CN110129603B - 一种银钨触头材料的制作方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种银钨触头材料的制作方法及其产品,包括以下步骤:(1)将钨粉与硝酸银溶液加入反应容器中,并向反应容器中加入聚乙二醇、氢氧化钠及葡萄糖溶液,在超声振荡和搅拌条件下进行还原反应后,将银析出并包裹于钨粉体外,形成复合粉体,所述的复合粉体的结构为:钨颗粒外部覆盖一层厚度为10~200nm的纯银壳层;(2)将所述的复合粉体与银粉混合,成为含银4%的银钨粉体,然后压制成孔隙率在5~45%的触头压坯;(3)将所述触头压坯与银块置于氨分解气氛保护的烧结炉中进行烧结、熔渗,从而获得规定尺寸与成分的银钨触头材料。本发明具有以下优点和效果:能够制作并得到高钨含量的高致密性熔渗型银钨材料,通常钨质量比在50%‑90%。
Description
技术领域
本发明涉及低压配电设备的触头材料领域,特别涉及一种银钨触头材料的制作方法及其产品。
背景技术
随着电网配电端对电器可靠性的要求越来越高,电器制造商正不断推出更高分断指标的低压配电产品。部分电子型塑壳断路器已能够达到极限分断150kA的指标。电器分断指标的提升意味着分断时电弧的热穿透力异常强大,此时触头材料极易被电弧侵蚀,造成电器无法接通,出现故障。
综合考虑材料导电、抗腐蚀等方面性能,低压断路器中最为普遍使用的材料为熔渗类银钨(AgW)材料。一方面,此种材料中含有微米级分散的钨颗粒作为增强相,能够极大的提升材料耐电弧烧蚀能力;另一方面,此种材料采用粉末冶金法,液相烧结(熔渗)工艺制作,能够保障银与钨颗粒形成良好润湿,从而避免材料在高温电弧作用下飞溅。
为提升银钨材料的抗电弧能力,通常需要将材料中的钨粒度降低,同时提升钨的含量。当银钨粉体中钨含量过高,同时钨粒度过小时,混合粉体中存在巨大的钨颗粒表面,不可避免的在粉体成型过程中遇到大量的钨颗粒与颗粒相邻的情况。而由于其超高硬度,钨颗粒与颗粒表面接触受压时,几乎不会发生塑性变形,因此颗粒间无法形成相互啮合,导致压坯中极易出现裂纹,甚至压坯无法成型。
因此,制作高钨含量的银钨材料一直以来是业界难题。这一问题也在相当大程度上限制了电器分断性能的进一步提升。
发明内容
鉴于以上问题,本发明的目的是提供一种银钨触头材料的制作方法及其产品,能够制作并得到高钨含量的高致密性银钨材料。
为了达到上述目的,本发明提供了一种银钨触头材料的制作方法,包括以下步骤:
(1)用于包裹钨粉颗粒的银的用量mAg采用如下公式计算:
其中mW是所用钨粉总质量,ρAg是银的密度,ρW是钨的密度,d是钨粉颗粒的平均粒径,其单位为um,x是所包裹银层的厚度,其单位为um;
(2)将步骤1所得到的银的用量换算成硝酸银用量,称取硝酸银,将硝酸银在去离子水中溶解制成硝酸银溶液,将钨粉体与硝酸银溶液加入反应容器中,并向反应容器中加入聚乙二醇、氢氧化钠及葡萄糖溶液,在超声振荡和搅拌条件下进行还原反应后,将银析出并包裹于钨粉体外,形成银包钨复合粉体,所述的银包钨复合粉体的结构为:钨粉体颗粒外部覆盖一层厚度为10~200nm的纯银壳层;
(3)将所述的银包钨复合粉体与银粉混合,成为含4wt%的银包钨复合粉体的混合粉末,然后压制成孔隙率为5~45%的压坯;
(4)将所述的压坯与银块置于氨分解气氛保护的烧结炉中进行烧结、熔渗,获得高致密性的钨所质量百分比在50%~90%的银钨触头材料。
进一步的,所述的步骤(2)中包括有以下步骤:
(2.1)将钨粉与定量的硝酸银溶液及适量去离子水加入反应容器中,再向反应容器中加入聚乙二醇,超声振荡和搅拌使其混合均匀;
(2.2)保持超声振荡和搅拌,向反应容器中加入氢氧化钠溶液直至溶液达到pH8-9,之后继续超声振荡和搅拌使其混合均匀;
