可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料的製作方法

2023-05-27 10:46:11 1

專利名稱：可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電接點材料，特別涉及一種具有高硬度、耐磨耗性質下，仍兼有較低接觸電阻特性，能夠維持較佳抗電弧衝蝕能力的銀基-不含鎘複合材的電接點材料。
背景技術：
目前，電接點材料廣泛運用於各種需進行電性接觸才能實施運作的領域。例如通訊傳輸系統或電源輸出控制、電子儀器連接及計算器(計算機)外圍等。一般在電連接器或繼電器開關運作瞬間，由於其兩電極接點在即將接觸或剛分離之際的間距較小，故在維持高電場分布的環境下，其二電接點間的電流會據此產生放電現象，進而形成所謂「電弧」 的物理現象。一般來說，在電弧衝蝕過程中，會造成二電接點間材料質量的轉移，而在電接點表面形成凸起或凹口狀；或由於表面因電弧衝蝕後金屬熔融再凝固所形成的較粗糙的表面； 以及其它原因產生的汙染或破壞現象，皆會使原電接觸表面失去平坦而造成接觸電阻值提升，進而影響電接點的工作效能。至於實際應用上，一般多使用白金為材料，但是，白金成本太高，因此便有用銅代替白金的趨勢。然而，銅雖具高導電、熱、低成本等優點，但卻容易在銅表面形成氧化物，因此，還有提出具有與銅相同優點的銀基材為材料。然而，銀雖可抗氧化，但其強度較低、耐磨性不佳，電弧衝蝕現象嚴重，並不利於長時間電接點材的應用。後期出現了具有高導電、高導熱、耐腐蝕，且能傳導更大電流的較具經濟性的CdO/Ag接觸材，並將其用於重型或高極開關、繼電器上。然而Cd具有強烈毒性且歐盟已正式通過WEEE及RoHS議案，禁止使用各類具高毒性物質的電子產品，例如Cd，Pb等。還有一種AuCo電接點材料，該電接點材料經過500次電弧衝蝕測試後，其材料表面易出現嚴重的破壞現象，產品壽命不長。

發明內容
本發明的目的在於提供一種傳導大電流、具有較佳耐腐蝕性及接觸材硬度，又能符合國際無毒性材料規定的電接點材料，從而克服現有技術電接點材料的缺陷。本發明是通過以下技術方案來克服這些缺陷的一種可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料，其特徵在於該電接點材料的維式硬度值(Hv)為100 150，且於測試電流為1 5安培、10 20伏特條件下， 其接觸電阻值為5 60mohm(毫歐姆)，且該抗電弧衝蝕能力可達到2*103 10*103次數； 該電接點材料用於電連接器金屬底材表面時，所形成的兩種電接點在低接觸電阻條件下， 可有效維持抗電弧衝蝕能力。其中，該電接點材料是由Ag-(Sr^2+In203)複合材組成。其中該Ag-(Sr^2+In203)複合材的(Sr^2+In203)成分所佔比例為按重量計9 11%。其中該電接點材料也可由Ag-Cu oxide(氧化物)複合材組成。其中該Ag-Cu
3oxide (氧化物)複合材的Cu oxide (氧化物)成分所佔比例為按重量計15 25%。本發明的可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料，符合歐洲共同體 (EC)廢家電(WEEE)及RoHS法令規章，同時該電接觸材料兼具有傳導大電流、較佳耐腐蝕性及提升接觸材硬度等優點，有效降低了電弧侵蝕效應，並達到了低接觸電阻目標，大幅提升了產品的使用壽命。


圖IA為現有AuCo電接點材料經500次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖 (一)；圖IB為現有AuCo電接點材料經500次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖 (二)；圖2A為本發明AgSrHn電接點材料經5000次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖(一)；圖2B為本發明AgSrHn電接點材料經5000次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖(二)；圖3A為本發明AgCu電接點材料經2000次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖 (一)；圖;3B為本發明AgCu電接點材料經2000次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖 (二)；圖4為本發明電接點材料組織的SEM顯微照相圖。
