CN111218581B - 一种高致密度高强度银碳复合电接触材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高致密度高强度银碳复合电接触材料及其制备方法，属于电接触材料制备技术领域。本发明的银碳复合电接触材料的组成为碳含量为5～50wt％，添加剂为0.5～15wt％，余量为Ag。其制备方法具体包括：将TiZrCuNi合金粉末与银粉按一定比例混合均匀，并利用高能球磨实现机械合金化，球磨时间2～5h；将准备好的碳骨架填埋于混合粉末中置于石墨坩埚内，采用真空熔渗技术制备高致密的银碳复合电接触材料，熔渗温度900～1100℃。本发明制备方法简单，制备出的银碳复合电接触材料具有碳含量高、致密度高、强度高、导电性能好、电接触性能优异的优点。

Description

一种高致密度高强度银碳复合电接触材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电接触材料领域，具体涉及一种熔渗法制备高致密度高强度的银碳复合电接触材料及其制备方法。
背景技术
银/碳(如碳纤维、石墨、碳纳米管、石墨烯等)复合材料是一种良好的电接触材料，主要应用于低压开关装置如断路器、线路保护开关、故障电流保护开关以及电机行业重要的电刷材料。碳的不同同素异形体，如碳纤维、石墨、碳纳米管、石墨烯等，有许多优异性能，如密度低、线膨胀系数低、耐摩擦磨损性能优异、导热导电性好等。碳材料用于电接触材料领域，一方面可使触头材料在电流高时具有抗熔焊性能；另一方面碳良好的自润滑特性，特别是含量高时受摩擦应力作用，具有很好的耐磨损性能。但是，由于材料强度低，导致承载能力低；由于致密度低，导致材料导电、导热性差，最终导致抗电弧烧蚀性差，电寿命低，严重限制其应用。
目前，银碳材料的制备方法有粉末冶金法(包括混粉-压制成型-气氛保护烧结、混粉-等静压成型-烧结-热挤压工艺以及碳表面镀银-机械合金化--等静压成型-烧结-热挤压等工艺路线)和石墨浸银法。
专利CN 10550632B将碳酸银粉末与石墨粉进行混粉，经成型、焙烧和烧结工序，再经热挤压加工成线材，之后经拉拔、机加工，得到铆钉型银石墨电触头。但是该制备方法只适合碳含量低于6％的银石墨电触头。
公开号为CN 110467480A的专利公开了一种继电器用浸银石墨触头材料及其制备方法，该方法利用鳞片石墨粉、沥青胶粉、炭黑制备石墨基体，将石墨基体置于中频感应炉内并进行金属浇铸，使金属银均匀的包覆在石墨基体的周围，再通过热等静压浸银制备得到浸银石墨触头。该方法制备工艺复杂，制备成本高。
上述方法制备的银碳复合材料的碳与银的界面结合力不高，润湿性都没有得到很好的解决。针对上述方法中存在的问题，本发明提供一种高致密度、高强度银碳复合电接触材料制备方法，即采用低熔点TiZrCuNi合金粉末作为添加剂，利用添加剂与碳相的反应物作为过渡相来改善Ag基体与碳相的润湿性和界面结合。该方法经济简易、制备温度低(<1100℃)，由于银基体、过渡层与碳相为冶金结合，制备的复合电接触材料强度高、致密度高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高致密度、高强度银碳复合电接触材料制备方法，它克服了现有高碳含量的银碳复合材料制备困难、强度低、致密度差、性能不稳定等问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：以银粉为原料、TiZrCuNi合金粉末(其中Ti：13～56％,Zr：10～40，Cu：9～15％，Ni：余量)为添加剂，采用熔渗法在900～1100℃保温0.5～4h，制备碳含量为5～50wt％的高碳银碳复合触头。
本发明的一种高致密度高强度银碳复合电接触材料，其组分按照质量百分比组成：
碳含量为5～50wt％，TiZrCuNi合金总含量为0.5～15wt％，余量为Ag。
所述银碳复合电接触材料致密度≥99.5％，Ag呈网状连续结构，强度＞100MPa，导电率＞60％IACS。
所述TiZrCuNi合金的组分按照质量百分比组成：Ti：13～56％,Zr：10～40％，Cu：9～15％，余量为Ni。
所述高致密度、高强度银碳复合电接触材料的生产方法具体步骤如下：
(1)先将银粉与TiZrCuNi粉末按一定比例混合，TiZrCuNi的添加比例为0.5～15wt％，通过球磨预先将混合粉机械合金化。球磨转速250～500转/分钟，球磨时间2～5h，球料比3～10:1，球磨过程充氩气保护。
(2)将碳相(碳纤维、石墨等)做成碳骨架，根据碳相的孔隙率计算银合金的用量，取(1)的混合粉，将碳骨架填埋在适量的混合粉中，然后置于900～1100℃保温0.5～4h，真空度小于10-2Pa，熔渗温度为900～1100℃，保温时间0.5～4h。
