CN108950257A - 一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，采用了将增强相元素制备成粉体，通过喷粉装置由惰性气体将增强相元素粉体喷入银熔液中，增加了增强相元素的空位浓度，提高了增强相元素和银熔液之间的相对运动速度，可以有效加快增强相元素在银熔液中的熔化和扩散速度，最终提高了银金属氧化物触点材料中增强相在银基体中分布的均匀性。该工艺可应用于所有采用内氧化工艺或者雾化工艺银金属氧化物电接触材料的生产过程，与传统内氧化工艺和雾化工艺相比，本发明可以显著缩短银合金熔炼过程的均匀化时间，减少低熔点增强相元素在熔炼过程中挥发量，降低环保处理成本。

Description

一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的 方法

技术领域

本发明属于电接触材料制备领域，具体是指一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法。

背景技术

银金属氧化物材料由于具有优良的综合电性能，在整个电触头材料体系中占有重要的地位。该银金属氧化物材料中的银基体中所含有的金属氧化物和添加物对银基体而言都属于增强相，通过弥散强化的方式提高银基体的抗电弧侵蚀性和抗熔焊性，所以，增强相在银基体中的分布均匀性，对触头材料电性能的一致性和稳定性有着决定性的影响。

传统的内氧化工艺或者雾化工艺制备的银金属氧化物电接触材料熔炼过程中，增强相元素都是未经特殊处理直接加入银熔液中，增强相分布的均匀性主要依赖中频熔炼过程中的电磁搅拌和物理搅拌，以及长时间的合金均匀化过程，使银合金宏观上的基本均匀化分布，由于电磁搅拌和物理搅拌均存在盲区，实际上的均匀化程度并不理想，导致电触头材料电性能的一致性较差，最终影响电器开关的可靠性。

通过检索，中国专利ZL201010101534.5、ZL201010275964.9、ZL201210439786.8公布了几种采用内氧化工艺或者雾化工艺制备银金属氧化物触点材料的方法，但是均未提及如何改善熔炼过程中银基体中的增强相元素分布均匀性的方法，所采用的熔炼工艺仍然是传统的熔炼工艺。专利ZL201210326793.7公布了一种贵金属合金的熔炼方法，合金熔化后通过增加磁力震动坩埚的方式增强合金熔液的翻滚和搅拌效果，这样的设计方式可以取消机械搅拌，但是其搅拌原理与传统工艺并无实质性差异。

因此，有必要开发一种新的工艺方法来提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布的均匀性，该方法对于提高触点材料电性能的稳定性和一致性，具有很重要的实际应用价值。

基于此，本申请人提出本项发明方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决银金属氧化物触点材料中由于增强相分布不均匀而导致的电接触材料电性能稳定性和一致性较差的问题，而提供一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，通过该方法显著改善了增强相分布均匀性，从而提高电接触材料电性能的稳定性和一致性，进而有助于保证开关电器的可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：

（1）将增强相元素制备成增强相元素粉末；

（2）将增强相元素粉末通过喷头插入到高温熔化状态的银熔液内，喷头以载气携带方式向银熔液中喷射增强相元素粉末，通入的增强相元素粉末在银熔液中高温熔化并扩散形成银合金；

（3）利用该银合金制备银金属氧化物电接触材料，提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性。

进一步设置是增强相元素包括主体增强相和添加元素两个部分。

进一步设置是主体增强相为Cd、Sn、In、Zn、Cu中的一种或者几种，添加元素为Bi、Ni、Al、Sb、Te、Ge、La中的一种或几种。

进一步设置是所述的增强相元素粉末为多种单一增强相元素粉末的混合物，或者是将多种增强相元素制备成合金后二次加工获得的合金粉末。

进一步设置是增强相元素粉末的平均粒度范围5-50μm。

进一步设置是所述喷头插入银熔液的深度为喷头距离银熔液底部40-60mm，喷头插入银熔液时喷射方向与银熔液的插入面之间的夹角为45°-75°。

进一步设置是所述的载气为惰性气体，该惰性气体为氩气或者氮气。

进一步设置是载气气体压力为0.3-1.5MPa，载气的流量为400-1000L/min，喷粉时间为1-5min。

此外，本发明还基于上述创新方案，还提出一种增强相分布均匀性好的银合金的制备方法包括以下步骤：

（1）将增强相元素制备成增强相元素粉末；

（2）将增强相元素粉末通过喷头插入到高温熔化状态的银熔液内，喷头以载气携带方式向银熔液中喷射增强相元素粉末，通入的增强相元素粉末在银熔液中高温熔化并扩散形成银合金。

