專利名稱：一種節(jié)銀型層狀復合觸頭片件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可節(jié)銀的層狀復合觸頭片件及其制備方法，主要應用于低 壓電器行業(yè)中的電觸頭材料及其制造。
背景技術(shù)：
目前低壓電器行業(yè)中小電流的電器產(chǎn)品大多使用銀基材料作為其電接觸材 料。這種電接觸材料選擇了具有導電導熱性佳、又有一定抗電腐蝕的銀為主要基 體，但純銀硬度太低，抗磨損性能較差，因此在銀基體上一般需添加MeO(金屬 氧化物)第二相，才能制備出滿足抗熔焊性好、耐電弧燒損與耐磨損性佳的電接 觸應用要求。其中傳統(tǒng)的銀基材料大多為銀氧化鎘，隨著日益嚴格的環(huán)保要求， 銀氧化錫材料也正在逐漸取代銀氧化鎘。但無論是銀氧化鎘還是銀氧化錫材料， 由于其中存在的氧化物阻礙了該電接觸材料與其它材質(zhì)部件的連接，在實際使用 中都需要在這些銀基材料的一面(另一面則為電接觸功能層)復上一層焊接層材 料，以滿足該觸頭片件與其余材質(zhì)部件的焊接連接作用，該焊接層材料一般為與 銀基材料連接性好的純銀或銀合金，即實際應用中的電接觸片件為銀氧化物層/ 焊接層的兩層層狀結(jié)構(gòu)。制備這種層狀復合觸頭片件的目前常用工藝是先用熔煉 法制成與銀金屬氧化物相對應的銀合金，例如銀氧化錫對應的為銀錫銦(其中促 進錫的氧化而必須添加銦元素)合金，而銀氧化鎘對應的則是銀鎘合金；然后將 銀合金與純銀(或銀合金)復合成兩層結(jié)構(gòu)的板材或帶材。板材或帶材經(jīng)過成品 軋制工序成最終產(chǎn)品的厚度，然后沖壓成最終觸頭片件的尺寸大小，最后在高壓 內(nèi)氧化內(nèi)進行600。C 70(TC、 10" l(^MPa氧壓、幾小時至幾十小時不等時間的 高壓氧化處理。這種常用的制備銀氧化物觸頭片件的技術(shù)被稱為合金內(nèi)氧化法。 該方法工藝簡單因而被大量采用，但無法避免合金內(nèi)氧化工藝過程必然出現(xiàn)的銀
氧化物層中間"貧氧化物亮帶"現(xiàn)象(見附圖1 ):金屬氧化物的分布從層表面
向?qū)又虚g逐漸呈細到粗，而層中間因無氧化物呈現(xiàn)帶狀白亮樣。貧氧化物帶的形 成與銀合金氧化過程中合金元素向外對稱擴散同時氧從外向?qū)觾?nèi)對稱擴散過程 的綜合平衡結(jié)果有關(guān)。已有大量實驗證據(jù)表明，用合金內(nèi)氧化法制備出的的觸頭 片件在開關(guān)通斷過程中，當反復頻繁的電弧作用使銀氧化物層磨損至中間貧氧化 物帶附近時，該觸頭材料將因此時無氧化物的滅弧或抵抗電蝕作用而造成觸頭粘 死，即電接觸功能完全失效，這實際上也同時意味著將有占近一半厚度左右的銀 氧化物層被浪費。銀本身作為貴重金屬材料，再加上近年來銀價一直處于急劇攀 升態(tài)勢，而電接觸材料的應用每年都要消耗大量的銀，因此節(jié)銀方面的技術(shù)一直 受到廣泛關(guān)注。然而對于合金內(nèi)氧化法而言，無論是添加元素還是增加氧壓，或 是其它應用技術(shù)目前尚無法實現(xiàn)批量化生產(chǎn)無貧氧化物帶的銀氧化物型層狀復 合觸頭片件。因此，如何實現(xiàn)層狀復合觸頭片件中的銀氧化物層被充分利用是節(jié) 銀工程技術(shù)研究的重要方向。
另外，近年來國內(nèi)報道了少銀節(jié)銀型低壓電器電觸頭材料的一些發(fā)明專利，
