CN1275269C

CN1275269C - 银基电接触复合材料

Info

Publication number: CN1275269C
Application number: CN 200410079601
Authority: CN
Inventors: 张昆华; 管伟明; 卢峰; 孙加林
Original assignee: Kunming Institute of Precious Metals
Current assignee: Kunming Institute of Precious Metals
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: CN1617274A

Abstract

本发明是银基电接触复合材料，由轴向相互平行的复合丝的外圆柱面相互贴合而成，单根复合丝的重量百分比成分为：Ni10～20、Cu20～40、余量Ag，复合丝在其轴向横截面上呈圆形，横截面由Cu、Ag、Ni同心圆环相互贴合构成，复合丝在平行于其轴向的柱面上连续分布有与横截面同直径圆环层金属相同的金属。本发明银基电接触复合材料在交流220V、15A和直流24V、15A条件下用做触点，具有接触电阻低、抗拉强度高和塑性较高的特点。

Description

银基电接触复合材料

技术领域

本发明涉及银基电接触复合材料，特别是由铜等金属纤维增强的银基电接触复合材料。

背景技术

电接触材料已有100多年的发展历史，最初的电接触材料为Cu、Ag、Au、Pt等纯金属。现在以Cu、Ag、Au、Pt、Pd为基材的合金、复合材料等为主，广泛应用于电触点。在所有金属中，Ag的导电率最高、导热性最好。并且具有相当高的比热、良好的机械加工性能等特点。在大气条件下不氧化，能保持稳定的接触电阻。因此，Ag基材料是电子电器工业中应用最广的电接触材料。但是纯Ag抗硫化能力差、硬度低、易冷熔焊、在直流电下工作有材料转移倾向。为此，人们研究了大量的具有较高力学性能和耐磨性能，而电学性能变化不大的Ag基合金材料和银基复合材料来克服上述缺点。上世纪40年代以来采用AgCu、AgAu、AgCd等合金。60年代以来发展了多元贵金属合金和各种形式的复合材料。目前，已研制出的低压电接触材料有数百种，但是能在实际中应用和工程化的电接触材料仅有十数种。其中AgCdO、AgSnO₂、AgZnO等银-金属氧化物是较为常用的颗粒增强型复合材料，它们共同的缺点是材料的抗拉强度和塑性都比较低，在交流220V、15A和直流25V、电流15A条件使用条件下，触点间发生严重的金属转移，相对于实际应用要求而言仍欠理想。目前，常见的银-金属氧化物电接触复合材料制备工艺有粉末冶金法、内氧化法、共沉淀法等。其共同的一个缺陷，就是在材料的冷变形加工过程中，银-金属氧化物材料表现出加工硬化快，造成银-金属氧化物材料延伸率低、加工成型困难等。

国内发明专利申请公开说明书“一种电接触复合材料(公开号：CN1468707A，公开日：2004年1月21日)”，公开的用于制造电器元件的电接触复合材料，由铜合金层、复合在铜合金层上的银合金层构成。其中，银合金层由含有0.10～6.00％Zn、0.10～15.00％Cu、0.05～2.00％Ni和余量Ag的合金制成。银合金层层叠复合在铜合金层的全部表面上，或者镶嵌复合在铜合金层的部分表面上。该发明的复合材料导电、导热和机械强度性能与原有材料相当，用于制造微电机的换向器、开关、电插接件等，使用中对环境无污染，并具有灭弧作用。该文献公开的复合材料的成分含量不明确，且未涉及材料的物理电学性能。

发明内容

本发明目的是提供一种高塑性、高强度、高电导率的银基电接触复合材料。

本发明的银基电接触复合材料，由轴向相互平行的复合丝的外圆柱面相互贴合而成，单根复合丝的重量百分比成分为：Ni10～20、Cu20～40、余量Ag，复合丝在其轴向横截面上呈圆形，横截面由Cu、Ag、Ni同心圆环相互贴合构成，复合丝在其平行于轴向的柱面上连续分布有与横截面同直径圆环层金属相同的金属。

本发明的银基电接触复合材料，在Ag层与Cu层之间的界面位置可以包含有AgCu合金相，在Cu层与Ni层之间的界面位置可以包含有CuNi固熔体相，Ag层、Cu层、Ni层的厚度分别优选为5～10μm。

