高分断低压电器用触头材料及制备方法、高分断低压电器用复合触头材料及制备方法

摘要

高分断低压电器用触头材料及制备方法、高分断低压电器用复合触头材料及制备方法，属于低压电器行业和家用电器行业的电工触头材料技术领域。本发明解决了现有铜基触头无法满足低压电器对极限短路分断能力(Icu)和额定运行短路分断能力(Ics)的要求。高分断低压电器用触头材料由金刚石粉末、铜合金粉、抗熔焊增强相和余量的纯铜粉制成的，采用冶金方法制成。复合触头材料是银基合金粉末通过刷涂工艺与高分断低压电器用触头材料板材复合而成的。高分断低压电器用触头材料具有高的极限短路分断能力和额定运行短路分断能力，本发明用于低压电器行业和家用电器行业的电工触头材料。

说明书

技术领域

 本发明属于低压电器行业和家用电器行业的电工触头材料技术领域，具体说就是一种高分断低压电器用触头材料及其制备方法，以及采用高分断低压电器用触头材料作为基体与银基合金复合而成的高分断、高性能、节银环保型低压电器用复合触头材料，以及复合触头材料的制备方法。

背景技术

目前公开的同类专利和正在应用的触头材料中，一类是以银为主成分的银基电触头材料，另一类是以铜为主成分的铜基电触头材料。 

以银为主成分的银基电触头材料具有良好的导电性、导热性，具有接触电阻小、抗氧化能力强等特性，广泛应用于低压电器行业用作电工触头材料，如银氧化锡、银氧化锌、银镍、银稀土等触头材料。但随着国民经济的发展，低压电器不断增多，白银耗用量逐年增加，我国以及全世界的白银资源短缺而且价格昂贵，制约了银基低压电器触头材料的发展。

以铜为主成分的铜基电触头材料目前已经成功应用到低压电器行业，如专利号94102452.0所述的“铜基低压电工触头材料”已经在小型断路器、塑壳断路器上应用近十年，取得了良好的经济和社会效益。这种触头在一定程度上解决了抗熔焊问题，但是在长期应用过程中也发现了其极限短路分断能力 (Icu) 仅有25KA，限制了在一些要求高分断能力的低压电器中应用，特别是在新型塑壳式断路器和小型高分断路器中的应用，这些新型的断路器体积更小，分断能力却大幅度提高。

此外，为了节约用银量并保持触头的电气性能，银铜复合触头材料也随之出现。通常的作法是将常规的银基触头材料通过热轧复合、爆炸等方式复合到无氧铜板上。这种复合材料虽然减少了银的用量，但却存在一个致命的缺陷，即基体无氧铜板不具备抗熔焊能力，无法满足低压电器对极限短路分断能力(Icu)和额定运行短路分断能力(Ics)的要求，存在极大的安全隐患。

发明内容

 本发明的目的在于提供高分断低压电器用触头材料及制备方法、高分断低压电器用复合触头材料及制备方法。高分断低压电器用触头材料具备高的极限短路分断能力(Icu)和额定运行短路分断能力(Ics)，该材料不但能够单独作为低压电器触头材料来使用，解决目前铜基触头分断能力不高的弱点，满足较高等级低压电器的要求。高分断低压电器用触头材料与银基触头材料进行复合制备具有高分断、高性能的复合型触头材料，兼顾优良电性能、高分断能力与节银的多重要求，以满足高端电器以及节银环保的要求。

本发明的高分断低压电器用触头材料按重量百分比由0.01％～10.0％的金刚石粉末、40％～60％铜合金粉、0.05％～15％抗熔焊增强相和余量的纯铜粉制成的。

所述的铜合金粉按重量百分比由0.01%～20％合金粉与80%～99.9%电解铜采用水雾化方法（请详细描述一下铜合金粉步骤和参数，简单的写水雾化法有可能公开不充分，以后无法补充，下面是我查到的方法，不合适的地方请修改：高压水雾化是将合金粉和电解铜在熔炉中融化，熔化后的金液须过热五十度左右，然后注入中间包中。在金液注入前开始启动高压水泵，让高压水雾化装置开始工件。中间包中的金液经过束流，通过包底的漏嘴进入雾化器。在来自雾化器的高压水的作用下，金液被不断地破碎成细小的液滴，落入装置中的冷却液中，迅液凝固成合金粉末。）制成的，合金粉由银、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、铝、铬、锡、锌、碲、镍中的一种或者其中几种的组合；当合金粉为组合物时，各组分间按任意比混合。铜合金粉构成高分断节银环保型低压电器用触头材料第三相组元，替代被欧盟RoHS指令所禁止的镉元素，起到改善电接触表面液相和固相附着力，减少接触表面及触头基体裂纹的形成与扩展，最终达到降低电弧浸蚀的作用。

