專利名稱：電力機車用電觸頭材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種電力機車用電器材料及制備方法，該電器材料為銀基合金材料特別是銀銅、銀錫、銀鋅合金材料。
背景技術：
作為電力機車用電器材料，良好的電學性能(低電阻，高電導)以及相適應物理機械性能是保證電力機車正常的重要部件的構成材料，直接影響列車的安全、正點運行和運行效率。隨著我國列車運行提速，無故障安全運行成為首先考慮的因素，電力機車中的電觸頭材料及其構成器件的電學性能要求和工作穩定性要求越來越高。傳統方法制備的銀基和銅基合金材料是很好的導電材料，電阻值低，作為觸頭材料用于電器開關很多年，但是這類材料最突出的缺點是，在大功率情況下溫升快，力學性能不足，使用受到限制。現代電力機車電機功率大，傳統銀基和銅基不能滿足使用要求。采用添加氧化鎘解決電觸頭材料電弧燒損問題，但揮發進入空氣中的氧化鎘很有可能誘發癌癥，國際上已禁止使用銀氧化鎘、銅氧化鎘觸頭材料以及含有鎘元素的觸頭材料。
發明內容
本發明的目的是提供一種電力機車用電觸頭材料及其制備方法，該材料能滿足電力機車大功率電器觸頭材料和接觸器開關的性能要求，同時能較好的解決上述電學、力學和環境保護兩方面的問題。
一種電力機車用電觸頭材料，以銀為基礎相，以氧化銅或氧化鋅或氧化錫為添加相，銀重量百分數為75％～99％，余量為添加相。
所用原料均為分析純。
上述合金材料的制備方法，將基相銀在高溫爐中于1000-1250℃熔化，在熔化過程中加入添加相組成熔融合金，經氣體霧化，制成合金粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分。合金粉于空氣條件下500℃～550℃保溫2小時，進行內氧化，使合金中的金屬氧化形成氧化物，均勻地分布在合金粉末中，得到合金氧化粉末。上述粉末根據產品的形狀，經剛模在壓機中進行壓制成形，成形壓力大于200Mpa，獲得壓胚相對密度大于百分之八十。然后經高溫500-1450℃保護氣體中燒結2-4小時，獲得相對密度大于百分之九十的燒結件，再經400Mpa壓力進行復壓，獲得相對密度大于96％的觸頭材料產品。
上述合金材料的另一種制備方法，將基相銀在高溫爐中于1000-1250℃熔化，經氣體霧化，制成粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分。在銀粉末中加入添加相，經機械合金化得到合金粉末。上述粉末根據產品的形狀，經剛模在壓機中進行壓制成形，成形壓力大于200Mpa，獲得壓胚相對密度大于百分之八十。然后經高溫500-1450℃保護氣體中燒結2-8小時，獲得相對密度大于百分之九十的燒結件，再經400Mpa壓力進行復壓，獲得相對密度大于96％的觸頭材料產品。
本發明根據用戶所需器件功能、尺寸和形狀要求，本發明將上述各種燒結件用0.1-1毫米厚銀焊片與中頻感應爐中焊接在導電性很好的純銅基座上，構成器件。
在合金中添加少量組元物質目的是改進材料物理性能和材料電學性能。本發明合金在銀基中加入氧化鋅(或氧化錫)可以防止觸頭材料燒蝕，起滅弧作用；加入銅是可以提高材料的導電性，降低電阻率。該合金材料是一種適合于用作電力機車電觸頭部件材料和(或)高溫空氣開關，電刷，低壓開關，繼電器開關，接觸器等電元器件材料。本發明通過高溫熔融合金霧化和內氧化工藝技術以及部分合金化技術結合粉末冶金工藝技術，制備含有不同合金組元的電力機車電觸頭材料，以不同添加物和添加量控制本觸頭材料的機械物理性能和電學性能。
本發明所制備的電觸頭材料和由本發明中的電觸頭材料組成的器件已被用于中國南方電力機車公司和中國北方電力機車公司韶3，韶4，韶5，韶7，韶9，韶8等電力機車，已取得很好使用效果，完全能夠保證列車的電力機車的使用性能要求和安全運行。
圖1內氧化法工藝流程圖；圖2高能球磨法工藝流程圖。
具體實施例方式
