CN1858867A - 高抗熔焊性的银碳化钨基电触头材料及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高抗熔焊性的银碳化钨基电触头材料及制备方法。电触头材料主体成分包括：碳化钨45～73wt％，镍小于0.05％，余为银。焊接层成分包括：银40～60％，铜20～30％，余为锌或磷至少一种。碳化钨颗粒粒径为0.7～4um。碳化钨可以采用C粉替代，C粉中钨与钛之比约为7～8∶3～2。所述的C粉可由W或Ti粉替代。采用本发明可以低成本的将银焊料附在电触头产品表面，使焊料与电触头产品基体接合更牢固，减少因焊接产生的质量问题风险。此技术并不仅仅限于将焊料覆在银碳化钨料上。事实上，它适用于生产片状、带材等所有含银电触头产品，触头产品广泛用于各种等级的高压、低压电器和真空开关上。

Description

高抗熔焊性的银碳化钨基电触头材料及其加工工艺

技术领域：本发明涉及一种金属复合材料，特别是涉及一种用隔离开关触头的材料及其加工工艺。

技术背景：真空断路器对触头需要如下要求：高的电流开断能力；低的截流值；较好的电压承受能力；低而稳定的接触电阻和温升；较高耐磨和抗熔焊能力；然而这些要求彼此矛盾，不可能用一种金属来满足所有这些要求。比如，电流开断能力与截流值受材料熔点和蒸气压的影响。蒸气压高，合金具有很高听截流值，相反，则电流开断能力会受到明显的影响。因而，在很多实际应用过的合金材料中，至少将两种其不足性能可互补的元素结合使用。

目前，鉴于负载的多样性，对真空断路器的要求越来越高。如用于中断有感应电流的真空断路器，除了要求有良好的电压承受能力、低而稳定的接触电阻和温升外，往往要求真空断路器具有触头材料如要求有低截流值和大的电流开断能力。

作为具有你的截流值的的触头有：用熔融方法生产的铜铋合金(含铋多为0.5wt％或10.0％等。铜碲合金作用机理与铜铋合金相同，特点相似)，用烧结熔渗方法生产的铜铬触头。

铜铋合金触头，其截流值可通过铋的选择性蒸发得到保证，因为铋具有适当的蒸气压。与此同时，铋在晶体颗粒边界以分离的形式存在，使合金变弱，因而具有较好的抗熔焊能力。但铋对合金触头的抗电压能力和真空断路器的电流开断能力有明显的负作用。而且，随着使用次数的增加，因铋的挥发，合金触头的低的截流性能逐步变坏。

对于铜铬合金，在高温下铬和铜具有较好的热特性，触头材料在抗高压和大电流开断性能方面具有优异的性能，其电流断续性能(截流性能)也表现出相当优良的性能，但铜铬合金在抗熔焊性能方面对小型化断路器方面是有缺点的，因驱动铜铬合金触头的操作机构较之用铜铋合金触头的操作机构(小型化断路器)需要更大的断开力，在经济上是浪费的，铜铬使合金多用于真空负荷开关等大型开关。

同时，长期以来，电触头产品生产商负责制造合格的产品，使用商根据自己的工艺，使用银铜锌或银铜磷焊料在添加助焊剂的情况下，将触头产品焊接在铜支架上。由于电器厂商常因不熟悉触头的材料性能，使所采用的焊接材料与电触头产品基体接合不够牢固，使用时常因焊接质量问题影响供电质量。

发明内容：本发明的目的在于提供一种高抗熔焊的银碳化钨合金触头材料，提高触点的使用性能和使用寿命，同时自带焊料方便电器厂商的操作，这种可以使焊料与电触头产品基体接合更牢固，减少因焊接产生的质量问题风险。本发明的另一个目的在于提供高抗熔焊的银碳化钨合金触头材料的制备方法。

本发明是这样实现的：一种高抗熔焊性的银碳化钨基电触头材料，其特征在于，主体成分包括：碳化钨45～73wt％，镍小于0.05％，余为银。焊接层成分包括：银40～60％，铜20～30％，余为锌或磷至少一种。碳化钨颗粒粒径为0.7～4um.碳化钨可以采用C(W.Ti)粉替代，C(W.Ti)粉中钨与钛之比约为7～8∶3～2。