如代表專利為《銅基低壓電器電工觸頭合金材料》(專利號94102452.0)和專利 為《少銀節(jié)銀型低壓電器電觸頭材料》(專利號為200610046594.5)。這些專利均 為以銅為基體的合金材料，添加的元素主要包括鎘、二氧化鈰、三氧化二鑭、金 剛石微粉、銀，但這種設計無論如何加元素都無法改變材料以銅基體為主的本質(zhì)， 因而銅的耐電蝕差、抗氧化能力差的主體缺陷使這些銅基觸頭材料仍無法在相當程度上取代低壓電器用的銀基觸頭材料(實際應用證明在15A以上的較大電流 情況下銅基電觸頭材料均不能使用)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于完全避免銀氧化物層的中間貧氧化物帶的出現(xiàn)，從而使 層狀復合觸頭片件中銀氧化物層的電接觸功能夠被完全充分地利用，最終實現(xiàn)顯 著節(jié)銀效果。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的該節(jié)銀型層狀復合觸頭片件由銀氧化物層 /過渡銀層/導電純銅層/焊接層的四層結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成，替代原有的銀氧化物/焊接 層的兩層結(jié)構(gòu)材料設計。其中，銀氧化物層為用粉末冶金法制備的銀氧化錫或銀 氧化鎘材料。這種節(jié)銀型層狀復合觸頭片件的制造流程為首先通過粉末冶金一等 靜壓_燒結(jié)一擠壓出銀氧化物材料板材或帶材，再經(jīng)可控氣氛熱復合法制備出層 狀復合材料，最后經(jīng)成品厚度軋制及沖壓成型工序制成片件。
眾所周知的是，目前低壓電器用層狀復合銀觸頭之所以用合金內(nèi)氧化法制 備，主要考慮的是材料加工性，即材料在內(nèi)氧化前由于為單相合金(例如銀錫銦 合金、銀鎘合金)，其材料組織中無第二相強化機制，使其加工塑性優(yōu)異，有利 于加工制備得到最終尺寸的層狀復合材料，最后再進行內(nèi)氧化工序即可得到直接 用于裝配至電器產(chǎn)品上的觸頭片件。但如前所述，加工完后再進行內(nèi)氧化工序必 然在材料幾何尺寸的中間位置出現(xiàn)貧氧化物亮帶，這種中間貧氧化物帶的出現(xiàn)造 成了觸頭抗熔焊能力急劇下降，直至出現(xiàn)粘著失效。這也意味著剩下的約為厚度 一半的銀氧化物層不能得到電接觸功能上的應用，即對合金內(nèi)氧化法而言大量浪 費貴金屬銀材無法避免。
而銀氧化物材料的另一種制備方法為粉末冶金法。它具有金相組織均勻(氧 化物第二相彌散分布，見附圖2)的特點，由于微觀組織決定性能，因此材料各 局部區(qū)域的性能也趨向均勻一致性。如果能將粉末冶金法制備出的銀氧化物材料 應用于低壓電器用的層狀復合材料結(jié)構(gòu)的設計，由于銀氧化物層無中間貧氧化物 帶等局部組織不均勻現(xiàn)象，即相當于整個銀氧化物層的電接觸功能可得到充分利 用從而達到顯著節(jié)銀效果。此時我們可以用相當于原設計(用合金內(nèi)氧化法制備 的)的銀氧化物層厚度50%左右的材料(指用粉末冶金法制備的銀氧化物層)， 就可實現(xiàn)整體片件的性能達到甚至超過原設計的電壽命要求，當然為了確保本發(fā) 明所涉及的整體片件的電壽命，一般選擇的銀氧化物層厚度約為原設計的材料相 應厚度的50%~70%。當?shù)蛪弘娖鳟a(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計不改變的情況下，即要求 觸頭材料的總厚度也不能變化時，節(jié)銀型層狀復合片件的設計思路為在顯著變 薄了層厚的銀氧化物材料的基礎(chǔ)上復合一定厚度的純銅材料(補償原設計中多余 的實際喪失電接觸功能的銀氧化物層的厚度空間)，兩者之間用薄的純銀層(約 占總厚5%)過渡，而在純銅層的另一側(cè)復合上焊接層。只要純銅層不會與片件
