一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种用于断路器的复合电接触材料及其制备方法，步骤为：将W粉和Ag粉均匀混合；将混粉后的粉体进行球磨；将球磨后粉体进行造粒并过筛；成型；熔渗烧结制备出AgW50坯体；将Cu片进行热处理，在Cu片表面镀银；将AgW50坯体与Cu片进行复合；烧结。本发明方法中，成型后的AgW生坯的一面与Cu片接触面紧密结合的形状，并采用熔渗烧结法制备高致密度的AgW50材料，制备的AgW50复Cu材料复合界面结合强度较高，耐电弧烧蚀性能及电导率、硬度均有较大的提高，并且加工性能十分优良，成材率较高，工艺简单，操作方便，成本低廉，对设备无特殊要求。

权利要求

1.一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1，将W粉和Ag粉均匀混合，然后进行混粉得到AgW混合粉体，其中W粉含量不低于AgW混合粉体整体重量50％，余量为Ag粉；

S2，将AgW混合粉体进行球磨和过筛，得到复合粉体；

S3，将过筛后的复合粉体进行造粒；

S4，将造粒后的粉体进行成型压制得到AgW生坯，其中AgW生坯的一面为能够与Cu片接触面紧密结合的形状；

S5，将AgW生坯与Ag通过熔渗烧结合成AgW50料块；

S6，将Cu片热处理后进行镀银；

S7，将AgW50料块与镀银后Cu片进行冷压复合，得到AgW50复Cu坯体；

S8，将AgW50复Cu坯体进行烧结。

2.如权利要求1所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，S1中，所述混粉，其中W粉重量含量为60％～70％，余量为银粉，混粉速度在20转/分钟-

35转/分钟之间，混粉时间在2-5小时之间。

3.如权利要求1所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，S3中，所述造粒采用烧结造粒或拌胶造粒，其中：拌胶造粒所用拌胶量为复合粉体重量的0.5％-1％。

4.如权利要求1所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，S4中，所述AgW生坯的一面为锯齿形或网纹形，锯齿或网纹的高度在0.1mm-0.5mm之间，成型压力在1～15MPa之间。

5.如权利要求1所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，S5中，所述熔渗烧结，烧结温度在1000-1200℃之间，保温时间在0.5-10小时之间；Ag和AgW生坯的重量比为0.20-0.40∶1，所述的和AgW生坯一起进行熔渗烧结的Ag为块状、片状或粉末状。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，S6中，所述热处理，温度在450℃～700℃之间，热处理时间在0.5～3小时之间。

7.如权利要求1-5任一项所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，S7中，所述的复合采用冷压复合，冷压压力在4～20MPa，保压时间0.3～5秒，AgW50复Cu坯体中AgW50层厚度与Cu层厚度之比为0.20～1之间。

8.如权利要求1-5任一项所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，S8中，所述的烧结，温度在750-850℃之间，烧结时间在0.5-2小时之间，烧结气氛为H2或N2。

9.如权利要求1-5任一项所述的一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，其特征在于，在S8之后进一步执行S9：将S8烧结后的AgW50复Cu坯体进行整形，所述的整形压力为4～20MPa之间，保压时间0.3～1秒之间。

10.一种权利要求1-9任一项方法制备得到的用于断路器的AgW50复Cu电接触材料，其特征在于：所述电接触材料包括焊接层、覆于焊接层上方的工作层，所述工作层为AgW50层，所述焊接层为Cu层，且所述AgW50层厚度与所述Cu层厚度之比在1/3～1之间；所述AgW50层，其与Cu层接触的一面为锯齿形或网纹形。

说明书

一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种材料技术领域的电触头材料及其制备方法，具体地说，涉及的是一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法以及由该方法制备的AgW50复Cu电接触材料。

背景技术

[0002] 断路器广泛应用于配电系统各级枢纽控制端，承担设备的电源控制和用电终端管理任务。电接触材料是断路器的核心元件，用来实现电路的接通和分断，它的性能直接影响着断路器的可靠性和稳定性。目前国内外断路器用的电接触材料整体银含量较高，既造成了部分贵金属浪费，同时也使得电接触材料成本较高。近年来，人们采取各种措施，在不降低触头性能的条件下，降低触头材料中的银含量，同时开发贱金属材料来替代资源有限且价格昂贵的白银。