(3)反应结束后，获得银碳复合材料，碳含量为5～50wt％。将复合材料表面多余的金属除去，切割成所需的触头材料尺寸，制成银碳复合触头；
本发明的有益效果体现在具有以下优点：
本发明加入了TiZrCuNi作为改性添加剂，可以使碳和银基体具有良好的润湿性和界面冶金结合，利用熔渗法制备出高碳含量的银碳复合电接触材料。采用熔渗法，在碳材料表面反应生成了均匀、完整、致密的的TiC和ZrC过渡层，Ni和Cu的引入，降低了碳化物层的反应温度，且Ni和Cu能固溶在Ag基体中，强化Ag基体，增加Ag的抗熔焊性和耐电弧烧蚀性。同时，由于TiC和ZrC过渡层的存在，也解决了银碳触头难于焊接的问题。制备的银碳复合材料接近完全致密，材料强度高，电接触性能优异。
附图说明
图1为本发明实施例1银碳电接触材料的显微组织图。
具体实施方式
下文将对本发明的实施例进行详细说明，需要说明的是，以下实施例仅用于例证的目的，并不限制本发明的保护范围。
实施例1
(1)称取雾化Ag粉(-200目)85g与TiZrCuNi(Ti35Zr35Cu15Ni)(-150目)15g，将其混合均匀，再放入行星球磨机中球磨，球磨时间4h，球料比5:1，转速450转/分钟。
(2)将密度为1.30g/cm3的商用碳纤维编织体C/C复合材料，用砂纸打磨，再用超声波清洗干净，放入温度为100℃的烘箱中烘干备用。
(3)取切割好的C/C坯体5g埋入(1)中的混合粉中，混合粉质量为30g。将样品装入石墨坩埚内，置于真空炉中，真空度小于10-4pa，加热至1020℃，保温1h，随炉冷却至室温，取出样品切除多余的金属，切割成满足要求尺寸的Ag-C/C复合电接触材料。
按上述实施例1制备的银碳复合电接触材料，其力学和导电性能测试结果如下：
材料 密度 抗拉强度(MPa) 导电率(IACS％)
AgC20 5.51 123.5 86.8
实施例2
(1)取雾化Ag粉(-200目)80g与Ti37.5Zr37.5Cu15Ni(-150目)20g，将其混合均匀，再放入行星球磨机中球磨，球磨时间5h，球料比5:1，转速450转/分钟。
(2)将密度为1.10g/cm3的商用泡沫碳切割成一定的尺寸，用超声波清洗干净，放入温度为100℃的烘箱中烘干备用。
(3)取切割好的泡沫碳块体5g埋入(1)中的混合粉中，混合粉质量为35g。将样品装入石墨坩埚内，置于管式炉内，真空度小于10-3pa，加热至1050℃，保温1.5h，随炉冷却至室温，取出样品去除多余的金属，切割成所需的触头尺寸获得Ag-C复合电接触材料。
按上述实施例2制备的银碳复合电接触材料，其力学和导电性能测试结果如下：
材料 密度 抗拉强度(MPa) 导电率(IACS％)
AgC30 4.90 108.2 65.6
以上关于本发明的具体的优选实施方式，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替换或修改，且性能或用途相同时，都应当视为属于本发明权利要求的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种高致密度高强度银碳复合电接触材料，其特征在于，由以下组分按照质量百分比组成：
碳含量为5～50wt%，TiZrCuNi合金总含量为0.5～15wt %，余量为Ag；
所述TiZrCuNi合金由以下组分按照质量百分比组成：
Ti：13～56%，Zr：10～40%，Cu：9～15%，余量为Ni；
该银碳复合电接触材料采用以下步骤制备：
(1) 先将银粉与TiZrCuNi粉末按一定比例混合，所述TiZrCuNi的添加比例为0.5～15wt%，通过球磨预先将混合粉机械合金化；球磨转速250～500转/分钟，球磨时间2～5h，球料比3～10:1，球磨过程充氩气保护；
(2) 将碳相做成碳骨架，根据碳相的孔隙率计算银合金的用量，取（1）的混合粉，将碳骨架填埋在适量的混合粉中，然后置于1020～1100℃保温0.5～4h，真空度小于10-2Pa；
（3）反应结束后，获得银碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的银碳复合电接触材料，其特征在于：
所述银碳复合电接触材料致密度≥99.5%，Ag呈网状连续结构，强度＞100MPa，导电率＞60％IACS。
3.根据权利要求1或2所述的银碳复合电接触材料，其特征在于：所述碳相为碳纤维或石墨。
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