此外，本发明还基于上述创新方案，还提出一种增强相分布均匀性好的银金属氧化物电接触材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将增强相元素制备成增强相元素粉末；

（2）将增强相元素粉末装入喷粉装置中，该喷粉装置具有容纳增强相元素粉末的容腔，以及连通容腔并用于将增强相元素粉末喷出的喷头，以及为喷粉动作提供动力的喷粉动力单元；

（3）将银材料熔化，获得银溶液；

（4）将喷头插入融化的银熔液中，向银熔液中吹入惰性气体，并以惰性气体为载体，将增强相元素粉末带入银熔液中；

（5）增强相元素粉末在银熔液中高温熔化并扩散形成银合金；

（6）将银合金浇铸成银合金锭，采用内氧化法制备银金属氧化物触点材料；或者将银合金采用雾化设备制备成银合金粉末，采用雾化工艺制备银金属氧化物触点材料。

本发明的创新机理是：

对于采用内氧化工艺或者雾化工艺制备的银金属氧化物电接触材料，都是通过熔炼过程达到使增强相在银基体中形成合金弥散分布的目的，所以，熔炼过程中增强相在银基体中的分布均匀性是一项很关键的控制项目。

在熔炼过程中，金属合金化可以分为两个阶段，第一阶段是增强相元素在基体元素熔液中的熔化过程，第二阶段是增强相元素原子在基体元素熔液中的扩散过程。

第一阶段中金属熔化的机理可以看做是金属中空位总浓度的不断增长，即从近于熔点的固态时的平衡空位浓度值，增长到同一温度下的液态时的空位浓度值，增加金属中的空位浓度可以加快熔化过程。而金属中的空位来源，主要由位移、晶界或者自由表面来提供，所以，增加增强相元素的自由表面，是一种强化增强相元素在基体元素中的熔化的有效手段。采用熔炼方法制备的银金属氧化物电接触材料，在熔炼过程中常规的生产方法是将增强相元素以块状的形式加入银熔液中，增强相元素的自由表面较少，本发明采用粉状的增强相元素作为原材料，增加自由表面，提高熔化速度。

第二阶段中的增强相元素在基体元素熔液中的溶解速度的提高，根据流体力学原理，可以通过增强搅拌的方式加快，也就是增加增强相元素在基体元素熔液中的相对运动速度可以提高溶解速度。采用熔炼方法制备的银金属氧化物电接触材料，在熔炼过程中常规的生产方法是采用物理搅拌和电磁搅拌的方式使增强相元素在银熔液中分布均匀，这样的方式对于提高基体元素和增强相元素的相对运动速度并无明显效果，所以合金均匀化的时间很长，同时也会存在低熔点增强相挥发严重、高熔点增强相分布均匀性较差等缺陷。本发明采用喷枪将粉状的增强相元素与惰性气体的混合物喷吹进入银熔液中，可以有效的提高增强相元素与银熔液的相对运动速度，加快溶解过程，缩短均匀化时间。

本发明的有益效果是：

与传统工艺相比，本发明具有的优点和积极效果：

1、提高采用内氧化工艺或者雾化工艺生产的银金属氧化物触点材料中增强相在银基体中分布的均匀性。传统的内氧化工艺和雾化工艺，熔炼过程中增强相元素都是以块状形式加入银熔液中，增强相元素在银基体中的分布都是通过搅拌和较长时间的均匀化过程来达到宏观上均匀分布的目的，通过对熔炼过程的分析可知，由于增强相元素的空位浓度较低，增强相元素在银熔液中的熔化速度较慢，由于物理搅拌和电磁搅拌过程中增强相元素与银熔液相对运动速度偏低，增强相元素在银熔液中的扩散速度缓慢，综合以上两个方面，增强相元素在银基体中的分布均匀性并不理想。本发明采用了将增强相元素制备成粉体，通过喷粉装置由惰性气体将增强相元素粉体喷入银熔液中，增加了增强相元素的空位浓度，提高了增强相元素和银熔液之间的相对运动速度，可以有效加快增强相元素在银熔液中的熔化和扩散速度，最终提高了银金属氧化物触点材料中增强相在银基体中分布的均匀性。

