CN111451497B - 一种平行纤维强化银石墨带状触头材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行纤维强化银石墨带状触头材料及其制备方法，该材料由工作层和焊接层两层组成，其中焊接层材料为银铜合金，将银石墨粉和银铜合金粉压制成为银铜合金层包裹银石墨层的复合锭坯，再经过烧结、复压、反挤压加工成为银石墨/银铜合金复合带材，复合带材经过热轧、纵剪、型轧、表面处理等工序制备成为银石墨带状触头成品，主要应用于采用自动化焊接的微型断路器领域。与传统的银石墨带状触头材料相比，本发明制备的带状触头材料满足自动化焊接要求，解决了现有技术存在的焊接起泡和结合强度不良的风险，制备的银石墨带状触头材料具有优良的加工性能，材料利用率高，适合批量化生产。

Description

一种平行纤维强化银石墨带状触头材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电工触头技术领域，具体是指一种银石墨触头材料的制备方法，特别是指一种平行纤维强化银石墨带状触头材料及其制备方法。
背景技术
银石墨触头材料因为具有良好的抗熔焊性能和低而稳定的接触电阻，广泛应用于塑壳断路器、框架断路器以及微型断路器领域中。近年来，电器厂家对电气组件性能可靠性和一致性的要求越来越高，触头材料采用带材或者型材供货，满足高端自动化焊接的要求，成为了电触头行业的一个发展趋势。在微型断路器领域，银石墨和银氧化锌等常用的银基电接触材料带材已经实现批量化生产。
银石墨触头材料与铜触桥之间的润湿性不好，所以焊接面要附带焊接银层，焊接过程中还要放置焊料或者焊膏。常见的银石墨带材制备方法有两种，一种是银石墨材料的焊接面进行脱碳处理形成纯银层，另外一种是在加工过程中复合一层焊接银层。采用脱碳工艺加工的银石墨触头材料，由于焊接银层中有孔隙存在，存放过程中容易吸潮，焊接过程中银层容易起泡。由于银石墨材料的塑性较差，在加工过程中复合银层的方式通常会采用挤压复银，在银石墨锭子表面包裹一层纯银层，通过挤压过程中的大变形量和高温使两者结合在一起，但是由于银石墨和银套之间的结合并不紧密，而且复合界面在加工过程中容易残留杂质，影响结合两者之间的结合强度，银石墨层和焊接银层之间存在局部区域结合强度偏低的现象，应用于开关电器中，使用过程中存在触点脱落的风险。
中国专利申请号ZL 201711360193.1公布了一种可焊平行结构银石墨带状触头材料的制备方法，其技术方案是将银石墨加工成为锭坯后进行脱碳处理，使银石墨锭坯的表面形成一层脱碳银层，然后经过烧结-挤压-轧制后加工成为带纯银层的银石墨带状触头材料，在焊接过程中采用电阻焊接，不需要额外添加焊料。采用这种工艺加工的银石墨带状触头材料加工路线简单，容易实现批量化生产。银石墨触头材料应用于微型断路器中时，配对焊接的触桥材质主要有两种，一种为纯铜，另一种为覆铜钢。当采用覆铜钢作为触桥材料时，银石墨触点通常采用点焊的方式焊接，不需要额外放置焊料，当采用纯铜作为触桥材料时，银石墨触点通常需要放置焊料才能焊接，采用直接点焊的方式焊接可靠性较差。由此可见，采用该技术方案加工方式加工的银石墨带状电接触材料，更适合与覆铜钢材质的触桥配对使用，与纯铜材质的触桥配对使用时，焊接过程中还需要额外放置焊料，在自动化焊接过程中还需要设置额外的工位添加焊料或者焊膏，存在一定的局限性。
中国专利申请号ZL200910153565.2公布了一种银石墨电接触带材制备方法，采用挤压复银工艺加工银石墨/银复合带材，然后采用中频感应加热设备给银石墨/银带材的焊接面复合一层焊料层，再经过纵剪-型轧-表面处理等工序加工成为银石墨/银/焊料的三层结构银石墨带材。采用这种加工方式加工的银石墨带材，可以与纯铜材质的触桥配对使用，满足自动化焊接生产线的要求，也可以取消后续的复焊料过程制备出银石墨/银双层结构银石墨带材，与覆铜钢材质的触桥配对使用，直接采用点焊的方式实现自动焊接。这种制备方法加工过程中，很难保证银石墨锭坯与银套之间的紧密配合，两者之间存在间隙时，挤压过程中有少量的空气残留，在挤压后带材银层就会容易出现起泡现象，而且银套与银石墨锭子之间的摩擦力与银套与挤压筒之间的摩擦力存在差异，挤压过程中容易出现银套脱落、银套破裂等现象，影响材料利用率。另外一个方面，银石墨锭子与银套的结合界面上，加工过程中容易带入少量的杂质和油污，影响结合两者之间的结合强度，银石墨层和焊接银层之间存在局部区域结合强度偏低的现象，应用于开关电器中，使用过程中存在触点脱落的风险。