[0003] AgW50系电触头材料作为新一代触头材料，主要利用了Ag的良好导电、导热性以及W的高熔点、高硬度和耐磨性好的特点，可经受强烈的电弧腐蚀，具有良好的抗熔焊性及耐磨蚀，广泛用于电力电子、中高压电器领域的阴极材料和电阻焊、电火花加工等离子体加热的电极材料以及其它领域。但AgW50中Ag的质量百分比达到50％，使得AgW50系电触头材料的原料成本较高。而铜具有与银相近的物理、化学、电学等性能，作为电接触材料，铜有导电导热好、热容大、触头温升低、加工成型性能优异、价格低廉等优势。因此，通过将AgW50与Cu或Cu合金制备AgW50复Cu复合材料来降低银含量，其中，AgW50为工作层，Cu或Cu合金为焊接层。

[0004] 目前制备AgW50材料的方法主要有两种：(1)粉末冶金方法：即混粉、成型、烧结、复压，但是，这种方法制得的AgW50复合材料的相对密度很低，仅为理论密度的90％左右；(2)熔渗法：将钨粉或掺入部分银粉的混合粉压制成坯块，然后在坯块上放置所需的银粉末，将银熔化，使银渗入到压坯中的孔隙中，形成AgW50复合材料，所制得的材料致密度高。

[0005] 传统的复合方式是通过将AgW50粉与Cu粉两种组份材料直接压制成生坯并烧结的方法进行复合，这种方法制备出的材料的致密度较低，且AgW50层与Cu层结合处难以避免存在一定的缝隙，从而影响结合强度，降低电导率。如何在提高效率、不明显增加成本的前提下，制备电性能与组织性能优良的AgW50复Cu复合材料，成为研究的难点与热点。中国发明专利CN201410408623.2通过采用Ag-Cu-Zn焊料将AgW50与紫铜进行钎焊复合，从而增大接头强度且能承受振动载荷，然而由于焊料层的加入会导致材料整体的电阻率增大，温升提高，触头抗电弧烧损能力低。

发明内容

[0006] 本发明针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种AgW50复Cu电接触材料及其制备方法，本发明方法制备的工作层AgW50致密度高，AgW50复Cu的复合界面结合强度高，烧结性能好，电寿命、耐电弧烧蚀性能及电导率均有较大的提高，并且加工性能十分优良。同时工艺简单，操作方便，成本低廉，对设备无特殊要求。

[0007] 为实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：

[0008] 本发明提供一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料，所述电接触材料包括焊接层、覆于焊接层上方的工作层，所述工作层为AgW50层，所述焊接层为Cu层，且所述AgW50层厚度与所述Cu层厚度之比在1/3～1之间。

[0009] 优选地，所述AgW50层与所述Cu层通过复合工艺形成AgW50复Cu电接触材料。

[0010] 优选地，所述AgW50层，其与Cu层接触的一面为锯齿形或网纹或其它能够与Cu片接触面紧密结合的形状。

[0011] 本发明提供一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料的制备方法，包括以下步骤：

[0012] S1，将W粉和Ag粉均匀混合，然后进行混粉得到AgW混合粉体，其中W粉含量不低于AgW混合粉体整体重量50％，余量为Ag粉；

[0013] S2，将AgW混合粉体进行球磨和过筛，得到复合粉体；

[0014] S3，将过筛后的复合粉体进行造粒；

[0015] S4，将造粒后的粉体进行成型压制得到AgW生坯，其中AgW生坯的一面为能够与Cu片接触面紧密结合的形状；

[0016] S5，将AgW生坯与Ag通过熔渗烧结合成AgW50料块；

[0017] S6，将Cu片热处理后进行镀银；

[0018] S7，将AgW50料块与镀银后Cu片进行复合得到AgW50复Cu坯体；

[0019] S8，将AgW50复Cu坯体进行烧结，得到用于断路器的AgW50复Cu电接触材料。

[0020] 本发明通过S7常温复合只是将AgW50与Cu坯体通过物理机械力初步结合，S8烧结在高温下原子扩散，AgW50与Cu坯体原子互相渗透，进一步加强结合强度。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0022] 本发明一方面通过熔渗法制备出高致密度的AgW50材料；另一方面，通过对所制得的AgW50料块进行成型，使之呈现出能与Cu片紧密结合的形状结构，并对Cu片进行热处理，使之在后续的复合工艺中保持一定程度的软度，从而大大提高了复合后AgW50与Cu界面结合强度，再通过烧结，使得金属原子在高温下扩散，AgW50与Cu坯体中原子互相渗透，进一步加强AgW50复Cu坯体中AgW50层与Cu层的结合强度。此外本发明焊接层采用Cu或Cu合金，大大提高了电接触材料的电导率。本发明制备的AgW50复Cu电触头材料耐电弧烧蚀能力比传统方法制备的AgW50复Cu电触头材料提高10-20％，导电率提高5-15％，电寿命提高了10-30％，银含量降低47％，并且具有优良的加工性能，成材率高，适于规模化生产。