2、缩短熔炼过程中的均匀化时间，减少低熔点增强相在熔炼过程中的挥发。传统的内氧化工艺和雾化工艺，为了提高增强相元素在银熔液中分布的均匀性，需要通过较长时间的均匀化过程，来保证增强相元素在银熔液中的充分扩散，这样导致一些熔点较低的增强相元素在熔炼过程中挥发严重，不同炉次之间增强相元素成分一致性较差。本发明采用的增强相元素喷粉加入方式，可以显著缩短熔炼过程的均匀化时间，减少了低熔点增强相元素在熔炼过程中挥发量，提高了不同炉次材料之间的成分一致性，降低环保处理成本。

3、本发明设计的工艺路线简单，适合大批量生产。与常规的内氧化工艺和雾化工艺相比，本发明只是在原来的生产方式上对增强相元素的加入方式进行了改变，其它生产过程没有变化，具备大批量生产的可行性。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。

本实施例所用的该喷粉装置优选采用一种利用气体压力将粉末喷射而出的装置，其结构具有容纳增强相元素粉末的容腔，以及连通容腔并用于将增强相元素粉末喷出的喷头，以及为喷粉动作提供动力的喷粉动力单元（如空气泵或者增压泵）。其中喷头采用耐高温的石墨喷头。

实施例一：

a)将1kg平均粒度5μm的Cd粉和0.015kg平均粒度5μm的Ni粉装入喷粉装置中；

b)喷粉装置连接高纯氩气，设定氩气压力1.5MPa，氩气流量400L/min；

c)将8.5kg的1#Ag在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化；

d)喷粉装置的石墨喷头插入银熔液中，喷头头部距离坩埚底部40mm，石墨喷头与银熔液的插入面之间成75°；

e)开启喷粉装置按照设定的压力流量和压力喷氩气1min，Cd粉和Ni粉被氩气喷入Ag熔液中，熔化扩散形成AgCd10.5合金，AgCd10.5合金中的添加物为Ni；

f)AgCd10.5合金浇铸成圆锭，经挤压、热轧、冷轧、冲制、内氧化等工序加工成内氧化法AgCdO（12）片状触点。

实施例二：

a)将3kg平均粒度50μm的Sn-In合金粉、0.15kg平均粒度50μm的Bi粉和0.015kg平均粒度10μm的Al粉装入喷粉装置中；

b)喷粉装置连接高纯氮气，设定氮气压力0.3MPa，氮气流量1000L/min；

c)将28.25kg的1#Ag在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化；

d)喷粉装置的石墨喷头插入银熔液中，喷头头部距离坩埚底部60mm，石墨喷头与银熔液的插入面之间成45°；

e)开启喷粉装置按照设定的压力流量和压力喷氮气5min，Sn-In合金粉、Bi粉和Al粉被氮气喷入Ag熔液中，熔化扩散形成AgSn6.3In3.3合金，AgSn6.3In3.3合金中的添加物为Bi和Al；

f)AgSn6.3In3.3合金经高压水雾化设备制备成AgSn6.3In3.3粉，经氧化、等静压、挤压、拉拔等工序加工成雾化法AgSnO₂(8)In₂O₃(4)线材。

实施例三：

a)将2kg平均粒度20μm的Sn粉和0.1kg平均粒度30μm的Ge-Sb-Te合金粉装入喷粉装置中；

b)喷粉装置连接高纯氮气，设定氮气压力0.8MPa，氮气流量800L/min；

c)将15.3kg的1#Ag在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化；

d)喷粉装置的石墨喷头插入银熔液中，喷头头部距离坩埚底部50mm，石墨喷头与银熔液的插入面之间成60°；

e)开启喷粉装置按照设定的压力流量和压力喷氮气3min，Sn粉和Ge-Sb-Te合金粉被氮气喷入Ag熔液中，熔化扩散形成AgSn11.5合金，AgSn11.5合金中的添加物为Ge、Sb和Te；