(2.3)保持超声振荡和搅拌,向反应容器中逐渐加入葡萄糖溶液,加入速度0.5-2L/min,直至反应终点,继续超声振荡和搅拌使其进行还原反应,析出的银包裹于钨粉体形成复合粉体;
(2.4)将反应容器中的反应产物溶液抽滤,得到的复合粉体用去离子水清洗两遍,烘干待用;
进一步的,钨粉加入后,悬浊液中钨粉与溶液的固液比为2-70g/L。。
进一步的,所述的聚乙二醇的分子量为500~20000,加入量为钨粉体质量的3~8%。
进一步的,所加入的葡萄糖溶液浓度为:40-300g/L。
进一步的,所述的钨粉体的平均粒径在1~10um。
相较于现有技术,本发明提供的一种银钨触头材料的制作方法及其产品,具有以下有益效果:
本发明通过一种特殊的化学工艺,在钨粉颗粒外部覆盖一层厚度为10~200nm的纯银壳层,得到单分散核壳结构的钨-银复合粉体。由于银具有非常良好的延展性能,因此在粉体受压成型过程中,相邻的钨颗粒间可通过覆盖在外层的纯银壳层相互啮合,形成机械结合,从而大幅提升粉体的成型性能,保障了高钨含量银钨混合粉体的成型,实现了高钨含量的高致密性银钨材料的制作。
上述效果的达成,有赖于一种单分散的核壳结构的钨-银复合粉体,即必须用纯银在钨-钨颗粒之间建立物理隔离。常规包覆工艺在化学反应过程中无法避免钨颗粒团聚,反应生成的银将不会包裹单颗钨颗粒,而是将若干颗钨颗粒的团聚体包裹,因此包覆粉体中存在大量的钨颗粒与颗粒的直接接触,粉体成形性较差。
本发明所述化学工艺中,一方面,通过添加聚乙二醇作为稳定剂,聚乙二醇在超声过程中覆盖在钨颗粒表面,增加了颗粒表面势能,抑制了钨颗粒团聚。另一方面,本发明使用低浓度葡萄糖溶液作为还原剂,抑制了银的过快析出,同时配合聚乙二醇的生长抑制作用,有效控制了银壳层的厚度。本发明通过上述工艺,保障了单颗粒分散复合粉体的形成,大幅提升了粉体成形性。
具体实施方式
实施例1
本发明提供一种银钨触头材料的制作方法,为实施例1,其包括以下步骤:
步骤101:将硝酸银固体1.25kg溶入3000L去离子水中,配置硝酸银溶液;该硝酸银的用量中银的用量根据以下方法确定:
用于包裹钨粉颗粒的银的用量mAg采用如下公式计算:
其中mW是所用钨粉总质量,ρAg是银的密度,ρW是钨的密度,d是钨粉颗粒的平均粒径,其单位为um,x是所包裹银层的厚度,其单位为um;将该步骤所得到的银的用量换算成硝酸银用量并称取硝酸银。
步骤102:将37.5kg钨粉与硝酸银溶液加入反应容器中,再向容器中加入3.25kg聚乙二醇和适量去离子水,超声和搅拌2小时;
步骤103:保持超声和搅拌,向容器中加入氢氧化钠溶液,直至溶液pH值达到8-9,之后保持超声和搅拌0.5小时;
步骤104:保持超声和搅拌,向容器中逐渐加入浓度为120g/L的葡萄糖溶液,加入速度1.5L/min,当溶液中银全部析出后,保持超声和搅拌0.5小时;
步骤105:将溶液抽滤,得到的复合粉体用去离子水清洗两遍,烘干待用;
步骤106:将上述复合粉体与银粉放入V型混粉机中混合10~12小时,得到含银量4%的AgW粉末;
步骤107:采用粉体成型设备,将将上述粉末压制成特定孔隙率的压坯;
步骤108:将压坯与银块置于氨分解气氛保护烧结炉中,于1200℃温度下,烧结-熔渗2小时,得到高致密性的AgW85触头材料;
步骤109:材料冷却后出炉,清洗后得到本发明所述产品。
实施例2
本发明提供一种银钨触头材料的制作方法,为实施例2,其包括以下步骤:
步骤201:将硝酸银固体2.5kg溶入6000L去离子水中,配置硝酸银溶液;该硝酸银的用量中银的用量根据以下方法确定:
用于包裹钨粉颗粒的银的用量mAg采用如下公式计算:
其中mW是所用钨粉总质量,ρAg是银的密度,ρW是钨的密度,d是钨粉颗粒的平均粒径,其单位为um,x是所包裹银层的厚度,其单位为um;将该步骤所得到的银的用量换算成硝酸银用量并称取硝酸银。步骤202:将75kg钨粉与硝酸银溶液加入反应容器中,再向容器中加入6.5kg聚乙二醇和适量去离子水,超声和搅拌2小时;
步骤205:保持超声和搅拌,向容器中加入氢氧化钠溶液,直至溶液pH值达到8-9之后,保持超声和搅拌0.5小时;
步骤206:保持超声和搅拌,向容器中逐渐加入浓度为120g/L的葡萄糖溶液,加入速度1.5L/min,当溶液中银完全析出后,保持超声和搅拌0.5小时;
步骤207:将溶液抽滤,得到的复合粉体用去离子水清洗两遍,烘干待用;
步骤208:将上述复合粉体与银粉放入V型混粉机中混合10~12小时,得到含银量4%的AgW粉末;
步骤209:采用粉体成型设备,将上述粉末压制成特定孔隙率的压坯;
步骤210:将压坯与银块置于氨气氛分解保护烧结炉中,于1200℃温度下,烧结-熔渗2小时,得到高致密性的AgW90材料;
步骤211:材料冷却后出炉,得到本发明所述产品。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种银钨触头材料的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)用于包裹钨粉颗粒的银的用量mAg采用如下公式计算:
其中mW是所用钨粉总质量,ρAg是银的密度,ρW是钨的密度,d是钨粉颗粒的平均粒径,其单位为μm,x是所包裹银层的厚度,其单位为μm;
(2)将步骤1所得到的银的用量换算成硝酸银用量;称取硝酸银,将硝酸银在去离子水中溶解制成硝酸银溶液,将钨粉体与硝酸银溶液加入反应容器中,并向反应容器中加入聚乙二醇、氢氧化钠及葡萄糖溶液,在超声振荡和搅拌条件下进行还原反应后,将银析出并包裹于钨粉体外,形成银包钨复合粉体,所述的银包钨复合粉体的结构为:钨粉体颗粒外部覆盖一层厚度为10~200nm的纯银壳层;
(3)将所述的银包钨复合粉体与银粉混合,成为含4 wt %的银包钨复合粉体的混合粉体,然后压制成孔隙率在5~45%的压坯;
(4)将所述的压坯与银块,置于氨分解气氛保护的烧结炉中烧结、熔渗,获得高致密性的钨所质量百分比在50%~90%的银钨触头材料。
2.根据权利要求1所述的一种银钨触头材料的制作方法,其特征在于:所述的步骤(2)中包括有以下步骤:
(2.1)将钨粉体与硝酸银溶液加入反应容器中,再向反应容器中加入聚乙二醇,超声振荡和搅拌使其混合均匀;
(2.2)保持超声振荡和搅拌,向反应容器中加入氢氧化钠溶液直至溶液pH值达到8-9,之后继续超声振荡和搅拌使其混合均匀;
(2.3)保持超声振荡和搅拌,向反应容器中逐渐加入葡萄糖溶液,加入速度0.5-2L/min,在溶液中银离子完全析出后,继续超声振荡和搅拌使其进行还原反应,析出的银包裹于钨粉体形成复合粉体;
(2.4)将反应容器中的反应产物溶液抽滤,得到的复合粉体用去离子水清洗两遍,烘干。
3.根据权利要求1所述的一种银钨触头材料的制作方法,其特征在于:钨粉加入后,悬浊液中钨粉与溶液的固液比为2-70g/L。
4.根据权利要求1所述的一种银钨触头材料的制作方法,其特征在于:所述的聚乙二醇的分子量为500~20000,加入量为钨粉体质量的3~8%。
5.根据权利要求1所述的一种银钨触头材料的制作方法,其特征在于:所加入的葡萄糖溶液浓度为:40-300g/L。
6.根据权利要求1所述的一种银钨触头材料的制作方法,其特征在于:所述的钨粉体的平均粒径在1~10μm。
7.一种由权利要求1-6任一项所述的制作方法制得的银钨触头材料。
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