具體實施例方式以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特徵和優點作更詳細的說明。由於電接觸點在斷路的瞬間，電流會被迫從少許但仍連通的電接點通過，此時在導通的接觸較小面積上會產生電弧效應，而其通過的電流密度最高可達5*104A/cm2，也會因此造成接觸點處溫度快速升高，並引發強力磁場從而加速電子或正負離子移動，導致較嚴重的電弧衝蝕效應。因此，為了減少這些破壞現象的產生，其電接點材料應具備較高的導電係數，使電流通過時生成較少熱能，用以避免高溫所造成的軟化，進而影響材料的強度表現；而電接點材料若具有較佳的導熱能力，也可將電接點上的熱量有效傳導分散，不致因過熱使材料損傷並減少因電弧效應所造成的影響。此外，電接點材料大多在各類腐蝕性氣體的環境下使用，因此電接點材料的抗腐蝕性或抗氧化性也是使用要求的特性之一，以避免在材料表面上形成不導電化合物或氧化物的情況發生，不至於因此造成接觸電阻值上升而降低材料的使用壽命。一般在電接點打開或關閉的瞬間，通常會有機械上的相互磨損，長久下來其電接點材料表面也會受到破壞。因此，較硬或較具耐磨性的電接點材料也是使用要求的要件之一。然而，上述這些較硬或較耐磨等要求的特性材料，通常情況下，其物性的表現也多伴隨有較高的接觸電阻值，因此本發明是提供大致上能滿足這些要求併兼具這些特性的電接觸材料。據此，請參閱表1，表1為本發明的兩種材料與常規電接觸材料之間的物性與抗電弧衝蝕能力的差異。表1各項指標是在1-5A，10-20V的條件下測量的。
表 1
I接觸電阻值I抗ARC電孤衝
樣品類型元素重量比硬度(Hv)
(mohm)蝕(循環)
AgSnIn alloy Ag/Sn203/ln20 Ag-90%, (Sn02+ln203)-9~l 1% 100-110 5-602 χ IO3-IO χ IO3
AgCu alloy Ag/Cu02 Ag-80%, Cu oxide-15-25% 110-150 5-602 χ IO3-IO χ IO3
AuCo layer Au/Co Au-99.7%, Co-0.3% 180-310 50~1000.5 χ IO3由表1可知，本發明的可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料不含有毒物質，符合國際上所議定的規範。此外，利用銀為基材可達到上述較高導電係數或較佳導熱能力的要求。同時該電接點材料的維式硬度值(Hv)也可達到100 150，有效呈現耐磨的要求特性。另外，對於現有材料的具有較佳硬度時，其接觸電阻卻隨之上升的困境，本發明的電接點材料也得到了改善。如上表所述，這兩種材料在具有高硬度的特性下，還兼具在 5 60mohm(毫歐姆)之間的較低的接觸電阻值。例如以Ag-(Sn02+In203)的複合材，且其中該(Sn02+In203)成分所佔比例為按重量計9 11 %，或以Ag-Cu oxide (氧化物)複合材，且其中該Cu oxide成分所佔比例為按重量計15 25%皆是如此。同時，SnA與In2O3 的添加，還可達到散布強化，提升機械性質的效果，同時SnA在高溫下不易分解，且能增加材料黏度進而保護銀基材，減少銀基材因遭電弧衝蝕而造成體積的損失。而相較於傳統電接點材料，例如以AuCo合金為例，雖其硬度值較高於本發明的材料，但其接觸電阻也提高至50 100mohm(毫歐姆)，這樣將造成電弧放電過程較為嚴重的材料損害。而且，這裡提到的維氏硬度值的實驗操作可通過以下關係Hv = 1.584*P(Kg)/d2(mm2)量測。其中P值可由荷重(load)得知；該d值可由荷重時間乘以荷重速率得知，並此說明。