一种抗熔焊性能高的银镍基电触头材料及制备方法

一、技术领域本发明涉及一种电器件材料，特别涉及小容量控制电器用抗熔焊性能高的银镍(AgNi)基电触头材料，另外，本发明还涉及这种AgNi基电触头材料Ni纤维取向及该触头材料的制备方法。

二、背景技术

16A及以下小容量控制电器，由于无专门磁吹灭弧装置，因而其工作性能主要取决于直接执行分闭操作的触头的性能。

AgNi触头材料具有良好的导电、导热性能，接触电阻低而稳定，抗侵蚀性能优良，并且易于加工，可以从线材或成型带材直接焊接于触头底座，该材料可以非常有效地加以利用。另外，其制造成本较低，适合大规模生产。这些性能使得AgNi材料一直是小容量控制电器中首选的触头材料，得到很广泛的应用。然而由于现代工业对开关电器小型化、工作寿命和可靠性要求的不断提高，以及现代工业配电电压等级的提高，AgNi触头材料的缺点——抗熔焊性能差变得愈来愈明显。这一缺点导致国产小容量控制电器技术性能落后，市场竞争力薄弱。

因此，研究如何提高AgNi材料的抗熔焊性能，以扩大其使用电流范围，不仅保证380V下的电寿命，还要提高其在660V电压等级下的工作电流，就具有重要的实用价值。

国外曾研究了Ni含量及粉末颗粒尺寸对AgNi触头材料抗电弧侵蚀性能的影响[1，2]。国内也研究过Ni纤维方向对AgNi触头材料侵蚀性能的影响[3，4]。

CN1133646A公开了一种银—氧化铁基材料的配方及其配置方法。这类材料含有作为其它有效成分的一种第III副族金属氧化物，尤其是氧化钇(Y2O3)，另外至少含有第IV副族元素的金属氧化物，如(FeWO4)，改善了焊接特性和短路特性。但是触头材料的温升很容易超标。中国专利86018242公开了一种银基触头材料的加工新工艺，利用油压机控制挤压速度和压力，使锭坯在压应力的作用下产生塑性形变。挤压出内部结构呈纤维状态组织，强化材料基体，从而使材料的均匀度、致密度、强度以及电性能均有明显提高。但是不能保证触头材料的原有性能没有降低。中国专利90104803.8公开了一种银基电触头材料的制造方法，将含有硼化物或碳、氮、硼化物形成元素的银基粉末冶金材料压制成电触头坯料，经烧结后压制成型。这种材料的制备方法只适用于小规模的生产，生产效率低。

截至目前，如西门子等跨国公司在我国设立的制造接触器的合资企业，绝大部分元件已国产化，但触头材料仍要从母公司进口。

以下是发明人检索的参考文献：1.Morin，L.；Jemma，N.B；Jeannot，D.；Pinard，J.；Nedelec，L.，Contacts materials performances under break arc in automotive applications.IEEETransactions on Components and Packaging Technologies，Volume：23 Issue：2，Jun 2000.pp367-375.

2.Zeng，R.；Guo，Y.C.；Tanaka，Y.；Horvat，J.；Ionescu，M.；Beales，T.P.；Apperley，M.；Liu，H.K.；Dou，S.X.；Fabrication and properties ofsome Ag-alloy sheathed Bi-2223 tapes.IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity，Volume：9 Issue：2，Jun 1999，pp：2710-2713.

3.Li Zhenbiao；Cheng Lichun；Zou Jiyan；The metallurgical researchresearch on contact surface deterioration of AgNi，AgW，AgFe，AgCu contactmaterials.Electrical Contacts，1995，IEEE Holm Conference on Proceedings ofthe Forty-first，2-4 Oct 1995，pp：346-349.

4.Zheng Xinjian；Wang Qiping，The types and the formation mechanisms ofAgNi contact morphology due to breaking arc erosion，Electrical Contacts，1993，IEEE Holm Conference on Proceedings of the Thirty-Ninth，27-29 Sep 1993，pp：97-102.

