铜/稀土氧化物/碳触头及其生产方法.pdf

一种铜/稀土氧化物/碳触头，其材料的成分配比为(重量百分比)：碳0.1～2.0，三氧化二镱或三氧化二钐0.1～15，合金化金属0.05～2.0，铜余量，用粉末冶金和电镀沉积的方法生产，制得的触头抗氧化能力和抗电弧烧损能力高。

1、  一种铜/稀土氧化物/碳触头，其特征在于：其材料的成分配比为(重量百分比)：碳0.1～2.0，三氧化二镱或三氧化二钐0.1～15，合金化金属0.05～2.0，铜余量。

2、  根据权利要求1所述的一种铜/稀土氧化物/碳触头，其特征在于：所述的合金化金属包括锆、铝、镉、锡和镧，所述的碳为金刚石或石墨。

3、  根据权利要求1所述的铜/稀土氧化物/碳触头的一种生产方法，其特征在于：
(1)电镀液的配制：称取所需量氰化钾溶于温水中，称取所需量氰化亚铜在不断搅拌下缓缓加入氰化钾溶液中，控制加入温度，使溶液温度不会升高到60℃以上；称取所需量氢氧化钾溶于蒸馏水中；两者都溶解好后，相互混溶，并加水至规定液面，经搅拌、过滤、分析、调整之后即可使用；
(2)电镀：将0.5～1.0mm的不锈钢板用硫酸钝化，然后清洗干净；在电镀液中加入粒度为2～4μm的Dy₂O₃或Sm₂O₃和粒度为0.1～1.5μm的C，然后用铜合金板作为阳极，不锈钢板作为阴极，阴极电流密度为5～10A/dm²进行电镀；电镀电源直流电源或脉冲电源，最好用脉冲电源，阴极应用塑料胎具进行屏蔽，电镀时溶液需进行搅拌；电镀时镀液经过一般的镀液维护外，对镀液里的悬浮物的含量应进行监控，定时进行补充；电镀速度为100～200μm/h，镀层厚≥0.5mm；
(3)高温处理：电镀板材从不锈钢板上取下后，在保护气氛烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～小时；
(4)轧制：将经高温处理的电镀板材进行冷轧制到要求厚度；
(5)落料：将经轧制的电镀板材经过冲床落料制成相应的工件；
(6)高温再处理：经过冲床落料制成相应的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9MPa，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。

4、  根据权利要求1所述的铜/稀土氧化物/碳触头的一种生产方法，其特征在于：
(1)混粉：将Dy₂O₃或Sm₂O₃和C用酒精在超声波设备中进行分散后，加入称量好的200目电解铜粉中，边加入边搅拌，进行初混，然后在混粉机内混合2小时，倒出进行湿粉过100目筛，然后加入铜合金粉，在混粉机内混合2小时，倒出在烘箱内于60～80℃烘干后，过80目筛备用；
(2)压制：选择适当的模具进行压制成相应的工件，压制密度为7.15～7.25g/cm³；
(3)初烧：将工件用三氧化二铝粉作为填料混合装于烧结舟内放入真空-保护气氛烧结炉内进行烧结；在80℃以下进行装炉，然后抽真空，真空度≤5×10^-3Pa，然后升温，升温速度≤10℃/min，边升温边抽真空至300℃，保温30分钟，然后关闭真空，充入Ar为微正压，继续升温至700℃保温30分钟，继续至970℃保温4小时，然后降温至60℃以下出炉；
(4)复压：选择适当的模具进行复压，压制密度为≥8.40g/cm³；
(5)复烧：经过复压的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9Mp，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。