f)AgSn11.5合金经高压水雾化设备制备成AgSn11.5粉，经氧化、等静压、挤压、热轧、冷轧、冲制等工序加工成雾化法AgSnO₂(14.5)片状触点；

实施例四：

a)将1kg平均粒度5μm的Zn-La合金粉装入喷粉装置中；

b)喷粉装置连接高纯氩气，设定氩气压力0.5MPa，氩气流量500L/min；

c)将11.5kg的1#Ag在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化；

d)喷粉装置的石墨喷头插入银熔液中，喷头头部距离坩埚底部45mm，石墨喷头与与银熔液的插入面之间成65°；

e)开启喷粉装置按照设定的压力流量和压力喷氩气2.5min，Zn-La合金粉被氩气喷入Ag熔液中，熔化扩散形成AgZn8合金，AgZn8合金中的添加物为La；

f)AgZn8合金浇铸成圆锭，经挤压、热轧、冷轧、冲制、内氧化等工序加工成内氧化法AgZnO（10）片状触点；

实施例五：

a)将1.5kg平均粒度25μm的Cu-Ni合金粉装入喷粉装置中；

b)喷粉装置连接高纯氩气，设定氩气压力0.7MPa，氩气流量700L/min；

c)将11kg的1#Ag在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化；

d)喷粉装置的石墨喷头插入银熔液中，喷头头部距离坩埚底部50mm，石墨喷头与银熔液的插入面之间成60°；

e)开启喷粉装置按照设定的压力流量和压力喷氩气3min，Cu-Ni合金粉被氩气喷入Ag熔液中，熔化扩散形成AgCu12合金，AgCu12合金中的添加物为Ni；

f)AgCu12合金经高压水雾化设备制备成AgCu12粉，经氧化、等静压、挤压、拉拔等工序加工成雾化法AgCuO(15)线材。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将增强相元素制备成增强相元素粉末；

（2）将增强相元素粉末通过喷头插入到高温熔化状态的银熔液内，喷头以载气携带方式向银熔液中喷射增强相元素粉末，通入的增强相元素粉末在银熔液中高温熔化并扩散形成银合金；

（3）利用该银合金制备银金属氧化物电接触材料，提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性。

2.根据权利要求1所述的一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于：增强相元素包括主体增强相和添加元素两个部分。

3.根据权利要求2所述的一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于：主体增强相为Cd、Sn、In、Zn、Cu中的一种或者几种，添加元素为Bi、Ni、Al、Sb、Te、Ge、La中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述的一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于：所述的增强相元素粉末为多种单一增强相元素粉末的混合物，或者是将多种增强相元素制备成合金后二次加工获得的合金粉末。

5.根据权利要求1所述的一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于：增强相元素粉末的平均粒度范围5-50μm。

6.根据权利要求1所述的一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于：所述喷头插入银熔液的深度为喷头距离银熔液底部40-60mm，喷头插入银熔液时喷射方向与银熔液的插入面之间的夹角为45°-75°。

7.根据权利要求1所述的一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于：所述的载气为惰性气体，该惰性气体为氩气或者氮气。

8.根据权利要求1所述的一种提高银金属氧化物电接触材料中增强相分布均匀性的方法，其特征在于：载气气体压力为0.3-1.5MPa，载气的流量为400-1000L/min，喷粉时间为1-5min。

9.一种增强相分布均匀性好的银合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将增强相元素制备成增强相元素粉末；

（2）将增强相元素粉末通过喷头插入到高温熔化状态的银熔液内，喷头以载气携带方式向银熔液中喷射增强相元素粉末，通入的增强相元素粉末在银熔液中高温熔化并扩散形成银合金。

10.一种增强相分布均匀性好的银金属氧化物电接触材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将增强相元素制备成增强相元素粉末；

（2）将增强相元素粉末装入喷粉装置中，该喷粉装置具有容纳增强相元素粉末的容腔，以及连通容腔并用于将增强相元素粉末喷出的喷头，以及为喷粉动作提供动力的喷粉动力单元；

（3）将银材料熔化，获得银溶液；

（4）将喷头插入融化的银熔液中，向银熔液中吹入惰性气体，并以惰性气体为载体，将增强相元素粉末带入银熔液中；

（5）增强相元素粉末在银熔液中高温熔化并扩散形成银合金；

（6）将银合金浇铸成银合金锭，采用内氧化法制备银金属氧化物触点材料；或者将银合金采用雾化设备制备成银合金粉末，采用雾化工艺制备银金属氧化物触点材料。