高分断低压电器用触头材料主要导电材料是铜，是触头材料的核心组元，铜具有良好的导电性能和导热性，适合应用于触头材料的基体。

所述抗熔焊增强相为三氧化二镧、三氧化二铈、三氧化二镝、三氧化二钐、三氧化二钇、三氧化二镱、氧化锌、氧化铜、氧化锡、氧化镉、氧化铟、钨、钼、钒、石墨、碳化硼、碳化钨、碳化硅中的一种或者其中几种的组合，当抗熔焊增强相为组合物时，各组分间按任意比混合。作为高分断节银环保型低压电器用触头材料第四相组元，起到大幅提高触头抗熔焊性、增加触头电寿命的能力。

所述金刚石粉末的纯度大于99%（质量），粒径0.1μm ~5μm。

所述铜合金粉的粒度小于200目。

高分断低压电器用触头材料的制备方法是按下述步骤进行的:

步骤一、将0.01％～10.0％的金刚石粉末、40％～60％铜合金粉、0.05％～15％抗熔焊增强相和余量的纯铜粉混合，置于在氩气保护下的高能球磨机内球磨6h～12h，得到混合粉；

球磨将大颗粒铜合金粉与纯铜粉粉碎，使金刚石粉与纯铜粉、铜合金粉和抗熔焊增强相粒径接近并且混合均匀，从而克服成份分布不均所造成的抗熔焊性差异。

 步骤二、将步骤一获得的混合粉用冷等静压法制成圆柱状胚料，冷等静压制度为： 压强为100～280MPa，保压5～10min；

 步骤三、胚料在真空下进行烧结处理，烧结温度700～1300℃，保温时间30～120min；

步骤四、烧结后的胚料在700～1200℃下热挤压成型，再进行轧制或拉拔加工，然后机械加工成所需触头形状，即得到高分断低压电器用触头材料。

高分断节银环保型低压电器用触头材料主要导电材料是铜，是触头材料的核心组元，铜具有良好的导电性能和导热性，适合应用于触头材料的基体。

第二相组元是金刚石。金刚石是自然界中导热率最高的物质，导热率达138.16 Wm^-1K^-1，同时具有熔点高（3700℃）、高硬度的特性。本发明通过第二相组元金刚石粉的加入，除了起到抗电弧浸蚀和抗触头熔焊的作用，还起到弥散强化骨架，使触头材料在电接触和电弧作用下仍然具有较高的硬度和较高的熔点。进一步研究表明，金刚石是一种理想的还原剂，不论是单质状态的金刚石还是在电弧作用燃烧后转化的一氧化碳都是较强的还原剂，可以将电接触表面生成的氧化铜还原成氧化亚铜或金属单质铜，保证了触头材料良好的导电性。同时，由于金刚石的良好导热性起到了加快将电弧所产生的热量传导至桥架，降低触头表面温度的作用，符合电器型式试验温升的要求。

第三相组元是一些金属元素。这些金属元素与铜基体形成合金，在触头材料中的作用主要是在电接触表面起到表面张力和润湿作用，达到降低电弧浸蚀的目的，并起到从电接触表面受电弧能量作用下形成的液态金属池里，调节触头材料中各组元的分布和流动以及化合物形态控制，达到降低触头熔焊的目的。

第四相组元是氧化物、高熔点金属或碳化物。这些氧化物、高熔点金属或碳化物的加入的关键作用是降低触头电弧作用下熔焊的焊接强度，极大提高触头材料的抗熔焊性。此外还具有增加电接触表面受电弧能量作用下形成的熔池液态金属的粘度，减少液态金属飞溅从而增长电寿命的作用。虽然在触头多次通断的情况下，氧化物或碳化物会沉积在触头表面而导致电阻升高，但由于触头电接触面的金刚石粒子在电弧作用下燃烧成的气体可以清除触头表面沉积物，从而保证了触头材料表面洁净和良好的导电性。第四相组元是大幅提高触头材料分断能力的关键。

