优良的导电导热性、耐电弧侵蚀性、抗熔焊性及良好的机械加工性。
我国银资源稀少，需要从国外大量进口。几乎70％的银都用于电触头材料的制造，因此为了提高银触头的综合性能，减少银的使用，复合添加不同特性的材料是最为常见的方法。Ag-Cu合金具有良好的导电导热性、流动性、浸润性以及优良的加工性能。对于银而言，铜是提高合金强度和抗摩擦性能最有效的合金化元素；对于铜而言，银元素可以改善合金的高温蠕变和抗软化能力，同时不会降低其导电率。但是，Ag-Cu电触头材料硬度低，耐电磨损性能和抗电弧侵蚀能力较差，而TiB2具有良好的导电性和导热性，并且具有高熔点、高硬度和高弹性模量等优点，利用TiB2的上述优点制备一种AgCu-TiB2电触头材料具有重要的工程意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料，解决了现有电触头材料耐电弧侵蚀性能差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料，包括Ag、Cu和TiB2三种组分，Cu、TiB2和Ag的质量百分比分别为5％-20％，2％-10％，70％-93％，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，一种耐电弧侵蚀的银基电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：Cu粉、TiB2粉和Ag粉5％-20％，2％-10％，70％-93％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂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得到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进行烧结，真空度不低于10-3Pa，烧结温度为600-900℃，烧结时间5-15min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-TiB2电触头材料。
本发明的特点还在于，
预先混粉的混粉时间为4-8h。
再次混粉的混粉时间为4-8h。
步骤4压制的压强为10-30MPa，保压10-20s。
步骤1的Ag粉纯度不小于99.9％，Cu粉的纯度不小于99.9％，TiB2粉的纯度不小于99.9％。
步骤2的无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu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、Cu粉和TiB2粉总质量的0.5-2.0％。
本发明的有益效果是，本发明的一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料，其中TiB2具有良好的导电性和导热性，并且具有高熔点、高硬度和高弹性模量等优点，传统粉末冶金法制备的Ag-TiB2电触头材料具有良好的导电导热性以及优良的耐电弧侵蚀能力。因此，将TiB2添加到Ag-Cu合金中制成的AgCu-TiB2电触头材料有助于提高Ag-Cu合金的电气性能和力学性能。粉末冶金通过成形和烧结等工艺，可以制备出普通熔炼法难以制成的特殊材料。因为其烧结温度低于材料熔点，制备出的材料组织均匀，性能稳定。因此，本发明的一种AgCu-TiB2电触头材料，具有重要的工程意义和实用价值。
附图说明
图1是本发明一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料制备方法的流程图；
图2是本发明一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料显微组织图；
图3是本发明一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料电弧侵蚀后阴极形貌图；
图4是本发明一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料电弧侵蚀后阳极形貌图。
具体实施方式
本发明提供的一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料，包括Ag、Cu和TiB2三种组分，Cu、TiB2和Ag的质量百分比分别为5％-20％，2％-10％，70％-93％，以上各组分质量百分比之和为100％。
一种耐电弧侵蚀的银基电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％的Cu粉5％-20％，纯度不小于99.9％的TiB2粉2％-10％和纯度不小于99.9％的Ag粉70％-93％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu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、Cu粉和TiB2粉总质量的0.5-2.0％，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4-8h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3得到的混合粉末放入模具中进行压制，压强为10-30MPa，保压10-20s制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中进行烧结，真空度不低于10-3Pa，烧结温度为600-900℃，烧结时间5-15min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-TiB2电触头材料。
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％Cu粉5％、纯度不小于99.9％TiB2粉2％和纯度不小于99.9％Ag粉93％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的0.5％，聚乙烯吡络烷酮的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的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4h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3得到的混合粉末放入模具中进行压制，压制的压强为10MPa，保压10s制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中进行烧结，真空度0.3×10-3Pa，烧结温度为600℃，烧结时间5min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-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％Cu粉20％、纯度不小于99.9％TiB2粉3％和纯度不小于99.9％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、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的1.2％，聚乙烯吡络烷酮的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的