上述技术方案中，单根复合丝的轴向横截面由圆心向外的方向为Cu/Ag/Ni/…Cu/Ag/Ni/…Cu/Ag/Ni、Cu/Ni/Ag/…Cu/Ni/Ag/…Cu/Ni/Ag、Ni/Ag/Cu/…Ni/Ag/Cu/…Ni/Ag/Cu、Ni/Cu/Ag/…Ni/Cu/Ag/…Ni/Cu/Ag、Ag/Cu/Ni/…Ag/Cu/Ni/…Ag/Cu/Ni或Ag/Ni/Cu/…Ag/Ni/Cu/…Ag/Ni/Cu的层状圆环分布，其外部柱面使用的材料与轴心部位使用的材料不存在匹配限制，外部柱面使用的材料可以是Cu、Ag、Ni之任一种。轴向相互平行的多根复合丝的外圆柱面在相互贴合时，相邻复合丝外部柱面使用的材料也不存在匹配限制，即相邻复合丝的外部柱面之间可以是Cu/Cu、Ag/Ag、Ni/Ni、Cu/Ag、Cu/Ni或Ag/Ni相同或不同的金属层相互贴合。

在由多种金属构成的层状复合材料中，界面间的扩散固溶，是影响复合材料电导率和强度、硬度的主要因素。扩散固溶度高时，电导率下降；无扩散固溶时，难于获得必需的结合强度。本发明的银基电接触复合材料，根据具体使用环境对材料力学性能的要求，采用下列工艺技术，在复合材料中获得了的Cu/Ag界面AgCu合金相、Cu/Ni界面CuNi固溶体相，获得了塑性高、电导率高的复合材料。尤其是在银基材中复合有Cu、Ni金属纤维，使本发明的银基电接触复合材料抗拉强度较之常用的AgSnO₂、AgCdO电接触材料提高近一倍。从表1所示的性能分析结果来看，本发明的银基电接触材料具有接触电阻低、抗拉强度高、塑性较高的特点，且其银含量较低，有效地降低了产品成本。

本发明银基电接触材料的制备方法，采用下列工艺步骤：

①制备圆柱形层状预复合锭，层状预复合锭中，圆柱轴向横截面由圆心向外的方向为Cu/Ag/Ni/…Cu/Ag/Ni/…Cu/Ag/Ni、Cu/Ni/Ag/…Cu/Ni/Ag/…Cu/Ni/Ag、Ni/Ag/Cu/…Ni/Ag/Cu/…Ni/Ag/Cu、Ni/Cu/Ag/…Ni/Cu/Ag/…Ni/Cu/Ag、Ag/Ni/Cu/…Ag/Ni/Cu/…Ag/Ni/Cu或Ag/Cu/Ni/…Ag/Cu/Ni/…Ag/Cu/Ni的层状圆环分布。

②采用间接挤压方式，也即相对于模具预复合锭处于静止状态的反挤压方式挤压步骤①所得复合锭，获得单根复合丝。

③将多根轴向相互平行的复合丝的外圆柱面相互贴合成束，冷拉拔或冷轧制所得复合丝束至符合最终产品尺寸要求。

另外一种制备本发明银基电接触材料的方法，是将Ag、Cu、Ni原料制成片材，层叠后卷曲成圆柱形复合锭，拉制成单根复合丝，集束后拉制成最终产品。

在上述本发明基础上，还可以将本发明的集束型银基电接触材料进行二次以上集束，即将本发明获得的多根银基电接触材料丝在沿平行于其轴向的外圆柱面之间相互贴合，之后经过轧制、拉拔获得复合集束型银基电接触材料。复合集束型银基电接触材料丝的轴向横截面整体外观呈圆形，横截面上包括有Cu、Ag、Ni同心圆环构成的若干个单丝类圆形截面区域，还包括有单丝集束后的多丝类圆形截面区域，以及二次集束复合后的区域。

本发明采用纯度不低于99.95％的Cu、Ag、Ni原材料。

具体实施方式

实施例1

原料经过熔炼、浇注、剪片后，叠合成其轴向横截面呈Ag/Cu/Ni/…Ag/Cu/Ni/…Ag/Cu/Ni分布的圆柱形锭坯，挤压拉拔并辅以热处理，制备成Φ0.5mm的重量百分比Ag40％、Cu40％、Ni20％单根复合丝材，将所得Ag、Cu、Ni丝材集束制备成复合锭坯，再经过挤压，在不退火条件下拉拔成Φ1.5mm线材。Ag/Cu/Ni复合材料的电阻率小于2.15μΩ.cm，抗拉强度大于740MPa。将该材料制备成复合触点，在交流220V、15A、105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命大于6.8万次。在直流24V，15A，105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命可达到4.0万次以上。