第三、第四相组元的加入极大地提高了本发明材料的分断能力，并克服了镉对环境的污染。高分断低压电器用触头材料极限短路分断能力为70KA以上。

各个相组元共同作用大幅度提高触头抗熔焊性，也就是提高分断能力。

本发明中高分断低压电器用复合触头材料是将按重量百分比由0.01％～10.0％的金刚石粉末、40％～60％铜合金粉、0.05％～15％抗熔焊增强相和余量的纯铜粉通过粉末冶金方法加工成板材，然后将银基合金粉末通过刷涂工艺与板材复合而成的；所述的铜合金粉按重量百分比由0.01%～20％合金粉与80%～99.9%电解铜采用水雾化方法制成的，合金粉由银、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、铝、铬、锡、锌、碲、镍中的一种或者其中几种的组合，当合金粉为组合物时，各组分间按任意比混合；所述抗熔焊增强相为三氧化二镧、三氧化二铈、三氧化二镝、三氧化二钐、三氧化二钇、三氧化二镱、氧化锌、氧化铜、氧化锡、氧化镉、氧化铟、钨、钼、钒、石墨、碳化硼、碳化钨、碳化硅中的一种或者其中几种的组合，当抗熔焊增强相为组合物时，各组分间按任意比混合。

所述的银基合金粉末按重量百分比由0.05％～15％添加物和85％～99.95％纯银粉组成；添加物为钨、钼、铌、铜、镍、碲、镧、铈、镝、钐、钇、镱、锆、三氧化二镧、三氧化二铈、三氧化二镝、三氧化二钐、三氧化二钇、三氧化二镱、氧化锌、氧化锡、氧化铟、氧化铜、碳化钨、碳化硼、碳化硅、金刚石、石墨中的一种或其中几种的组合。当添加物为组合物时，各组分间按任意比混合。

所述的高分断低压电器用复合触头材料制备方法是按下述步骤进行的：

一、将0.01％～10.0％的金刚石粉末、40％～60％铜合金粉、0.05％～15％抗熔焊增强相和余量的纯铜粉混合，置于在氩气保护下的高能球磨机内球磨6h～12h，用冷等静压法制成圆柱状胚料，冷等静压制度为： 压强为100～280MPa，保压5～10min，胚料在真空下进行烧结处理，烧结温度700～1300℃，保温时间30～120min，烧结后的胚料在700～1200℃下热挤压成型，再进行轧制成板材，然后喷砂处理板材表面；

二、银基合金粉末用无水乙醇或蒸馏水调制成浆状制得银合金浆，然后涂覆在经处理的板材表面上，置于氩气或氮气气氛中进行初烧结，初烧结温度为700℃～960℃，初烧结的保温时间为5～30min；

三、冷却后继续在刷涂银合金的一面刷涂银合金浆，并在500℃～800℃进行再烧结5～30min，重复进行刷涂与再烧结过程，直至达到接触材料银合金厚度要求；

四、然后冷轧或在氩气或氮气气氛下热轧制，使之达到规定厚度；

五、轧制后的材料置于氩气或氮气气氛中进行终烧结，终烧结温度为350℃～500℃，保温时间为15～30min；即得到高分断低压电器用复合触头材料。

每次刷涂所采用的混合粉末浆中的银粉与添加物比例可以不同。不同时，能够制成梯度复合触头材料，从而适应特殊情况下的需求。

采用高分断节银环保型低压电器用触头材料作为基体通过刷涂法复合一定厚度的银基合金层，形成高分断节、高性能银环保型低压电器用复合触头材料，其优点在于彻底克服了传统银铜复合触头材料额定运行短路分断能力和极限短路分断能力低的缺点，所制备的触头在正常使用条件下电性能等同于银基触头，而额定运行短路分断能力与极限短路分断能力则等同于高分断节银环保型低压电器用触头材料，当低压电器在正常工作条件下，起作用的是银基合金层，所以这种工况下该材料具有与银基触头相同的性能；而额定运行短路和极限短路工作条件下时，银合金层将被迅速消耗掉，不再起任何作用，而这时起到分断能力的则是基体，即高分断节银环保型低压电器用触头材料，因此复合材料在此条件下具备与高分断节银环保型低压电器用触头材料相同的额定运行短路分断能力与极限短路分断能力，从而真正实现了在不降低电性能的前提下节银和环保的目的。复合触头极限短路分断能力为70KA以上。

具体实施方式

下面结合实施例再对本发明作详细描述。

具体实施方式一：本实施方式中高分断节低压电器用触头材料是通过下述步骤获得的：

步骤一、将37.7kg电解铜粉、60kg铜合金粉（铜合金粉由0.80%镧、0.35%锆、0.65%铝和余量电解铜采用水雾化方法制成的）、钨粉1.0kg、与1.3kg金刚石粉在氩气保护下在高能球磨机上球磨8小时，得到混合粉；