通斷工作時的電弧直接接觸，由于純銅本身具有較銀氧化物更好的導電性和導熱 性(意味著本發(fā)明材料較原設計的導電導熱性更好有利于降低觸頭溫升)，這樣 的設計既可保證材料的總體外形尺寸不變，又可使整體材料的電性能接近甚至超 過原.(用合金內(nèi)氧化法制備的)設計，即最終用銅材厚度補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)了顯著
節(jié)銀的效果。按原設計結(jié)構(gòu)中銀氧化物層占總厚約為85%~90。/。，以及銀氧化物 中含銀量約為85%~90%計，折算出本發(fā)明所涉及的材料較原設計節(jié)銀量約為 20%~40%。為了實現(xiàn)本發(fā)明的材料結(jié)構(gòu)設計，制備方法的步驟如下
首先必須準備好所有用于復合前的組元材料銀氧化物、純銀、銅、焊材。 純銀.、銅、焊材都是非常容易采購或生產(chǎn)實現(xiàn)的原材料；而銀氧化錫材料則采用 常規(guī)的粉末冶金法制備，其基本生產(chǎn)流程為粉末處理一等靜壓"^燒結(jié)一擠壓成 銀氧化物板材或帶材。
隨后，本發(fā)明采用一種可控氣氛熱復合法來實現(xiàn)銀氧化物/純銀/銅/焊材四種 組元材料的牢固復合。復合是一種在組元界面附近輸入較高能量并通過各組元較 大變形量的塑性變形，使組元間形成牢固物理冶金鍵合的過程。實際上本發(fā)明所 涉及的四層層狀結(jié)構(gòu)復合材料的大批量生產(chǎn)的實現(xiàn)關(guān)鍵還在于其復合工藝，而可 控氣氛熱復合法恰恰非常適合本發(fā)明所涉及的由不同組元組成的層狀結(jié)構(gòu)材料 的復合過程，其特點是1、不同組元可實現(xiàn)獨立加熱控溫以保證復合過程的可 加工性及降低變形抗力。由于本發(fā)明所涉及的組元材料中有冷加工性能很差的銀
氧化物材料(其在25(TC 45(TC內(nèi)具有很好的加工性能)，而其它純銀、銅及焊材
也具有相異的最佳加工溫度范圍(這里定義既不容易氧化又使加工塑性能力得到
較大程度增長的溫度為最佳加工溫度，例如銀可選擇10(TCT20(rC、選擇銅為200 'C 30(TC)，因此要實現(xiàn)本發(fā)明設計結(jié)構(gòu)材料的復合必須使各組元材料的軋制溫 度能夠獨立控制，本發(fā)明選取四個組元材料在軋制復合前分別通過四組連續(xù)加熱 裝置，均可達到組元材料獨立加熱控溫的目的。2、組元在進入軋制復合過程中 通可控氣氛保護有利于組元間界面的復合。實現(xiàn)物理冶金鍵合，在使待復合的材 料不斷形成新鮮界面(這也正是塑性變形的目的)的同時還必須保證該新鮮界面 形成后一段時間不被氧化，這對熱復合過程尤其重要，因為高溫下易生成的氧化 層或氧化物將阻礙復合界面的形成，因此在軋制熱復合過程中通入氫氣、氨分解 氣、隋性氣體等其中一種氣氛都有利于保護材料的新鮮界面，即組元間的復合。 由上可見，采用可控氣氛熱復合法完全可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)(粉末冶金法制備的) 銀氧化物/過渡銀層/純銅/焊接材的層狀結(jié)構(gòu)復合材料(見附圖3)。
復合好的銀氧化物/過渡銀層/純銅/焊接材的層狀結(jié)構(gòu)復合板或帶材還需經(jīng) 過熱軋為成品厚度尺寸，最后經(jīng)沖床沖壓制成用戶所需要求規(guī)格的觸頭片件。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
倒1是用合金內(nèi)氧化法制備的層狀復合觸頭片件橫截面金相組織。 圖2節(jié)銀型(無中間貧氧化物帶)層狀復合觸頭片件橫截面金相組織。 圖3本發(fā)明的節(jié)銀型層狀復合觸頭片件結(jié)構(gòu)圖