實施例1制備Ag-ZnO 10按照Ag-ZnO10化學計量，將10公斤銀與1公斤鋅在中頻感應坩堝爐中熔化，待兩種金屬完全熔化并在1050℃保溫2小時，完全形成銀鋅合金，接下來將熔融的合金液體導入在1000℃已預熱兩小時的氧化鋯坩堝，利用高壓空氣將由坩堝底部漏嘴流出的金屬溶液流柱破碎霧化成粉末，金屬溶液流柱尺寸用瑪瑙漏嘴尺寸控制在4毫米。冷卻后的合金粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分放置于氧化鋯坩堝中，在550℃馬佛爐中空氣條件下保溫2-6小時，使合金粉末內氧化，用內氧化過程在合金中形成均勻分布有氧化鋅的Ag-ZnO10粉末。粉末在根據產品圖紙要求加工成的剛模用240Mpa壓力在100噸壓機上成形。成形后壓坯于680-880℃空氣中燒結2-4小時，然后在精整模中用900Mpa壓力160噸壓機上整形，整形后產品相對密度大于百分之九十八。產品具有的物理機械性能如下密度≥9.4g/cm3電阻率≤2.70μΩcm硬度≥700Mpa產品可加工切削，可用于電力機車電器，接觸器，汽車啟動器，限制開關控制器、繼電器，飛機核潛艇大、中、小負荷電器等。
實施例2制備Ag-ZnO 10將10公斤銀在中頻感應坩堝爐中熔化，待金屬銀完全熔化并在1000℃保溫1小時，完全形成液態金屬，接下來將熔融的合金液體導入在1000℃已預熱兩小時的氧化鋯坩堝，利用高壓空氣將由坩堝底部漏嘴流出的金屬溶液流柱破碎霧化成粉末，金屬溶液流柱尺寸用瑪瑙漏尺寸嘴控制在4毫米。冷卻后的銀金屬粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分按照Ag-ZnO10化學計量，取9公斤銀粉加入1公斤過200目篩(174微米)氧化鋅于高能球磨機中合金化研磨4小時達到充分混合后的粉末從混料器中取出以備成形。銀氧化鋅混合粉末在根據產品圖紙要求加工成的剛模用240Mpa壓力在100噸壓機上成形。成形后壓坯于700℃空氣中燒結6小時，然后在精整模中用480Mpa壓力160噸壓機上整形，整形后產品相對密度大于百分之九十八。產品具有的物理機械性能如下密度≥9.4g/cm3電阻率≤3.4μΩcm硬度≥700Mpa產品可加工切削，可用于電力機車電器，接觸器，汽車啟動器，限制開關控制器、繼電器，飛機核潛艇大、中、小負荷電器等。
實施例3Ag-SnO 10整個過程與實施例1相似。按照Ag-SnO10化學計量，將10公斤銀與1.2公斤錫在中頻感應坩堝爐中熔化，待兩種金屬完全熔化并在1050℃保溫2小時，完全形成銀錫合金，接下來將熔融的合金液體導入在1000℃已預熱兩小時的氧化鋯坩堝，利用高壓空氣將由坩堝底部漏嘴流出的金屬溶液流柱破碎霧化成粉末，金屬溶液流柱尺寸用瑪瑙漏尺寸嘴控制在4毫米。冷卻后的合金粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分放置于氧化鋯坩堝中，在550℃馬佛爐中空氣條件下保溫4小時，使合金粉末內氧化，用內氧化過程在合金中形成均勻分布有氧化鋅的Ag-SnO10粉末。粉末在根據產品圖紙要求加工成的剛模用240Mpa壓力在100噸壓機上成形。成形后壓坯于640℃空氣中燒結4小時，然后在精整模中用980Mpa壓力160噸壓機上整形，整形后產品相對密度大于百分之九十八。產品具有的物理機械性能如下密度≥9.6g/cm3電阻率≤2.70μΩcm硬度≥580Mpa產品可加工切削，用于電力機車電器，飛機和潛艇繼電器，大、中、小負荷繼電器、開關等實施例4制備Ag-CuO 10整個過程與實施例1相似。按照Ag-CuO10化學計量，將10公斤銀與1.28公斤錫在中頻感應坩堝爐中熔化，待兩種金屬完全熔化并在1250℃保溫2小時，完全形成銀銅合金，接下來將熔融的合金液體導入在1100℃已預熱兩小時的氧化鋯坩堝，利用高壓空氣將由坩堝底部漏嘴流出的金屬溶液流柱破碎霧化成粉末，金屬溶液流柱尺寸用瑪瑙漏尺寸嘴控制在4毫米。冷卻后的合金粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分放置于氧化鋯坩堝中，在650℃馬佛爐中空氣條件下保溫4小時，使合金粉末內氧化，用內氧化過程在合金中形成均勻分布有氧化銅的Ag-CuO10粉末。粉末在根據產品圖紙要求加工成的剛模用240Mpa壓力在100噸壓機上成形。成形后壓坯于675℃空氣中燒結5小時，然后在精整模中用480Mpa壓力160噸壓機上整形，整形后產品相對密度大于百分之九十八。產品具有的物理機械性能如下密度9.6≥g/cm3電阻率≤2.40μΩcm硬度≥1175Mpa產品可加工切削，用于接觸器，機車和汽車啟動器，繼電器，限制開關繼電器，機車電器等。