实现该高抗熔焊性能高的银碳化钨基电触头材料的制备方法，包括以下步骤：

1.首先将银粉、碳化钨粉过筛分级，选定特定的粒径。

2.将具有第一粒径的银粉与具有第二粒径的碳化钨粉末按1～1.5∶9～8.5的比例进行混粉，通过多次(至少二次以上)反复成型破碎热处理制成大于第一、二粒径的第三粒径的A粉；

3.将A粉中加入镍的草酸盐或硝酸盐溶液，伴匀，加入镍的草酸盐或硝酸盐溶液时确保镍的最终成份小于0.05％范围内；

4.将上述烘干的粉末压制成料，成型坯体孔隙率在30％～50％，可根据最终成分在范围内调整孔隙率；

5.在高温烧结炉中对压制成形的坯料预处理，预处理温度为850℃～1000℃，时间5分钟～120分钟，氢气气氛保护；

6.对预烧处理后的坯料浸烧，烧结温度为1100℃～1200℃进行浸烧，时间2～3小时；

7.将上述成分的银焊料粉末采用机械方法进行预处理，在氢气中400℃～450℃退火2～3小时，得B粉，B粉具有片状结构，或具有片状的粉末应至少占60wt％以上。

8.将甲基纤维素、乙基纤维素组成的组中至少一种加入到松油醇或丙三醇中，按1∶23～25的比例加入；在100℃～200℃热处理，时间30分钟至180分钟，配成有机物浆料；通过机械方法将B粉加入浆料，伴匀，低于10℃以下温度保存；

9.将浸烧合格的电触头整齐排放，将浆料均匀涂覆在产品表面，在氢气中300℃～650℃阶段式升温热处理，总时间2～3小时，取出产品进行后续加工得合格产品。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

采用本发明可以低成本的将银焊料附在电触头产品表面，使焊料与电触头产品基体接合更牢固，减少因焊接产生的质量问题风险。此技术并不仅仅限于将焊料覆在银碳化钨料上.事实上，它适用于生产片状、带材等所有含银电触头产品，触头产品广泛用于各种等级的高压、低压电器和真空开关上。

具体实施方式：对于银碳化钨合金触头，它具有优良的低截流性能，主要是因为：WC的存在有助于电子发射；在电弧作用下WC易分解；由于发射电子的电场的振动，因受热触头材料表面的蒸发得到加速，且银具有较高的蒸气压。据资料介绍可以通过改变抗弧成分WC的含量来改变合金触头的电流开断能力和截流值，使触头达到很好的综合性能。与此同时，防弧成分如WC颗粒的大小对合金材料截流值的一致性有很明显的影响，对材料抗压能力也有负面的影响。由于银与碳化钨之间浸润性的因素，生产银碳化钨材料的现有技术中，往往加入较多的助烧剂如FeCo和Ni，加入助烧剂有助于得到组织更优秀的材料，尤其是采用细颗粒的碳化钨粉生产银碳化钨材料时更明显，但在材料中加入过多的助烧剂，会因为助烧剂在防弧成分表面形成一层膜，从而影响热电子发热，对材料的性能形成负面影响。

经过精心优化，采用了0.7～4um细碳化钨粉作为防弧成分的粒度。碳化钨粉粒度细时，容易造成成型困难，成型坯体中孔隙率太高。与此同时，尽量少加或不加助烧剂，新开发的的生产技术采用了如下二条：1对混合粉进行制粒，制粒采取反复成型、破碎和热处理的方法，使银成分与碳化钨粒结在一起形成较大的颗粒。较大的颗粒保证了成型时，粉末坯的孔隙率及坯体的完整率。与此同时，因两种成分的粘接在一起，对保证材料最终组织的均匀性有很大的好处。事实上，通过这种工艺进行处理后，材料中防弧成分颗粒之间的距离达到了相当均匀的效果。2对成型后的坯体进行预烧处理，预烧处理突破了现有技术中不越过银熔点的限制，采取了850℃～1000℃的高温预处理。确保在预烧后，银与碳化钨颗粒已经处于良好的浸润状态下，对后续的浸烧起一个很好的诱导作用。