5、  根据权利要求1所述的铜/稀土氧化物/碳触头的一种生产方法，其特征在于：
(1)混粉：将Dy₂O₃或Sm₂O₃和C用酒精在超声波设备中进行分散后，加入称量好的200目电解铜粉中，边加入边搅拌，进行初混，然后在混粉机内混合2小时，倒出进行湿粉过100目筛，然后加入铜合金粉，在混粉机内混合2小时，倒出在烘箱内于60～80℃烘干后，过80目筛备用；
(2)制锭：
a.用冷等静压制锭：将粉末均匀地装在橡胶包套中，密封后在冷等静压机中进行压制，压制压力为300MPa，为了以后脱模，装粉前在包套内壁涂上一层细石墨粉；或者：
b.在油压机上用钢模制锭：将粉末均匀地装于钢模内在油压机上压制，压制压力为3T/cm²，压制密度为7.1 5～7.25g/cm³；
(3)初烧：将工件用三氧化二铝粉作为填料混合装于烧结舟内放入真空-保护气氛烧结炉内进行烧结；在80℃以下进行装炉，然后抽真空，真空度≤5×10^-3Pa，然后升温，升温速度≤10℃/min，边升温边抽真空至300℃，保温30分钟，然后关闭真空，充入Ar为微正压，继续升温至700℃保温30分钟，继续至970℃保温4小时，然后降温至60℃以下出炉；
(4)复压：在油压机上进行复压，压制密度≥8.40g/cm³；
(5)复烧：经过复压的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9Mp，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时；
(6)挤压：在相应的热挤压机上进行挤压；挤压套温度550℃，挤压时工件加热温度为800～850℃，挤压比≥14，挤压可以为板材或丝材；
(7)扎制或拉丝：在扎机上冷扎制板材到要求的厚度或在拉丝机上拉制丝材到相应的直径；
(8)落料或制铆钉：用冲压模落料制成相应的所述的铜/稀土氧化物/碳触头触点或在铆钉机上制成相应的铆钉，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。