附图说明

[0023] 图1-图2是本发明制备AgW50复Cu材料的结构示意图，其中AgW50的一面为锯齿形；

[0024] 图3-图4是本发明制备AgW50复Cu材料的结构示意图，其中AgW50的一面为网纹形；

[0025] 图中：1为工作层，2为焊接层。

具体实施方式

[0026] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0027] 如图1-图2所示，是本发明制备AgW50复Cu材料的结构示意图，所述电接触材料包括焊接层、覆于焊接层上方的工作层，所述工作层为AgW50层，所述焊接层为Cu层，且所述AgW50层厚度与所述Cu层厚度之比在1/3～1之间；其中AgW50的一面为锯齿形，该面为与Cu层紧密接触的一面。所述Cu层为纯Cu层或Cu合金层。

[0028] 如图3-图4所示，是本发明制备AgW50复Cu材料的结构示意图，不同之处在于AgW50的一面为网纹形，该面为与Cu层紧密接触的一面。

[0029] 进一步的，本发明提供一种用于断路器的AgW50复Cu电接触材料及其制备方法，具体的，制备方法可以采用以下步骤和具体参数进行实施：

[0030] 第一步，首先将W粉和Ag粉均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉。其中优选参数可以采用：W粉含量为60％～70％，Ag粉含量为30％～40％。混粉速度在20转/分钟-35转/分钟之间；混粉时间在2-5小时之间。

[0031] 第二步，将第一步获得的混合粉体进行球磨造粒和过筛。其中优选参数可以采用：球磨转速在30转/分钟-150转/分钟之间；球磨时间在5-15小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在2-10之间；所过筛的目数在100目-300目之间。

[0032] 第三步，将第二步获得的复合粉体进行造粒。其中造粒可以采用拌胶造粒。所述拌胶造粒优选参数为：所用拌胶量为复合粉体重量的0.5％-1％。

[0033] 第四步，将第三步造粒后的粉体进行成型压制得到AgW生坯。其中AgW生坯的一面(与Cu片接触的一面)为锯齿形、网纹等能够与Cu片接触面紧密结合的形状，锯齿及网纹的高度在0.1mm-0.5mm之间，AgW生坯厚度根据产品所需计算获得，成型压力在1～15MPa之间。

[0034] 第五步，将AgW生坯与Ag通过熔渗烧结合成AgW50。优选地，所述熔渗烧结是将Ag置于AgW生坯上，在高温烧结温度下液态的Ag在毛细管力作用下浸入AgW生坯中，获得致密烧结体AgW50复合材料。更佳的，所述熔渗烧结的条件可以包括在还原性气体中，其中，还原性气体可以为氢气等。更佳的，烧结温度在1000-1200℃之间，保温时间在0.5-10小时之间；Ag和AgW生坯的重量比可以为0.20-0.40∶1，此处所述的和AgW生坯一起进行熔渗烧结的Ag可以以块状、片状和粉末状等形式存在，优选为片状。

[0035] 第六步，将Cu片进行热处理后镀银，优选地，热处理温度在450℃-700℃之间，热处理时间在0.5-3小时，电镀后银层3-8μm；

[0036] 第七步，将熔渗烧结获得的AgW50料块与镀银后的Cu片进行复合得到AgW50复Cu坯体。其中，复合工艺采用冷压复合，优选参数可以采用：冷压压力在4～20MPa，保压时间0.3～5秒，AgW50复Cu坯体中AgW50层厚度与Cu层厚度之比为0.20～1之间。

[0037] 第八步，将复合后获得的AgW50复Cu坯体进行烧结，其中优选参数可以采用：烧结温度在750-850℃之间；烧结时间在0.5-2小时之间，烧结气氛为H2或N2气。

[0038] 第九步，将烧结后的AgW50复Cu坯体进行整形，其中优选参数可以采用：整形压力4～20MPa之间，保压时间0.3～1秒之间。

[0039] 第十步，将整形后获得的AgW50复Cu坯体进行清洗。

[0040] 以下通过具体应用的实施例来对本发明详细的技术操作进行说明。

[0041] 实施例一

[0042] 第一步中，首先将银粉35wt％和W粉65wt％均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉，转速在20转/分钟；时间4小时。

[0043] 第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨，球磨转速在50转/分钟；球磨时间在15小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在8∶1；所过筛的目数在200目。

[0044] 第三步中，将第二步获得的复合粉体进行拌胶造粒，胶水量为总重量的0.5％。

[0045] 第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，成型压力1MPa，其中成型后的Ag35W65坯体一侧为锯齿形，齿形高度为0.25mm。