步骤二、 将所获得的混合粉末放入橡胶模具通过冷等静压的方法制成直径100mm的圆柱状胚料；冷等静压制度为：压强：280MPa，保压时间：10min；

步骤三、胚料在真空条件下进行烧结处理，烧结温度1220℃，保温时间180min；

步骤四、烧结后的胚料在900℃下热挤压成型，得到厚度为4mm的挤压型材；

步骤五、将挤压型材经轧制到规定尺寸后，按产品尺寸进行冲压，得到触头成品。

本实施方式的高分断节低压电器用触头的性能：密度 8.61g/cm³，电阻率 2.24μΩ·cm，硬度 900Mpa，极限短路分断能力为70kA，额定运行短路分断能力为52.5kA。

具体实施方式二：本实施方式中高分断节低压电器用触头材料是通过下述步骤获得的：

    步骤一、将37.7kg电解铜粉、60kg铜合金粉（铜合金粉由0.80%镧、0.50%铝和余量的铜采用水雾化方法制成的）、0.8kg三氧化二钐和1.5kg金刚石粉在氩气保护下在高能球磨机上球磨10小时，得到混合粉;

步骤二、 将所获得的混合粉末放入橡胶模具通过冷等静压的方法制成直径 100mm的圆柱状胚料，冷等静压制度为：压强为250MPa，保压10min；

步骤三、 胚料在真空条件下进行烧结处理，烧结温度1150℃，保温时间210min；

步骤四、烧结后的胚料在950℃下热挤压成型，得到厚度为4mm的挤压型材；

步骤五、将挤压型材轧制到规定尺寸后，按产品尺寸进行冲压加工，得到触头成品。

本实施方式的高分断节低压电器用触头的性能：密度 8.53g/cm³，电阻率 2.28μΩ·cm，硬度 890Mpa，极限短路分断能力为75kA，额定运行短路分断能力为56kA。

对比专利号94102452.0所制备的“铜基低压电工触头材料”的电性能，以金刚石1.3%，镉1.5%，铜余量的成份组成为例，其性能为密度：8.56g/cm³，电阻率：2.24μΩ·cm，硬度：860Mpa，极限短路分断能力为25kA，额定运行短路分断能力为18 kA。而本发明实施例2所制备的触头材料性能为：密度：8.53g/cm³，电阻率：2.28μΩ·cm，硬度：930Mpa，极限短路分断能力为75kA，额定运行短路分断能力为56kA。由此可见本发明所述触头材料的分断能力远高于专利号94102452.0所述的“铜基低压电工触头材料”，同时保持了较低的电阻和较高的硬度，并符合欧盟RoHs指令的要求。可以应用到对分断能力有较高要求的低压电器中。

具体实施方式三：本实施方式中高分断节低压电器用触头材料是通过下述步骤获得的：

    步骤一、将38.7kg电解铜粉、60kg铜合金粉（铜合金粉由0.40%镧、0.80%碲和余量的铜采用水雾化方法制成的）、0.3kg三氧化二镝、0.5kg钨粉和0.5kg金刚石粉在氩气保护下在高能球磨机上球磨12小时，得到混合粉;

步骤二、将所获得的混合粉末放入橡胶模具通过冷等静压的方法制成直径 100mm的圆柱状胚料，冷等静压制度为：压强为280MPa，保压10min；

步骤三、 胚料在真空下进行烧结处理，烧结温度1250℃，保温时间120min；

步骤四、 烧结后的胚料在950℃下热挤压成型，得到厚度为4mm的挤压型材；

步骤五、将挤压型材轧制或拉拔加工后，按产品尺寸进行机械加工。

本实施方式的高分断节低压电器用触头的性能：密度 8.55g/cm³，电阻率 2.26μΩ·cm，硬度 850Mpa，极限短路分断能力为72kA，额定运行短路分断能力为54kA。

具体实施方式四：本实施方式中高分断节低压电器用触头材料是通过下述步骤获得的：

    步骤一、将38.9kg电解铜粉、60kg铜合金粉（铜合金粉是0.4%镧、0.4%锆和余量的铜采用水雾化方法制成的）、0.3kg三氧化二镝、0.5kg碳化硼和0.3kg金刚石粉在氩气保护下在高能球磨机上球磨12小时，得到混合粉;