三、发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的一个目的在于，提供一种抗熔焊性能高的AgNi基电触头材料，本发明的另一个目的是提供这种AgNi基电触头材料的制备方法。

实现上述发明目的技术解决方案是，抗熔焊性能高的AgNi基电触头材料，其特征在于，由以下成分组成：0＜镍≤10％、钨＜5％、二氧化锗＜1％、碳酸锂＜100ppm，余量为银，其中二氧化锗、碳酸锂的含量不同时为零；银粉、钨粉和镍粉的纯度均为99.96以上；银粉和镍粉的颗粒度为200-500目，钨粉的颗粒度为100-300目。

实现上述的抗熔焊性能高的银镍基电触头材料的制备方法，采用压制、烧结、挤压成型。对工艺流程中的一些条件参数进行适当控制，并考虑镍的含量和纤维取向。其特征在于，银镍基电触头材料为：0＜镍≤10％、钨＜5％、二氧化锗＜1％、碳酸锂＜100ppm，余量为银，其中二氧化锗、碳酸锂的含量不同时为零；制备方法包括以下步骤：1)首先将银粉、钨粉和经还原的镍粉过筛；2)将银粉、钨粉和经还原的镍粉按上述比例混合，同时添加碳酸锂和润湿剂二氧化锗，烘干；3)将上述烘干的粉末进行充分混合；4)在150MPa～280MPa等静压压强下将混合后的粉末压制成坯料；5)在高温烧结炉中对压制成型的坯料烧结；烧结温度为750℃～900℃，烧结时间1h～10h，氮气气氛保护；6)对烧结后的坯料进行复压，工艺参数同4)；7)对烧结后的坯料在液压机上挤压，坯料的加热温度为300℃～800℃，挤压模具的预热温度为100℃～400℃，挤压速度为5m/min～8m/min，挤压比为10～80；8)挤压后的带材经轧制成板材，板材厚度达0.5mm～3mm；即可制成AgNi基电触头材料。

本发明的新型AgNi基触头材料，经在国家低压电器质量监督检验测试中心装机试验表明，在600V、16A、AC-4工作类别下，电寿命较目前市场供应的触头的电寿命提高5倍以上，而其他性能没有下降，制造成本还略有降低。

四、附图说明

图1是试验线路示意图；图2是原AgNi基触头表面孔洞及裂纹；图3是原AgNi基触头液态银在触头表面未充分铺开图片；图4是本发明的材料制备工艺流程示意图；图5是新型AgNi基触头电弧作用后的表面形貌图片；图6是放大1000倍的新型AgNi基触头电弧作用后的表面形貌图片。

五、具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

为了分析目前已有AgNi基触头在运行中存在的熔焊问题，申请人选用了四种额定电流为16A的国产接触器，在额定电压660V，额定电流16A的条件下，进行了AC-4工作类别的电寿命试验。

研究性试验在西安交通大学低压断流实验站进行。试验进程采用可编程程序控制器进行控制。通过对接触器触点闭合时时间的在线监测，可判断触点是否已发生熔焊，并能在熔焊发生后进行相应的处理。图1为试验线路的示意图，1号、2号、3号、4号四种试品(见表1)为目前市场上的四种接触器产品。

表1  4种样品的AC-4电寿命试验结果

在上述试验条件下，所选4种小容量控制电器中，一种因触头脱落失效外，两种因触头熔焊而早期失效，另一种因相间短路而失效。但相间短路之所以会发生，仍是由于桥式触头的某一断口首先熔焊，使得电器熄弧条件严重劣化而引起相间短路。表1示出了四种样品在AC-4电寿命试验结果。由此可以看出，小容量控制电器用AgNi基触头在运行中的关键问题是抗熔焊性低。此性能低劣，便会造成电器产品过早失效，无法满足电器产品标准的要求，并导致主要由贵金属银组成的触头材料的大量浪费。

触头表面形貌是电弧作用下触头表面所发生的物理化学现象及触头失效模式的外部宏观表现。为准确掌握小容量控制电器用AgNi触头在运行中存在的关键问题，借助扫描电子显微镜(SEM)，对试验后的触头表面形貌特性进行了观察。SEM观察表明，目前小容量控制电器用AgNi基触头材料基体裂纹、孔洞发生和发展严重。图2示出了4号试品的触头失效后表面形貌的SEM相片。