铜/稀土氧化物/碳触头及其生产方法
                       一、所属技术领域
本发明涉及一种用于低压电器如接触器、断路器等的铜基触头及其生产方法。
                        二、背景技术
在低压电器领域，触头常用银基材料制作，如银/镍触头材料、银/氧化物触头材料、银/碳触头材料等。但是银基触头生产成本高，加上我国又是一个缺银大国，因此研究开发铜基触头代替银基触头是一种必然的发展趋势。目前，生产的铜基触头材料的种类很多，但都有其局限性，主要的缺点在于抗氧化和抗电弧烧损能力弱，因此影响了铜基触头的推广应用。
                        三、发明内容
本发明的目的在于提供一种铜/稀土氧化物/碳触头，其材料用粉末冶金和电镀沉积的方法生产，其抗氧化能力和抗电弧烧损能力高。
为达到上述目的，本发明采取的解决方案是：一种铜/稀土氧化物/碳触头，其材料的成分配比为(重量百分比)：碳0.1～2.0，三氧化二镱或三氧化二钐0.1～15，合金化金属0.05～2.0，铜余量。
所述的合金化金属包括锆、铝、镉、锡和镧。
所述的碳为金刚石或石墨。
上述铜/稀土氧化物/碳触头可以通过下述方法生产。
1、电镀法生产铜/稀土氧化物/碳触头：
(1)电镀液的配制：称取所需量氰化钾溶于温水中，称取所需量氰化亚铜在不断搅拌下缓缓加入氰化钾溶液中，控制加入温度，使溶液温度不会升高到60℃以上；称取所需量氢氧化钾溶于蒸馏水中；两者都溶解好后，相互混溶，并加水至规定液面，经搅拌、过滤、分析、调整之后即可使用；
(2)电镀：将0.5～1.0mm的不锈钢板用硫酸钝化，然后清洗干净；在电镀液中加入粒度为2～4μm的Dy₂O₃或Sm₂O₃和粒度为0.1～1.5μm的C，然后用铜合金板作为阳极，不锈钢板作为阴极，阴极电流密度为5～10A/dm²进行电镀；电镀电源直流电源或脉冲电源，最好用脉冲电源，阴极应用塑料胎具进行屏蔽，电镀时溶液需进行搅拌；电镀时镀液经过一般的镀液维护外，对镀液里的悬浮物的含量应进行监控，定时进行补充；电镀速度为100～200μm/h，镀层厚≥0.5mm；
(3)高温处理：电镀板材从不锈钢板上取下后，在保护气氛烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～小时；
(4)轧制：将经高温处理的电镀板材进行冷轧制到要求厚度；
(5)落料：将经轧制的电镀板材经过冲床落料制成相应的工件；
(6)高温再处理：经过冲床落料制成相应的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9MPa，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。
2、粉末冶金单件压制法生产铜/稀土氧化物/碳触头：
(1)混粉：将Dy₂O₃或Sm₂O₃和C用酒精在超声波设备中进行分散后，加入称量好的200目电解铜粉中，边加入边搅拌，进行初混，然后在混粉机内混合2小时，倒出进行湿粉过100目筛，然后加入铜合金粉，在混粉机内混合2小时，倒出在烘箱内于60～80℃烘干后，过80目筛备用；
(2)压制：选择适当的模具进行压制成相应的工件，压制密度为7.15～7.25g/cm³；
(3)初烧：将工件用三氧化二铝粉作为填料混合装于烧结舟内放入真空-保护气氛烧结炉内进行烧结；在80℃以下进行装炉，然后抽真空，真空度≤5×10^-3Pa，然后升温，升温速度≤10℃/min，边升温边抽真空至300℃，保温30分钟，然后关闭真空，充入Ar为微正压，继续升温至700℃保温30分钟，继续至970℃保温4小时，然后降温至60℃以下出炉；
(4)复压：选择适当的模具进行复压，压制密度为≥8.40g/cm³。
(5)复烧：经过复压的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9Mp，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。
3、粉末冶金挤压法生产铜/稀土氧化物/碳触头：
(1)混粉：将Dy₂O₃或Sm₂O₃和C用酒精在超声波设备中进行分散后，加入称量好的200目电解铜粉中，边加入边搅拌，进行初混，然后在混粉机内混合2小时，倒出进行湿粉过100目筛，然后加入铜合金粉，在混粉机内混合2小时，倒出在烘箱内于60～80℃烘干后，过80目筛备用；
(2)制锭：
a.用冷等静压制锭：将粉末均匀地装在橡胶包套中，密封后在冷等静压机中进行压制，压制压力为300MPa，为了以后脱模，装粉前在包套内壁涂上一层细石墨粉；或者：
b.在油压机上用钢模制锭：将粉末均匀地装于钢模内在油压机上压制，压制压力为3T/cm²，压制密度为7.15～7.25g/cm³。
(3)初烧：将工件用三氧化二铝粉作为填料混合装于烧结舟内放入真空-保护气氛烧结炉内进行烧结；在80℃以下进行装炉，然后抽真空，真空度≤5×10^-3Pa，然后升温，升温速度≤10℃/min，边升温边抽真空至300℃，保温30分钟，然后关闭真空，充入Ar为微正压，继续升温至700℃保温30分钟，继续至970℃保温4小时，然后降温至60℃以下出炉；
(4)复压：在油压机上进行复压，压制密度≥8.40g/cm³。
(5)复烧：经过复压的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9Mp，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时；
(6)挤压：在相应的热挤压机上进行挤压；挤压套温度550℃，挤压时工件加热温度为800～850℃，挤压比≥14，挤压可以为板材或丝材；
(7)扎制或拉丝：在扎机上冷扎制板材到要求的厚度或在拉丝机上拉制丝材到相应的直径：
(8)落料或制铆钉：用冲压模落料制成相应的所述的铜/稀土氧化物/碳触头触点或在铆钉机上制成相应的铆钉，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。