实施例2

将实施例1中制备的Ag/Cu/Ni单根复合丝材拉至Φ1.5mm，将所得单根复合丝集束复合后机械加工获得一次复合丝，之后将一次复合丝进行二次集束复合，制备成复合锭坯。再经过挤压，在不退火条件下拉拔成Φ1.5mm线材。材料的电阻率小于3.5μΩ.cm，抗拉强度大于1000MPa。将该材料制备成复合触点，在交流220V、15A、105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命大于8.8万次。在直流24V，15A，105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命在5.5万次以上。

实施例3

原料经过熔炼、浇注、剪片，叠合成其轴向横截面呈Cu/Ag/Ni/…Cu/Ag/Ni/…Cu/Ag/Ni分布的圆柱形锭坯，挤压拉拔成并辅以热处理，制备Φ0.5mm的重量百分比Ag60％、Cu20％、Ni20％单根复合丝材，将所得Ag、Cu、Ni丝材集束制备成复合锭坯，再经过挤压，在不退火条件下拉拔成Φ1.5mm线材。Ag/Cu/Ni复合材料的电阻率小于2.15μΩ.cm，抗拉强度大于750MPa。将该材料制备成复合触点，在交流220V、15A、105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命大于6.9万次。在直流24V，15A，105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命可达到4.2万次以上。

实施例4

按材料的按重量百分比Ag50％、Cu40％、Ni10％准备原料，原料经过熔炼、浇注成方形锭坯，轧制成≠0.1mm至≠0.4mm的片材，将片材层叠制备成其轴向横截面呈Ag/Ni/Cu/…Ag/Ni/Cu/…Ag/Ni/Cu分布的圆柱形复合锭坯，轧制、拉拔并辅以热处理，制备获得单根复合丝材，集束后经过挤压，在不退火条件下拉拔成Φ1.5mm线材。Ag/Cu/Ni复合材料的电阻率小于2.10μΩ.cm，抗拉强度大于700MPa。将该材料制备成复合触点，在交流220V、15A、105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命大于7.5万次。在直流24V，15A，105次/min，闭合力100g，分断力75g，功率因子1的实验条件下，寿命在5.0万次以上。

表1发明电接触材料与现有材料的性能比较

材料	含银量	电阻率μΩ·cm	最大抗拉强度MPa	断面收缩率
材料	含银量	电阻率μΩ·cm	最大抗拉强度MPa	断面收缩率	Ag	100％	≤1.59	380	90％
AgCdO(12)	88％	≤2.15	410	60％	Ag	100％	≤1.59	380	90％
AgCdO(12)	88％	≤2.15	410	60％	AgSnO₂(10)	90％	≤2.30	410	40％
实施例1Ag/Cu/Ni	40％	≤2.15	740	≥90％	AgSnO₂(10)	90％	≤2.30	410	40％
实施例1Ag/Cu/Ni	40％	≤2.15	740	≥90％	实施例2Ag/Cu/Ni	40％	≤3.50	1000	≥90％
实施例3Cu/Ag/Ni	60％	≤2.15	750	≥90％	实施例2Ag/Cu/Ni	40％	≤3.50	1000	≥90％
实施例3Cu/Ag/Ni	60％	≤2.15	750	≥90％	实施例4Ag/Ni/Cu	50％	≤2.10	700	≥90％

Claims

1.银基电接触复合材料，由轴向相互平行的复合丝的外圆柱面相互贴合而成，单根所述复合丝的重量百分比成分为：Ni10～20、Cu20～40、余量Ag，所述复合丝在其轴向横截面上呈圆形，所述横截面由Cu、Ag、Ni同心圆环相互贴合构成，所述复合丝在平行于其轴向的柱面上连续分布有与所述横截面同直径圆环层金属相同的金属。

2.根据权利要求1的银基电接触复合材料，其特征在于在所述Ag同心圆环与Cu同心圆环之间的界面位置包含有AgCu合金相，在所述Cu同心圆环与Ni同心圆环之间的界面位置包含有CuNi固熔体相，所述Ag同心圆环、Cu同心圆环、Ni同心圆环层的厚度分别为5～10μm。