實施例5制備Ag-SnO 10將10公斤銀在中頻感應坩堝爐中熔化，待金屬銀完全熔化并在1000℃保溫1小時，完全形成液態金屬，接下來將熔融的合金液體導入在1000℃已預熱兩小時的氧化鋯坩堝，利用高壓空氣將由坩堝底部漏嘴流出的金屬溶液流柱破碎霧化成粉末，金屬溶液流柱尺寸用瑪瑙漏尺寸嘴控制在4毫米。冷卻后的銀金屬粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分按照Ag-SnO 10化學計量，取9公斤銀粉加入1公斤過200目篩(174微米)氧化錫于高能球磨機中合金化研磨4小時達到充分混合后的粉末從混料器中取出以備成形。銀氧化錫混合粉末在根據產品圖紙要求加工成的剛模用240Mpa壓力在100噸壓機上成形。成形后壓坯于700℃空氣中燒結4小時，然后在精整模中用480Mpa壓力160噸壓機上整形，整形后產品相對密度大于百分之九十八。產品具有的物理機械性能如下密度≥9.6g/cm3電阻率≤3.0μΩcm硬度≥700Mpa產品可加工切削，可用于電力機車電器，接觸器，汽車啟動器，限制開關控制器、繼電器，飛機核潛艇大、中、小負荷電器等。
實施例2制備Ag-CuO 10將10公斤銀在中頻感應坩堝爐中熔化，待金屬銀完全熔化并在1000℃保溫1小時，完全形成液態金屬，接下來將熔融的合金液體導入在1000℃已預熱兩小時的氧化鋯坩堝，利用高壓空氣將由坩堝底部漏嘴流出的金屬溶液流柱破碎霧化成粉末，金屬溶液流柱尺寸用瑪瑙漏尺寸嘴控制在4毫米。冷卻后的銀金屬粉末，過200目篩(174微米)，取篩下部分按照Ag-ZnO10化學計量，取9公斤銀粉加入1公斤過200目篩(174微米)氧化銅于高能球磨機中合金化研磨8小時達到充分混合后的粉末從混料器中取出以備成形。銀氧化銅混合粉末在根據產品圖紙要求加工成的剛模用240Mpa壓力在100噸壓機上成形。成形后壓坯于700℃空氣中燒結6小時，然后在精整模中用480Mpa壓力160噸壓機上整形，整形后產品相對密度大于百分之九十八。產品具有的物理機械性能如下密度≥9.4g/cm3電阻率≤2.8μΩcm硬度≥1300Mpa產品可加工切削，可用于電力機車電器，接觸器，汽車啟動器，限制開關控制器、繼電器，飛機核潛艇大、中、小負荷電器等。
權利要求
1.一種電力機車用電觸頭材料，其特征在于以銀為基礎相，以氧化銅或氧化鋅或氧化錫為添加相，銀重量百分數為75％～99％，余量為添加相。
2.一種權利要求1所述觸頭材料的制備方法，其特征在于將基相銀在高溫爐中于1000-1250℃熔化，在熔化過程中加入添加相組成熔融合金，經氣體霧化，制成合金粉末，過200目即174微米篩，取篩下部分，合金粉于空氣條件下500℃～550℃保溫2小時，進行內氧化，得到合金氧化粉末，上述粉末經剛模在壓機中進行壓制成形，成形壓力大于200Mpa，然后經高溫500-1450℃保護氣體中燒結2-4小時，再經400Mpa壓力進行復壓。
3.一種權利要求1所述觸頭材料的制備方法，其特征在于將基相銀在高溫爐中于1000-1250℃熔化，經氣體霧化，制成粉末，過200目即174微米篩，取篩下部分，在銀粉末中加入添加相，經機械合金化得到合金粉末，上述粉末經剛模在壓機中進行壓制成形，成形壓力大于200Mpa，然后經高溫500-1450℃保護氣體中燒結2-8小時，再經400Mpa壓力進行復壓。
全文摘要
本發明涉及一種電力機車用電器材料及制備方法，該電器材料為銀基合金材料特別是銀銅、銀錫、銀鋅合金材料。本發明采用內氧化法和高能球磨法制備合金材料。本發明合金在銀基中加入氧化鋅(或氧化錫)可以防止觸頭材料燒蝕，起滅弧作用；加入銅可以提高材料的導電性，降低電阻率。是一種適合于用作電力機車電觸頭部件材料和(或)高溫空氣開關，電刷，低壓開關，繼電器開關，接觸器等電元器件材料。本發明通過高溫熔融合金霧化和內氧化工藝技術以及部分合金化技術結合粉末冶金工藝技術，制備含有不同合金組元的電力機車電觸頭材料，以不同添加物和添加量控制觸頭材料的機械物理性能和電學性能。
文檔編號C22C1/00GK1635582SQ20031012082
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月30日 優先權日2003年12月30日
發明者謝健全, 阮建明 申請人:中南大學