中国专利申请号ZL 201711177988.9公布了一种长条银石墨电接触材料与焊料带材快速复合制备方法，银石墨锭坯挤压成为一面带U形卡槽的银石墨带材，然后将焊料带材卡在银石墨带的U形卡槽中，通过烧结的方式使两者复合成为一个整体，银石墨和焊料之间没有纯银层，然后通过轧制和热处理加工成为成品带材。这种加工方式，银石墨和焊料层之间通过烧结的方式复合，与专利ZL200910153565.2所公开的方案中银石墨/银带材复焊料的原理相同，都是通过加热使焊料层熔化然后贴合在银石墨带材表面，但是由于焊料和石墨之间润湿性很差，ZL 201711177988.9所制备的带材，焊料层结合强度无法与具有纯银层的银石墨/银/焊料带材相比，在材料加工阶段影响并不明显，当银石墨触头材料焊接在触桥上面之后，焊料层与银石墨层之间的结合强度偏低，存在使用过程中触头脱落的风险。
因此，开发一种新型的银石墨带状触头材料制备方法，克服上述专利和现有制备技术中的不足之处，满足自动化焊接的需求，降低制造成本，确保银石墨触头材料应用于微型断路器领域时的可靠性，具有很重要的实际应用价值。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种平行纤维强化银石墨带状触头材料及其制备方法。该技术方案提高银石墨带状触头材料在自动化焊接过程中的通用性，减少加工工序提高银石墨带状触头材料制备过程中的材料利用率。
为实现上述目的，本发明的第一个方面是提供一种平行纤维强化银石墨带状触头材料的制备方法，包括以下步骤，其中步骤(1)和(2)不分先后顺序；
(1)工作层粉末制备：银粉和石墨粉在混粉设备中混合均匀，其中石墨粉含量3～5wt％，余量为银；
(2)焊接层粉末制备：银锭与无氧铜采用高压水雾化设备制备银铜合金粉末，经过烘干和筛分后形成焊接层粉末，其中铜含量40～55wt％，余量为银；
(3)准备橡胶套和金属隔板，圆筒形的金属隔板放置于橡胶套内部，橡胶套与金属隔板中心线重合，将工作层粉末装入金属隔板空间中，焊接层粉末装入橡胶套与金属隔板之间的空间中，抽出金属隔板，采用冷等静压设备压锭，获得中心为银石墨、四周为银铜合金的圆柱形包覆锭坯，包覆锭坯中银铜合金层粉末厚度为整个包覆锭坯直径的3％～5％；
(4)包覆锭坯在气氛保护条件下烧结，烧结温度750℃～850℃，烧结时间3～6h；
(5)将经步骤(4)烧结后的包覆锭坯在液压机中复压整形，获得形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
(6)将经步骤(5)处理的包覆锭坯在保护气氛条件下加热，加热温度720℃～820℃，加热时间2～4h，然后采用反挤压设备制备成为两条银石墨/银铜合金复合带材，通过大变形量的挤压变形，使包覆锭坯中弥散分布的石墨颗粒沿平行挤压方向拉伸变形成为纤维状强化颗粒，纤维方向平行于挤压方向，形成平行纤维强化银石墨带材；
(7)将银石墨/银铜合金复合带材经过热轧、纵剪、型轧和表面处理加工成为自带焊料层的平行纤维强化银石墨带状触头材料。
进一步设置是平行纤维强化银石墨带状触头材料由工作层和焊接层两层组成，其中焊接层厚度为触头材料总厚度的10％～20％。
进一步设置是反挤压获得的银石墨/银铜合金复合带材，其截面形状呈银铜合金三面包裹银石墨材料。
此外，本发明还提供一种如所述制备方法所制得的平行纤维强化银石墨带状触头材料。
本发明的技术原理如下：