圖中l(wèi).中間貧氧化物帶，2.粉末冶金法制備的銀氧化物層，3.純銀過渡層， 4鄰銅，5.焊接層。
具體實施方式
實施例1:
替代原設計的銀氧化鎘(10)/純銀層狀復合觸頭片件(總厚1.5mm,長X寬 二5mmX5隨)的本發(fā)明具體實施例。原設計結(jié)構(gòu)的層狀復合觸頭片件中銀氧化 鎘(10)層占總厚度比例為90%，純銀層則占總厚為10%,而本發(fā)明的具體實 施設計為銀氧化鎘(10) /純銀/銅/純銀的四層結(jié)構(gòu)復合觸頭片件可較原f計結(jié)構(gòu) 達到顯著節(jié)銀的目的。
與原設計結(jié)構(gòu)的片件相比，本發(fā)明具體實施設計結(jié)構(gòu)的片件外形尺寸均不變，但其中無中間貧氧化物帶特征的銀氧化鎘(10)層所占總厚比例減少為50%， 銅層占總厚比例約為35%，銅層與銀氧化鎘層之間的過渡純銀層總厚比例約為 5%，而最外的焊接純銀層占總厚比例仍為10%。按各層的銀重量百分比的含量
總計本發(fā)明具體實施較原設計節(jié)銀約為31%。 具體制備出本實施設計結(jié)構(gòu)片件的步驟如下。
首先采用粉末冶金法制備出銀氧化鎘(10)帶材。本發(fā)明具體實施例的具體 工藝步驟為1、粉末預氧化法制備銀氧化鎘(10)粉；2、球磨2h、篩分；3、 250MPa等靜壓出直徑約為90mm的銀氧化鎘(10)錠；4、 800°C、 5小時燒結(jié)； 5、 880。C熱擠壓成厚度為6mm、寬度為60mm的銀氧化鎘(10)板材或帶材。
然后取已擠壓出的銀氧化鎘(10)帶材、外購及稍做加工的其它組元材料(包 括0.6mm(厚)X60mm (寬)過渡純銀層帶材、4.2mm(厚)X60mm (寬)的純銅 層帶材、1.2mm(厚)X60mm (寬)外層焊接用純銀層帶材)，即四種組元材料在 可控氣氛熱復合機上進行熱復合。復合時控制各組元的溫度分別為銀氧化鎘材 料30(TC、(兩)純銀材料均為150'C、純銅材料25(TC;可控氣氛為純氮；軋制 復合速度為5米/分鐘；軋制變形率為50%。采用上述工藝可復合出6mm(厚)X 60mm (寬)具有銀氧化鎘(10) /純銀/銅/純銀四層結(jié)構(gòu)的復合帶材。
復合好的帶材再經(jīng)過熱軋溫度為350°C、四個道次(25%、 30%、 30%、 31%) 制成1.5mm(厚)X60mm (寬)的材料，最后經(jīng)沖床沖壓制成最終要求規(guī)格的觸 頭片件。
具體'實施方式 實施例2:
替代原設計的銀氧化錫氧化銦(氧化物總量為10%)/純銀層狀復合觸頭片件 (總厚1.5mm，長X寬-5mmX5mm)的本發(fā)明具體實施例。原設計結(jié)構(gòu)的層狀 復合觸頭片件中銀氧化錫氧化銦層占總厚度比例為卯％,純銀層則占總厚為 10%，而本發(fā)明的具體實施設計為銀氧化錫(10) /純銀/銅/純銀的四層結(jié)構(gòu)復合 觸頭片件可較原設計結(jié)構(gòu)達到顯著節(jié)銀的目的，值得指出的是由于本發(fā)明不采用 合金內(nèi)氧化方法，因此沒有必要在銀基材料中添加銦來促進錫的氧化完成，這樣 也達到了省銦的目的(銦的價格接近銀)。
與原設計結(jié)構(gòu)的片件相比，本發(fā)明具體實施設計結(jié)構(gòu)的片件外形尺寸均不 變，但其中無中間貧氧化物帶特征的銀氧化錫(10)層所占總厚比例減少為50%, 銅層占總厚比例約為35%，銅層與銀氧化鎘層之間的過渡純銀層總厚比例約為 5%，而最外的焊接純銀層占總厚比例仍為10%。按各層的銀重量百分比的含量 總計本發(fā)明具體實施較原設計節(jié)銀約為30%。
具體制備出本實施設計結(jié)構(gòu)片件的步驟如下。