這兩種材料的抗電弧衝蝕能力可達到2*103 10*103次數，相較於現有材料的約 500次的抗電弧衝蝕能力，本發明的材料大幅提升了產品的使用壽命。如此一來，本發明的電接點材料用於電連接器金屬底材表面時具有較低的接觸電阻值，能有效維持抗電弧衝蝕。對於電弧衝蝕能力的測試，實驗上大多利用定距單弧衝蝕測試或多次電弧衝蝕測試。其中，定距單弧衝蝕不同於多次電弧衝蝕。多次電弧衝蝕是較接近於真實的電接點操作下的損害情況的模擬測試。例如多次電弧衝蝕過程中，將包含連續性的電弧衝蝕與電接點的來回撞擊測試；至於定距單弧衝蝕，則是較簡單、快速的研究方法，是用來了解電弧衝蝕的情形與過程。例如將陰極與陽極維持固定間距，以能量相當集中的放電形式衝蝕材料表面，同時避免了機械式的接觸傷害，並此說明。如圖2A、2B及3A、!3B所示，分別為本發明AgSrHn電接點材料經5000次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖(一)(二)及本發明AgCu電接點材料經2000次電弧衝蝕測試後連接器的外觀表面圖(一)(二)。由圖可知，本發明的電接點材料經電弧衝蝕測試後， 其表面仍能維持較佳的平坦性與完整度，較佳的硬度可使材料能夠避免受到電弧衝蝕的破壞。圖4為本發明電接點材料組織的SEM顯微照相圖。尤其從電子顯微鏡的切面觀察可知，本發明的添加物材料特性可有效均勻分散於銀基材中，從而達到提升散布強化，加強機械耐磨性質的效果。本發明的可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料符合歐洲共同體 (EC)廢家電(WEEE)及RoHS法令規章，同時該電接觸材料兼具有傳導大電流、較佳耐腐蝕性、耐磨性及提升接觸材硬度等優點，能有效降低電弧侵蝕效應所造成的破壞，並達到低接觸電阻值的目標，可大幅提升各類有電接點需求產品的使用壽命以及具有用於各領域製品的整體適用性。以上所述僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變， 修改，甚至等效，但都將落入本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料，其特徵在於該電接點材料的維式硬度值(Hv)為100 150，且於測試電流為1 5安培、10 20伏特條件下，其接觸電阻值為5 60mohm(毫歐姆)，且該抗電弧衝蝕能力達到2*103 10*103次數。
2.根據權利要求1所述的電接點材料，其特徵在於該電接點材料是由 Ag- (Sn02+In203)複合材所組成。
3.根據權利要求2所述的電接點材料，其特徵在於該Ag-(Sn02+In203)複合材的 (Sn02+In203)成分所佔比例為按重量計9 11%。
4.根據權利要求1所述的電接點材料，其特徵在於該電接點材料是由Ag-Cu oxide (氧化物)複合材所組成。
5.根據權利要求4所述的電接點材料，其特徵在於其中該Ag-Cu氧化物複合材的Cu 氧化物成分所佔比例為按重量計15 25%。
全文摘要
本發明涉及一種可抗電弧衝蝕的銀基-不含鎘複合材的電接點材料，該電接點材料是Ag-(SnO2+In2O3)，且(SnO2+In2O3)成分所佔比例為按重量計9～11％的複合材；或Ag-Cu oxide(氧化物)，且Cu oxide(氧化物)成分所佔比例為按重量計15～25％的複合材。其中該電接點材料的維式硬度值(Hv)為100～150，且在測試電流為1～5安培、電壓為10～20伏特條件下，其接觸電阻值為5～60mohm(毫歐姆)，且該電接點材料的抗電弧衝蝕能力可達到2*103～10*103次數；當該電接點材料用於電連接器金屬底材表面時，形成的電接點具有高硬度、低接觸電阻以及有效維持抗電弧衝蝕的耐磨能力。
文檔編號H01R13/03GK102467986SQ201010535380
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月4日 優先權日2010年11月4日
發明者江文源, 洪志緯, 王威超, 王志榮, 蔡伯晨, 鄭文瑛, 陳威助 申請人:中國探針股份有限公司