电接触材料中以石墨作为添加物时，由于石墨密度低以及与银之间的润湿性很差，石墨含量控制在4％以下才能保证材料的加工性能从而制备带状电触头，但是随着石墨含量的降低，银石墨触头材料的抗熔焊性能明显下降，本发明专利采用银铜合金为复合层，采用反挤压工艺实现银石墨触头材料与银铜合金层之间的复合，确保复合界面不被污染获得更加可靠的结合强度，并且将银石墨/银铜合金复合带材加工成三面包裹银铜合金的形状，利用银铜合金优良的塑性，改善银石墨电接触材料加工性能，确保反挤压之后的热轧、纵剪、型轧等加工过程银石墨电接触材料不会出现开裂，满足批量化生产的要求。此外，选择银铜合金为焊料层，根据银-铜二元合金相图可知，AgCu40～AgCu55区间范围内的银铜合金熔点约830℃～900℃。制备所得的银石墨/银铜合金复合带材与纯铜触桥钎焊过程中，以银铜合金层为焊料，不需要额外放置焊料或者焊膏，焊接温度控制在850℃～920℃，高于银铜合金层的熔点但是低于银的熔点，直接熔化部分银铜合金层，使触点与触桥之间形成牢固的冶金结合，满足了自动化焊接的要求。制备所得的银石墨/银铜合金复合带材与覆铜钢触桥点焊过程中，银铜合金层与覆铜钢的接触面局部瞬间熔化形成稳定的冶金结合，同样可以满足自动化焊接的要求。此外采用本发明专利制备方案制备所得的银石墨/银铜合金复合带材，也可以采用冲制或者型轧-切片的方案制备单片的银石墨触点，同样可以满足手工焊接和半自动化焊接的需求。
与已知的制备工艺相比，本发明具有的优点和积极效果如下：
1、制备的带状触头材料满足自动化焊接要求，不需要额外放置焊料或者焊膏，提升焊接效率和焊接质量。传统工艺制备的银石墨带状电接触材料，焊接过程中需要额外放置焊料或者焊膏，焊接效率低，影响焊接强度的因素较多。本发明专利采用了银石墨触头材料复合银铜合金层的方式，以银铜合金层作为焊料，银铜合金层具有比银更低的熔点，是一种常规的焊接材料，同时由于直接熔化触点部分厚度的焊接层，形成了新鲜界面，消除了触点平面度对焊接质量的影响。
2、制备的银石墨带状触头材料具有优良的加工性能，材料利用率高，适合批量化生产。银石墨触头材料为了保证较大分断电流条件下的抗熔焊性能，需要选择更高的石墨含量，以及获得更高的弥散分布程度，带来的不利影响是材料加工性能的下降。本发明专利采用银石墨/银铜合金的双层结构，通过反挤压工艺制备三面包裹银铜合金层的银石墨材料，利用银铜合金优良的加工性能确保铜基复合带材在挤压后的轧制过程中带材不会开裂，提高材料利用率。
3、同时消除了焊接过程中银石墨触头材料焊接银层起泡的缺陷和银石墨触头材料使用过程中触点脱落的风险。银石墨触头材料采用脱碳工艺制备焊接银层，无法避免焊接过程中银石墨触头材料焊接银层起泡的缺陷，而且一旦出现局部脱碳不良时就会影响焊接强度，导致使用过程中存在触点脱落的风险；采用银石墨锭子和银套配合反挤压复银工艺制备的银石墨触头材料，焊接过程中存在复合界面起泡的风险，另外银石墨层和焊接银层之间存在局部区域结合强度偏低的现象，使用过程中存在触点脱落的风险。本发明专利采用银石墨粉体和银铜合金粉体制备包覆锭坯，确保工作层和焊接层之间在烧结和挤压过程中结合紧密，消除了复合界面存在孔隙的可能性，也消除了复合界面加工过程中带入杂质的可能性，确保了工作层和焊接层之间的清洁性和紧密性；由于在烧结和反挤压复合时，工作层和焊接层材料之间分别是粉体和烧结体的形式存在，具有更大的接触面积，经过高温和大变形量的挤压成型加工之后，工作层和焊接层之间具有更宽的扩散层，制备的复合带材具有更高的结合强度，解决了现有技术中存在的银石墨层和焊接银层之间局部区域结合强度偏低的缺陷，提高了微型断路器的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1是本发明等静压工序银石墨/银铜合金包覆锭坯截面结构示意图；
图2是本发明银石墨/银铜合金反挤压后的带材截面示意图；
图3是本发明银石墨/银铜合金成品带材截面示意图；
图4是银-铜二元合金相图；
图5本发明的工艺流程图；
图6本发明等静压工序橡胶套与金属隔板装配结构示意图。
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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
下述实施例步骤c中所用的橡胶套和金属隔板的设置方式如图6所示。
实施例一：
a)将14.55kg银粉和0.45kg石墨粉在混粉设备中混合均匀；