首先采用粉末冶金法制備出銀氧化錫(10)帶材。本發(fā)明具體實施例的具體 工藝步驟為1、按氧化錫重量含量為10%比例計，在硝酸銀、氨、水合肼溶液 中化學包覆氧化錫粉，制備出銀氧化錫復合粉；2、洗滌、250'C干燥2小時、650 。C焙燒3h; 3、球磨5小時、篩分；4、 250MPa等靜壓出直徑約為卯mm的銀氧 化錫(10)錠；5、 800°C、 5小時燒結(jié)；5、 850'C熱擠壓成厚度為6mm、寬度為 60mm的銀氧化錫(10)板材或帶材。
然后取已擠壓出的銀氧化錫(10)帶材、外購及稍做加工的其它組元材料(包 括0.6mm(厚)X60mm (寬)過渡純銀層帶材、4.2mm(厚)X60mm (寬)的純銅 層帶材、1.2mm(厚)X60mm (寬)外層焊接用純銀層帶材)，即四種組元材料在可控氣氛熱復合機上進行熱復合。復合時控制各組元的溫度分別為銀氧化錫材 料350'C、(兩)純銀材料均為150'C、純銅材料25(TC;可控氣氛為純氮；軋制 復合速度為5米/分鐘；軋制變形率為50%。采用上述工藝可復合出6mm(厚)X 60mm (寬)具有銀氧化錫(10) /純銀/銅/純銀四層結(jié)構(gòu)的復合帶材。
復合好的帶材再經(jīng)過熱軋溫度為35(TC、四個道次(25%、 30%、 30%、 31%) 制成1.5mm(厚)X60mm (寬)的材料，最后經(jīng)沖床沖壓制成最終要求規(guī)格的觸 頭片件。
權(quán)利要求
1、一種節(jié)銀型層狀復合觸頭片件，其特征在于由銀氧化物層/過渡銀層/導電純銅層/焊接層的四層結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成。
2、 按權(quán)利要求1所述的節(jié)銀型層狀復合觸頭片件，其特征在于銀氧化物 層為用粉末冶金法制備的銀氧化錫或銀氧化鎘材料，其氧化物第二相在整個金相 組織、中均勻分布，銀氧化物層中間附近無"貧氧化物帶"。
3、 按權(quán)利要求1所述的節(jié)銀型層狀復合觸頭片件，其特征在于由于銀氧 化物層在片件通斷過程中可得到充分利用，材料節(jié)銀效果達到20%~40%，而其 電性能則與原設計結(jié)構(gòu)的材料相當甚至更高。
4、 一種節(jié)銀型層狀復合觸頭片件的制造方法，其特征在于制造流程首先 通過粉末冶金一等靜壓一燒結(jié)一擠壓出銀基復合材料板材或帶材，再經(jīng)可控氣氛 熱復合法制備出層狀復合材料，最后經(jīng)成品厚度軋制及沖壓成型工序制成片件。
全文摘要
一種節(jié)銀型層狀復合觸頭片件及其制造方法。該節(jié)銀型層狀復合觸頭片件由銀氧化物層/過渡銀層/導電純銅層/焊接層的四層結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成。銀氧化物層為用粉末冶金法制備的銀氧化錫或銀氧化鎘材料，其氧化物第二相在整個金相組織中均勻分布，銀氧化物層中間附近無“貧氧化物帶”。由于銀氧化物層在片件通斷過程中可得到充分利用，材料節(jié)銀效果達到20％～40％，而其電性能及機械性能則與原設計結(jié)構(gòu)的材料相當甚至更高。這種節(jié)銀型層狀復合觸頭片件的制造流程為首先通過粉末冶金—等靜壓—燒結(jié)—擠壓出銀基復合材料板材或帶材，再經(jīng)可控氣氛熱復合法制備出層狀復合材料，最后經(jīng)成品厚度軋制及沖壓成型工序制成片件。
文檔編號H01H11/04GK101562081SQ20081009366
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者劉潤勇, 徐卓輝 申請人:佛山精密電工合金有限公司