在合金材料表面附上一层银焊料是本工艺的又一突破，主要是基于如下认识和知识：将确定成份的银铜锌或银铜磷焊料粉末处理成片状，通过有机物浆料为载体，将粉末均匀涂覆在产品表面，通过后续合理的热处理，将粉末与合金中银基体很好的结为一体，确保焊接时的高质量。同时对相关产品节约了制备焊料的工序，减少了对人体和环境有害的各种添加助剂。

制备时，将银粉过500目筛，碳化钨粉进行分选，得粒径为0.8um的碳化钨粉，将银粉与碳化钨粉按10∶90的比例进行混合，加入计算好的草酸镍溶液，伴匀，烘干。对粉进行500℃/2小时进行热处理，以6吨/cm2的压力成型，破碎；600℃/2小时热处理，以6吨/cm2的压力成型，破碎；680℃/2小时热处理，以6吨/cm2的压力成型，破碎；最后以7～8吨/cm2的压力成型，坯料孔隙率为41.2％。980℃/30分钟预烧处理，将准备好的纯银与预烧后的坯料进行一同浸烧。

将银铜锌焊料粉末进行行星球磨机中球磨20分钟，于氢气中处理2小时，过筛分选。将计算准确的乙基纤维素加入到松油醇中，150℃热处理30分钟，配成有机物浆料。通过轧制的方式将有机物浆料与资准备好的焊料粉末进行充分混合，得成品焊料浆料，保存于4℃的冰箱中备用。

将浸烧合格的坯料整齐有序码好，称取计算准确的焊料浆料，均匀涂覆。于氢气中650℃热处理2小时。对附有焊料的坯料进行压制，得成品。

按同样的方式生产碳化钨粉粒度为1.0um、3.0和4.0um的银碳化钨材料。

材料性能如下：

序号	Ag	WC	WC粒度um	硬度MPa	密度g/cm3	电阻率uΩ.cm
							1	51.2	48.7	0.8	1751	12.48	3.15
2	50.3	49.65	1.0	1789	12.63	3.20
							3	49.9	50.06	3.0	1902	12.55	3.17
4	50.2	49.76	4.0	1802	12.57	3.07

按照上述方法生产的银碳化钨材料成功通过用户的型式试验。

Claims (3)

1.一种高抗熔焊性的银碳化钨基电触头材料，其特征在于，主体成分包括：碳化钨45～73wt％，镍小于0.05％，余为银；焊接层成分包括：银40～60％，铜20～30％，余为锌或磷至少一种；碳化钨颗粒粒径为0.7～4um。

2.根据权利要求1所述的高抗熔焊性的银碳化钨基电触头材料，其特征在于：所述的碳化钨颗粒可由C粉替代，C粉中钨与钛之比约为7～8∶3～2。

3.一种制备权利要求1所述的高抗熔焊性的银碳化钨基电触头材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

①首先将银粉、碳化钨粉过筛分级，选定特定的粒径。

②将具有第一粒径的银粉与具有第二粒径的碳化钨粉末按1～1.5∶9～8.5的比例进行混粉，通过至少二次以上反复成型破碎热处理制成大于第一、二粒径的第三粒径的A粉；

③将A粉中加入镍的草酸盐或硝酸盐溶液，伴匀，加入镍的草酸盐或硝酸盐溶液时确保镍的最终成份小于0.05％范围内；

④将上述烘干的粉末压制成料，成型坯体孔隙率在30％～50％；

⑤在高温烧结炉中对压制成形的坯料预处理，预处理温度为850℃～1000℃，时间5分钟～120分钟，氢气气氛保护；

⑥对预烧处理后的坯料浸烧，烧结温度为1100℃～1200℃进行浸烧，时间2～3小时；

⑦将上述成分的银焊料粉末采用机械方法进行预处理，在氢气中400℃～450℃退火2～3小时，得B粉，B粉具有片状结构，或具有片状的粉末应至少占60wt％以上。

⑧将甲基纤维素、乙基纤维素组成的组中至少一种加入到松油醇或丙三醇中，按1∶23～25的比例加入；在100℃～200℃热处理，时间30分钟至180分钟，配成有机物浆料；通过机械方法将B粉加入浆料，伴匀，低于10℃以下温度保存；

⑨将浸烧合格的电触头整齐排放，将浆料均匀涂覆在产品表面，在氢气中300℃～650℃阶段式升温热处理，总时间2～3小时，取出产品进行后续加工得合格产品。