本发明通过在铜合金机体中加入高熔点、分解温度高的稀土氧化物三氧化二镱或三氧化二钐和碳，从而提高了其使用性能。通过在铜合金中加入Dy₂O₃或Sm₂O₃和C，因Dy₂O₃或Sm₂O₃和C在烧结温度下不发生反应，因此触头材料中有弥散分布的Dy₂O₃或Sm₂O₃和C。此材料在电弧烧损时，由于Dy₂O₃或Sm₂O₃的密度与熔融铜的密度(8.0g/cm³)大致相当，所以能够增加其粘性，不易被电磁力拉出，从而使触头使用表面光滑，烧损小，由于Dy₂O₃或Sm₂O₃和C的熔点高而提高了触头的抗熔焊性。另C在电弧的作用下与空气中的氧反应生成CO和CO₂，从而提高其抗氧化能力，所以触头接触电阻稳定。触头材料曾经用于DZ20-100断路器和CJT1-100交流接触器上进行验证，效果良好。
                      四、具体实施方式
下面结合实施例对本发明再作描述。
实施例一：
一种铜/稀土氧化物/碳触头，其材料的成分配比为(重量百分比)：碳2.0，三氧化二镱15，锡1.0，镉1.0，铜余量。
其生产步骤如下：
(1)电镀液的配制：制备10升电镀液—氰化物镀铜溶液需要在通风条件下配制。配制时称取1400克氰化钾溶于温水中，称取1000克氰化亚铜在不断搅拌下缓缓加入氰化钾溶液中，控制加入温度，使溶液温度不会升高到60℃以上。称取40g氢氧化钾溶于蒸馏水中。两者都溶解好后，相互混溶。并加水至规定液面搅拌、过滤、分析、调整之后即可使用。
(2)电镀：将0.5～1.0mm的不锈钢板用硫酸钝化，然后清洗干净；在电镀液中加入粒度为2～4μm的Dy₂O₃和粒度为0.1～1.5μm的C，然后用锡镉铜合金板作为阳极，不锈钢板作为阴极，阴极电流密度为5～10A/dm²进行电镀；电镀电源直流电源或脉冲电源，最好用脉冲电源，阴极应用塑料胎具进行屏蔽，电镀时溶液需进行搅拌；电镀时镀液经过一般的镀液维护外，对镀液里的悬浮物的含量应进行监控，定时进行补充；电镀速度为100～200μm/h，镀层厚≥0.5mm。
镀后检查Dy₂O₃和C的含量；金相检查，要求质点分布均匀，不能有大于10μm的聚集。
(3)高温处理：电镀板材从不锈钢板上取下后，在保护气氛烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～小时。从而提高其强度。
(4)轧制：将经高温处理的电镀板材进行冷轧制到要求厚度。
(5)落料：将经轧制的电镀板材经过冲床落料制成相应的工件。冲制后的剩余边料作为阳极再进行利用，从而提高了材料的使用率，降低了材料的回收成本。
(6)高温再处理：经过冲床落料制成相应的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9MPa，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。
实施例二：
一种铜/稀土氧化物/碳触头，其材料的成分配比为(重量百分比)：碳0.1，三氧化二镱0.1，锆0.02，镉0.02，铝0.01，锡0.02，镧0.02，铜余量。
其生产步骤如下：
(1)混粉：将Dy₂O₃和C用酒精在超声波设备中进行分散后，加入称量好的200目电解铜粉中，边加入边搅拌，进行初混，然后在混粉机内混合2小时，倒出进行湿粉过100目筛，然后加入锆镉铝锡镧铜合金粉，在混粉机内混合2小时，倒出在烘箱内于60～80℃烘干后，过80目筛备用；
(2)压制：选择适当的模具进行压制成相应的工件，压制密度为7.15～7.25g/cm³；
(3)初烧：将工件用三氧化二铝粉作为填料混合装于烧结舟内放入真空-保护气氛烧结炉内进行烧结；在80℃以下进行装炉，然后抽真空，真空度≤5×10^-3Pa，然后升温，升温速度≤10℃/min，边升温边抽真空至300℃，保温30分钟，然后关闭真空，充入Ar为微正压，继续升温至700℃保温30分钟，继续至970℃保温4小时，然后降温至60℃以下出炉；
(4)复压：选择适当的模具进行复压，压制密度为≥8.40g/cm³。
(5)复烧：经过复压地工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9Mp，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时，制得所述的铜/稀土氧化物/碳触头。
实施例三：
一种铜/稀土氧化物/碳触头，其材料的成分配比为(重量百分比)：碳1.0，三氧化二钐8.0，锆0.05，镉0.2，铝0.05，锡0.05，镧0.05，铜余量。
其生产步骤如下：
(1)混粉：将Sm₂O₃和C用酒精在超声波设备中进行分散后，加入称量好的200目电解铜粉中，边加入边搅拌，进行初混，然后在混粉机内混合2小时，倒出进行湿粉过100目筛，然后加入锆镉铝锡镧铜合金粉，在混粉机内混合2小时，倒出在烘箱内于60～80℃烘干后，过80目筛备用；
(2)制锭：
a.用冷等静压制锭：将粉末均匀地装在橡胶包套中，密封后在冷等静压机中进行压制，压制压力为300MPa，为了以后脱模，装粉前在包套内壁涂上一层细石墨粉；或者：
b.在油压机上用钢模制锭：将粉末均匀地装于钢模内在油压机上压制，压制压力为3T/cm²，压制密度为7.15～7.25g/cm³。
(3)初烧：将工件用三氧化二铝粉作为填料混合装于烧结舟内放入真空-保护气氛烧结炉内进行烧结；在80℃以下进行装炉，然后抽真空，真空度≤5×10^-3Pa，然后升温，升温速度≤10℃/min，边升温边抽真空至300℃，保温30分钟，然后关闭真空，充入Ar为微正压，继续升温至700℃保温30分钟，继续至970℃保温4小时，然后降温至60℃以下出炉；
(4)复压：在油压机上进行复压，压制密度≥8.40g/cm³。
(5)复烧：经过复压的工件在等静压烧结炉中进行处理，烧结温度930℃，压力6～9Mp，保护气氛为氮气、氩气，保温时间2～3小时；
(6)挤压：在相应的热挤压机上进行挤压；挤压套温度550℃，挤压时工件加热温度为800～850℃，挤压比≥14，挤压可以为板材或丝材；
(7)扎制或拉丝：在扎机上冷扎制板材到要求的厚度或在拉丝机上拉制丝材到相应的直径；
(8)落料或制铆钉：用冲压模落料制成相应的触点或在铆钉机上制成相应的铆钉。