步骤二、将所获得的混合粉末放入橡胶模具通过冷等静压的方法制成直径 100mm的圆柱状胚料，冷等静压制度为：压强为280MPa，保压5min；

步骤三、胚料在真空下进行烧结处理，烧结温度1250℃，保温时间120min；

步骤四、烧结后的胚料在930℃下热挤压成型，得到规定厚度为4mm的挤压板材；

步骤五、将挤压型材轧制或拉拔加工后，按产品尺寸进行机械加工。

本实施方式的高分断节低压电器用触头的性能：密度 8.58g/cm³，电阻率 2.25μΩ·cm，硬度 880Mpa，极限短路分断能力为75kA，额定运行短路分断能力为56kA。

具体实施方式五：本实施方式中高分断节银环保型低压电器用复合触头材料是通过下述步骤获得的：

    步骤一、将9.0kg的平均粒径为1～1.5μm银粉、同样粒径的1.0kg氧化锡混合均匀，加入10L蒸馏水搅拌并在超声波分散器中分散5min钟，制成银-氧化锡合金浆。

步骤二、将具体实施方式二制备的高分断节银环保型低压电器用触头材料板材的一个表面进行喷砂处理后，将银-氧化锡合金浆均匀的刷涂在其上，刷涂厚度为10～15μm，在105℃下烘干。

步骤三、将烘干后的板材，摆放在专用的架子上，放入烧结炉内在氩气保护下进行初烧结。初烧结温度为850℃，保温时间为10min。

步骤四、初烧结的带材冷却后继续将银-氧化锡合金浆均匀的刷涂在已经涂刷银合金的表面上，刷涂厚度为10～15μm，在105℃下烘干。

步骤五、将烘干后的板材，摆放在专用的架子上，放入烧结炉内在氩气保护下进行再烧结。再烧结温度为750℃，保温时间为10min。

 步骤六、重复步骤四和步骤五，使银合层厚度占到总厚度的20%。

 步骤七、将复合板材冷轧，轧制到所需要厚度。

 步骤八、将经冷轧制后复合材料进行终烧结，终烧结温度为450℃，保温时间为30min。

 步骤九、终烧结后的复合材料可用冲床冲裁为顾客要求的形状。

本实施方式的高分断节低压电器用复合触头的性能：整体密度8.87g/cm³，电阻率 2.06μΩ·cm，硬度 700Mpa；电寿命、温升等电性能指标等同与银氧化锡10触头，极限短路分断能力为75 kA，额定运行短路分断能力为56kA，适用于替代银氧化锡10触头材料。

具体实施方式六：本实施方式中高分断节银环保型低压电器用复合触头材料是通过下述步骤获得的：

步骤一、将实施例三制备的高分断节银环保型低压电器用触头材料板材轧制成厚度为1.0mm的板材，选定一面作为复合面进行喷砂和清洁处理。

步骤二、将1.8kg、1.7kg、1.6kg、1.5kg、1.4kg平均粒径为1～1.5μm银粉分别与同样粒径的0.2kg、0.3 kg 、0.4kg、0.5kg、0.6kg镍粉混合均匀，制成5份镍含量分别为10%、15%、20%、25%、30%的银镍合金粉，分别加入200mL无水乙醇搅拌并在超声波分散仪中分散5分钟，制成5份银镍合金浆。

步骤三、先将镍含量为10%银镍合金浆均匀的刷涂在具体实施方式三经表面喷砂处理后的高分断节银环保型低压电器用触头材料待复合面上，刷涂厚度为10～15μm，在105℃下烘干。

步骤四、将烘干后的板材，摆放在专用的架子上，放入烧结炉内在氩气保护下进行初烧结。初烧结温度为800℃，保温时间为15分钟。

步骤五、冷却后将镍含量为15%银镍合金浆均匀的刷涂在板材复合面上，刷涂厚度为10～15μm，在105℃下烘干。

步骤六、将烘干后的板材，摆放在专用的架子上，放入烧结炉内在氩气保护下进行再烧结。再烧结温度为750℃，保温时间为10分钟。

步骤七、重复步骤五和步骤六，按镍含量由低到高的顺序分别将含镍量为20%、25%、30%的银镍合金浆刷涂在复合面上。从而形成银镍合金层中镍含量从复合面开始依次升高的梯度复合材料，相当于从复合层开始形成银镍10、银镍15、银镍20、银镍25、银镍30成份的五层厚度分别为10~15μm梯度银合金层。

步骤八、将复合板材冷轧，轧制所需要厚度。

步骤九、将经冷轧制后复合材料进行终烧结，终烧结温度为420℃，保温时间为30分钟。

本实施方式的高分断节低压电器用复合触头的性能：整体密度8.75g/cm³，电阻率2.16μΩ·cm，硬度720Mpa，极限短路分断能力为72kA，额定运行短路分断能力为54kA。