b)将22.5kg银与27.5kg无氧铜在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化，形成银铜合金熔液，采用高压水雾化设备制备银铜合金粉末，经过烘干和筛分后形成焊接层粉末；
c)准备橡胶套和金属隔板，圆筒形的金属隔板放置于橡胶套内部，橡胶套与金属隔板中心线重合，将银石墨粉末装入金属隔板空间中，银铜合金粉末装入橡胶套与金属隔板之间的空间中，抽出金属隔板，采用冷等静压设备压锭，获得中心为银石墨、四周为银铜合金的圆柱形包覆锭坯，包覆锭坯中银铜合金层粉末厚度为整个包覆锭坯直径的3％；
d)包覆锭坯在氢气气氛保护条件下烧结，烧结温度850℃，烧结时间3h，获得烧结后的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
e)烧结后的包覆锭坯在500T四柱液压机中复压整形，获得形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
f)形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯在氢气气氛保护条件下加热，加热温度820℃，加热时间2h，然后采用反挤压设备制备成为两条银石墨/银铜合金复合带材；
g)银石墨/银铜合金复合带材经过热轧-纵剪-型轧-表面处理，加工成为工作层为银石墨(3)、焊接层为银铜(55)的银石墨带状触头材料。
实施例二：
a)将14.25kg银粉和0.75kg石墨粉在混粉设备中混合均匀；
b)将30kg银与20kg无氧铜在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化，形成银铜合金熔液，采用高压水雾化设备制备银铜合金粉末，经过烘干和筛分后形成焊接层粉末；
c)准备橡胶套和金属隔板，圆筒形的金属隔板放置于橡胶套内部，橡胶套与金属隔板中心线重合，将银石墨粉末装入金属隔板空间中，银铜合金粉末装入橡胶套与金属隔板之间的空间中，抽出金属隔板，采用冷等静压设备压锭，获得中心为银石墨、四周为银铜合金的圆柱形包覆锭坯，包覆锭坯中银铜合金层粉末厚度为整个包覆锭坯直径的5％；
d)包覆锭坯在氢气气氛保护条件下烧结，烧结温度750℃，烧结时间6h，获得烧结后的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
e)烧结后的包覆锭坯在500T四柱液压机中复压整形，获得形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
f)形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯在氢气气氛保护条件下加热，加热温度720℃，加热时间4h，然后采用反挤压设备制备成为两条银石墨/银铜合金复合带材；
g)银石墨/银铜合金复合带材经过热轧-纵剪-型轧-表面处理，加工成为工作层为银石墨(5)、焊接层为银铜(40)的银石墨带状触头材料。
实施例三：
a)将14.4kg银粉和0.6kg石墨粉在混粉设备中混合均匀；
b)将25kg银与25kg无氧铜在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化，形成银铜合金熔液，采用高压水雾化设备制备银铜合金粉末，经过烘干和筛分后形成焊接层粉末；
c)准备橡胶套和金属隔板，圆筒形的金属隔板放置于橡胶套内部，橡胶套与金属隔板中心线重合，将银石墨粉末装入金属隔板空间中，银铜合金粉末装入橡胶套与金属隔板之间的空间中，抽出金属隔板，采用冷等静压设备压锭，获得中心为银石墨、四周为银铜合金的圆柱形包覆锭坯，包覆锭坯中银铜合金层粉末厚度为整个包覆锭坯直径的4％；
d)包覆锭坯在氢气气氛保护条件下烧结，烧结温度800℃，烧结时间4.5h，获得烧结后的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
e)烧结后的包覆锭坯在500T四柱液压机中复压整形，获得形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