对AgNi触头材料，孔洞出现的原因部分是制造过程中的原始缺陷，部分是由于液态银比固态银对氧气的溶解度增加近40倍。裂纹出现的原因较多，对AgNi材料而言，主要是因孔洞造成的结构缺陷，使材料机械强度下降，因而在热应力的多次作用下产生裂纹。

图3示出了液态银在触头表面铺展不足，从而形成富银区，不仅不能利用液态银的流动抑制孔洞和裂纹的发展，还降低了分散体系的粘性，增加了液态喷溅引起的材料损耗，也增加了触头熔焊后的熔焊强度。

总之，小容量控制电器用AgNi触头在运行过程中存在的关键问题是抗熔焊性能低劣。而从触头材料本身分析，其原因在于液态银对触头表面的润湿作用弱，分散体系中粘性低，因而导致触头基体孔洞和裂纹的发展得不到有效抑制，熔焊点熔焊强度高。表面粗糙不平，富银区发生倾向较高，材料整体性能的劣化速度太快。

从上述分析可以看出，为提高触头材料的抗熔焊性，降低触头材料的熔焊倾向是积极的对策，而降低熔焊强度只是消极、被动的对策。鉴于小容量控制电器无专门磁吹灭弧装置，提高其触头材料抗熔焊性能的思路是：着重降低触头材料的熔焊倾向，辅以适当降低熔焊强度的措施。

本发明的具体内容如下：1.扩散电弧弧根——降低电弧输入电极表面的热流密度考虑到小容量控制电器的实际灭弧结构，为达到扩散电弧弧根的目的，通过在触头材料中添加合适的微量元素而实现。碱金属具有失去最外层自由电子而成为稳定结构的属性。在AgNi材料中，添加适量的碱金属，可降低触头表面的逸出功，增加电子发射源，起到扩散电弧弧根斑点、减小电弧对触头输入的热流密度。但是所加入的碱金属的量必须严格控制，以免增加触头间电弧重燃的概率。

2.增加润湿性——抑制富银区、孔洞、裂纹的发生与发展通过添加润湿剂，强化表面动力学特性之中的润湿性，使液态银在AgNi触头材料表面充分铺展，降低富银区发生倾向。利用液态银的流动，可抑制孔洞和裂纹的发生。此外，还增加了熔融液态银的粘度，降低了因液态喷溅而产生的材料损耗。表2列出了几种常用的润湿剂与液态银之间的接触角。

表2  几种常用的润湿剂与液态银之间的接触角

3.适当提高与Ag亲和力小的组份含量在新型AgNi基触头材料开发中，适当添加与银亲和力小的组份含量以降低熔焊强度。并严格控制其含量，以免造成触头温升超标。

4.制造工艺及镍纤维取向的确定本发明利用镍纤维取向与工作表面平行，镍颗粒很容易在熔体中旋转运动，可以被扩散输送到熔体的较热部分，并被迅速熔化和溶解，更快地达到“准稳态”，使得材料具有更耐腐蚀的微观结构。

本发明在制作新的AgNi材料时，采用压制、烧结、挤压成型。材料加工流程示意图如图4所示。对工艺流程中的一些条件参数进行适当控制，并考虑镍的含量和纤维取向。

实施例：根据本发明的AgNi基触头材料配方和制备方法制备了触头样品，分别组装在苏州西门子公司生产的3TB-42型接触器中，在国家低压电器质量监督检验测试中心进行660V、16A、AC-4条件的电寿命试验。试验结果表明：1.新型AgNi基电触头材料的电寿命次数达到41814次还未失效，比原触头材料提高了5倍；2.用于扩散电弧弧根的微量添加剂——碱金属(碳酸锂粉末)，其含量必须严格控制；3.润湿剂(二氧化锗)的加入延缓了触头基体的劣化进程，图5示出了新型AgNi基触头电弧作用后的表面形貌；图6示出了新型AgNi基触头电弧作用后放大1000倍的表面形貌，可以看出，与图2相比，新型AgNi基触头在电弧作用后产生的裂纹比原触头小很多；4.加入与银亲和力小的组份(金属钨)，降低熔焊强度，但它的含量需严格控制；5.通过对其它性能的考察，如温升特性和通断能力的研究，证明这些性能并没有下降。