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8h，得到混合粉末；步骤4，将步骤3得到的混合粉末放入模具中进行压制，压制的压强为30MPa，保压20s制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中进行烧结，真空度0.5×10-3Pa，烧结温度为900℃，烧结时间15min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-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％Cu粉20％、纯度不小于99.9％TiB2粉10％和纯度不小于99.9％Ag粉70％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将称量好的Ag粉、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的0.8％，聚乙烯吡络烷酮的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的1.4％，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6h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3得到的混合粉末放入模具中进行压制，压制的压强为20MPa，保压15s制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中进行烧结，真空度0.8×10-3Pa，烧结温度为750℃，烧结时间10min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-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％Cu粉5％、纯度不小于99.9％TiB2粉4％和纯度不小于99.9％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、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的0.5％，聚乙烯吡络烷酮的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的2.0％，球磨机转速为300r/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30Hz，混粉时间8h，得到混合粉末；
步骤4，将步骤3得到的混合粉末放入模具中进行压制，压制的压强为10MPa，保压20s制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中进行烧结，真空度0.5×10-3Pa，烧结温度为600℃，烧结时间15min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-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％Cu粉10％、纯度不小于99.9％TiB2粉4％和纯度不小于99.9％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、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂聚乙烯吡络烷酮进行预先混粉，无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的1.2％，聚乙烯吡络烷酮的添加量为Ag粉、Cu粉和TiB2粉总质量的1.0％，球磨机转速为350r/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40Hz，混粉时间8h，得到混合粉末；步骤4，将步骤3得到的混合粉末放入模具中进行压制，压制的压强为30MPa，保压10s制成压坯；
步骤5，将压坯放入放电等离子热压烧结炉中进行烧结，真空度0.4×10-3Pa，烧结温度为900℃，烧结时间5min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-TiB2电触头材料。
在相同负载的电接触测试条件下，对实施例4和实施例5制得的AgCu-TiB2电触头材料性能参数与传统Ag-Cu合金电触头材料进行比较，如表1所示，实施例4和实施例5为本发明方法制备的AgCu-TiB2触头材料。
表1本发明电触头材料与传统电触头材料性能检测结果
Figure BDA0001610066010000081
实施例4中电触头材料的显微组织如图2所示，白色晶粒为Ag，黑色晶粒为Cu和TiB2，且均匀分布在Ag晶界处，图3和图4分别为电弧侵蚀后触头的阴极和阳极形貌图，阴极表面上的蚀坑呈火山口形貌，侵蚀面积大且深度浅，阳极表面上与之对应的凸起表明材料由阴极转移到阳极。
与传统Ag-Cu合金电触头材料相比，实施例4与实施例5中电触头材料的电弧侵蚀面积更大，侵蚀深度和质量损失率更小。其中，实施例4中电触头材料的侵蚀面积增大42.3％，侵蚀深度和质量损失率分别减小33.3％和65.1％；实施例5中电触头材料的侵蚀面积增大34.3％，侵蚀深度和质量损失率分别减小16.7％和30.1％(见表1)。
综上所述，本发明中的AgCu-TiB2触头材料与传统Ag-Cu合金电触头材料相比，分散电弧的能力更强，拥有更为优异的耐电弧侵蚀性能和抗材料转移性能。

Claims (4)

1.一种耐电弧侵蚀的银基电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：Cu粉、TiB2粉和Ag粉5％-20％，2％-4％，70％-93％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将所述Ag粉、Cu粉和TiB2粉末放入球磨机中，并加入控制剂无水乙醇和分散剂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得到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进行烧结，真空度不低于10-3Pa，烧结温度为600-900℃，烧结时间5-15min，随后烧结炉自然冷却至室温，即获得AgCu-TiB2电触头材料；
所述的Ag粉纯度不小于99.9％，Cu粉的纯度不小于99.9％，TiB2粉的纯度不小于99.9％；
步骤2所述的无水乙醇的添加量为Ag粉、Cu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、Cu粉和TiB2粉总质量的0.5-2.0％。
2.根据权利要求1所述的一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料的制备方法，其特征在于，所述的预先混粉的混粉时间为4-8h。
3.根据权利要求1所述的一种耐电弧侵蚀的银基电触头材料的制备方法，其特征在于，所述的再次混粉的混粉时间为4-8h。
4.根据权利要求1所述的一种耐电弧侵蚀的银基电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10-20s。
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