[0046] 第五步中，将成型后的Ag35W65生坯置于Ag金属片上，进行熔渗烧结制备AgW50。其中参数可以采用：Ag金属片与Ag35W65生坯的重量比为0.30∶1，烧结温度在1100℃；烧结时间为3小时，烧结气氛为H2。

[0047] 第六步中，将Cu片进行热处理，再在Cu片表面镀银。其中参数可以采用：热处理温度为500℃，时间为2.5小时；

[0048] 第七步中，在热处理后的Cu片表面镀银，其中参数可以采用：银镀层厚度为5μm。

[0049] 第八步中，将烧结获得的AgW50坯体与热处理后的Cu片进行冷压复合。其中参数可以采用：冷压压力在10MPa，保压时间1秒。

[0050] 第九步中，将冷压后获得的坯体进行烧结。其中参数可以采用：烧结温度为760℃；烧结时间为1.5小时，烧结气氛为H2。

[0051] 第十步中，将烧结后的AgW50复Cu坯体进行整形。其中参数可以采用：整形压力5MPa之间，保压时间5秒。

[0052] 第十一步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

[0053] 实施例二

[0054] 第一步中，首先将30wt％Ag粉和70wt％W粉均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉，转速在30转/分钟；时间5小时。

[0055] 第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨，球磨转速在150转/分钟；球磨时间在5小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在3∶1；所过筛的目数在150目。

[0056] 第三步中，将第二步获得的复合粉体进行拌胶造粒，胶水量为总重量的1％。

[0057] 第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，成型压力1MPa，其中成型后的Ag30W70坯体一侧为锯齿形，齿形高度为0.40mm。

[0058] 第五步中，将成型后的Ag30W70生坯骨架置于Ag金属块上，进行熔渗烧结制备AgW50。其中参数可以采用：Ag金属块与Ag30W70生坯的重量比为0.4∶1，烧结温度在1020℃；烧结时间为8小时，烧结气氛为H2。

[0059] 第六步中，将Cu片进行热处理。其中参数可以采用：热处理温度为650℃，时间为1小时；

[0060] 第七步中，在热处理后的Cu片表面镀银，其中参数可以采用：银镀层厚度为3μm。

[0061] 第八步中，将烧结获得的AgW50坯体与热处理后的Cu片进行冷压复合。其中参数可以采用：冷压压力在15MPa，保压时间1秒。

[0062] 第九步中，将冷压后获得的坯体进行烧结。其中参数可以采用：烧结温度为830℃；烧结时间为0.5小时，烧结气氛为H2。

[0063] 第十步中，将烧结后的AgW50复Cu坯体进行整形。其中参数可以采用：整形压力20MPa之间，保压时间1秒。

[0064] 第十一步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

[0065] 实施例三

[0066] 第一步中，首先将40wt％Ag粉和60wt％W粉均匀混合，然后置于混粉机中进行混粉，转速在20转/分钟；时间5小时。

[0067] 第二步中，将第一步获得的混合粉体进行球磨，球磨转速在100转/分钟；球磨时间在9小时；球料比(即球珠和粉体重量比例)在5∶1；所过筛的目数在300目。

[0068] 第三步中，将第二步获得的复合粉体进行拌胶造粒，胶水量为总重量的1％。

[0069] 第四步中，将第三步获得的粉体进行成型，成型压力1MPa，其中成型后的Ag40W60坯体一侧为网纹形，网纹高度在0.30mm。

[0070] 第五步中，将成型后的Ag40W60生坯骨架置于Ag粉上，进行熔渗烧结制备AgW50。其中参数可以采用：Ag粉与Ag40W60生坯的重量比为0.20∶1，烧结温度在1180℃；烧结时间为0.5小时，烧结气氛为H2。

[0071] 第六步中，将Cu片进行热处理。其中参数可以采用：热处理温度为600℃，时间为1.5小时；

[0072] 第七步中，在热处理后的Cu片表面镀银，其中参数可以采用：银镀层厚度为8μm。

[0073] 第八步中，将烧结获得的AgW50坯体与热处理后的Cu片进行冷压复合。其中参数可以采用：冷压压力在10MPa，保压时间4秒。

[0074] 第九步中，将冷压后获得的坯体进行烧结。其中参数可以采用：烧结温度为800℃；烧结时间为1.3小时，烧结气氛为H2。

[0075] 第十步中，将烧结后的AgW50复Cu坯体进行整形。其中参数可以采用：整形压力20MPa之间，保压时间1秒。

[0076] 第十一步中，将整形后获得的坯体进行清洗。

[0077] 以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并非对本发明的技术范围做任何限制，凡在本发明的精神和原则之内做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。