f)形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯在氢气气氛保护条件下加热，加热温度770℃，加热时间3h，然后采用反挤压设备制备成为两条银石墨/银铜合金复合带材；
g)银石墨/银铜合金复合带材经过热轧-纵剪-型轧-表面处理，加工成为工作层为银石墨(4)、焊接层为银铜(50)的银石墨带状触头材料。
实施例四：
a)将14.4kg银粉和0.6kg石墨粉在混粉设备中混合均匀；
b)将27.5kg银与22.5kg无氧铜在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化，形成银铜合金熔液，采用高压水雾化设备制备银铜合金粉末，经过烘干和筛分后形成焊接层粉末；
c)准备橡胶套和金属隔板，圆筒形的金属隔板放置于橡胶套内部，橡胶套与金属隔板中心线重合，将银石墨粉末装入金属隔板空间中，银铜合金粉末装入橡胶套与金属隔板之间的空间中，抽出金属隔板，采用冷等静压设备压锭，获得中心为银石墨、四周为银铜合金的圆柱形包覆锭坯，包覆锭坯中银铜合金层粉末厚度为整个包覆锭坯直径的3％；
d)包覆锭坯在氢气气氛保护条件下烧结，烧结温度780℃，烧结时间4h，获得烧结后的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
e)烧结后的包覆锭坯在500T四柱液压机中复压整形，获得形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
f)形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯在氢气气氛保护条件下加热，加热温度800℃，加热时间3h，然后采用反挤压设备制备成为两条银石墨/银铜合金复合带材；
g)银石墨/银铜合金复合带材经过热轧-纵剪-型轧-表面处理，加工成为工作层为银石墨(4)、焊接层为银铜(45)的银石墨带状触头材料。
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 (3)

1.一种平行纤维强化银石墨带状触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤，其中步骤（1）和（2）不分先后顺序；
（1）工作层粉末制备：银粉和石墨粉在混粉设备中混合均匀，其中石墨粉含量5wt%，余量为银；
（2）焊接层粉末制备：银锭与无氧铜采用高压水雾化设备制备银铜合金粉末，经过烘干和筛分后形成焊接层粉末，其中铜含量40~55wt%，余量为银；
（3）准备橡胶套和金属隔板，圆筒形的金属隔板放置于橡胶套内部，橡胶套与金属隔板中心线重合，将工作层粉末装入金属隔板空间中，焊接层粉末装入橡胶套与金属隔板之间的空间中，抽出金属隔板，采用冷等静压设备压锭，获得中心为银石墨、四周为银铜合金的圆柱形包覆锭坯，包覆锭坯中银铜合金层粉末厚度为整个包覆锭坯直径的3%~5%；
（4）包覆锭坯在气氛保护条件下烧结，烧结温度750℃~850℃，烧结时间3~6h；
（5）将经步骤（4）烧结后的包覆锭坯在液压机中复压整形，获得形状规则的银石墨/银铜合金包覆锭坯；
（6）将经步骤（5）处理的包覆锭坯在保护气氛条件下加热，加热温度720℃~820℃，加热时间2~4h，然后采用反挤压设备制备成为两条银石墨/银铜合金复合带材,通过大变形量的挤压变形，使包覆锭坯中弥散分布的石墨颗粒沿平行挤压方向拉伸变形成为纤维状强化颗粒，纤维方向平行于挤压方向；反挤压获得的银石墨/银铜合金复合带材，其截面形状呈银铜合金三面包裹银石墨材料；
（7）将银石墨/银铜合金复合带材经过热轧、纵剪、型轧和表面处理加工成为自带焊料层的平行纤维强化银石墨带状触头材料。
2.根据权利要求1所述的平行纤维强化银石墨带状触头材料的制备方法，其特征在于平行纤维强化银石墨带状触头材料由工作层和焊接层两层组成，其中焊接层厚度为触头材料总厚度的10%~20%。
3.一种如权利要求1-2之一所述制备方法所制得的平行纤维强化银石墨带状触头材料。
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