一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法
【专利摘要】本发明提供了一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，属于材料【技术领域】。本方法避免了烧结用高纯度电解铬粉易吸气和产生不易还原的化合物，使得CuCr合金中含气量增大引入杂质的问题；也避免了常规固相烧结产品质量相对较低，很难达到行业标准的要求，合金韧性不高的问题；还避免了液相烧结出的产品偏析严重问题。本方法将铜丝或铜网的表面活化处理后，经电解铬处理，再将吸附铬的铜丝或铜网压坯，最后放入真空烧结炉进行烧结，得到CuCr电触头材料。该方法解决了电触头材料的偏析问题，减少CuCr合金中气体与杂质的含量，改善触头材料的综合性能；此方法适用范围广，比传统烧结大幅度缩短时间，降低生产成本。
【专利说明】一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料【技术领域】，特别涉及一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法。
【背景技术】
[0002]电触头是电力开关的核心元件，负担接通或断开电路及负载电流的任务，决定了开关的断开能力和接触可靠性。CuCr合金做为触头材料的发明是电力开关发展史上的重要突破，它极大地提高了真空开关的性能，经过数十年的持续研究和发展，CuCr合金已经基本取代了其它材料，成为中高压大电流真空开关的首选材料。
[0003]CuCr合金的制备工艺主要分成下列三种，即粉末烧结法、熔渗法和自耗电极法。其中熔渗法用于制备含铬量高的CuCr合金，对于低含量如CuCr25合金很难制备，其使用范围相对较窄；自耗电极法的生产成本高，生产工艺相对复杂。故目前现阶段工业生产仍以粉末烧结法为主。此方法的主要优点是产品工艺相对比较简单，成本低，生产周期短，合金成分易于调节和控制，适合制备各种铬含量的CuCr合金。
[0004]粉末烧结法是将一定比例的铜粉和铬粉经充分混合均匀后压坯，然后烧结成形。根据压坯和烧结条件的不同，又可细分为液相烧结和固相烧结。该方法对粉体质量，尤其是对铬粉的质量要求严格，一般选择纯度较高，杂质较少的电解铬粉，但是铬粉在运输及其使用过程中又由于其与O、N、C的亲和力大，易吸气和产生不易还原的化合物，使得CuCr合金中含气量增大引入杂质，从而影响材料的性质，故需要对原材料的存储做专门处理。
[0005]现阶段国内工业生产的CuCr合金以固相烧结为主，烧结温度在铜熔点以下，此工艺产品质量相对较低，含氧量波动大，有时高达0.2%，致密度一般在95%左右很难达到行业标准的要求，制得的合金韧性不高，需要后续处理。
[0006]采用液相烧结，能提高产品的致密度与韧性，但从相图上看，当铬含量在1.5?
40%时，合金由高温单相区冷却进入液-固两相区，液相中析出过饱和的铬，密度较轻的固态铬粒子上浮，导致Cu、Cr两相分离；当铬含量为40?94.5%时，合金由高温单相区进入液-液两相区时，单一的液相还要经历一液相分解过程，分离的铬相在重力场下将迅速上浮而导致合金内成分偏析，所以液相烧结产品偏析严重，生产上一般难以实现大规模生产。
【发明内容】
[0007]针对现有电触头材料在制备上的问题，本发明提供一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法。该方法可得到铬质量含量范围在10?50%的CuCr合金，解决了做为电触头材料的CuCr合金的偏析问题，减少合金中气体与杂质的含量，改善触头材料的综合性能；此方法适用范围广，比传统烧结大幅度缩短生产时间，降低生产成本。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0009]一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，包括以下步骤:
[0010](I)铜表面活化处理[0011]将铜丝或铜网经去除表面的锈溃与氧化膜处理后，做为电解铬的阴极；
[0012](2)铜表面电解铬
[0013]电解铬的阳极材料为铅板、铅锑或者铅锡板，阳极与阴极面积比1:3~3:1，电解槽中加入电解液，保持槽中电解液温度30~60°C;通入电流，保持阴极电流密度30~60A/dm2,电解0.5~2h后，得到吸附铬的铜丝或铜网；
[0014](3)压坯成型
[0015]压坯成型的方法采用以下两种方法中的一种:
[0016](3a)将电解吸附铬后的铜丝或铜网剪成小段或小块，装入模具压块制成压坯，压机压力为3~150t ；
[0017](3b)将电解吸附铬后的铜丝或铜网剪成小段或小块，与表面未电解铬的铜丝或铜网剪成小段或小块，交替叠加装入模具压块制成压坯，压机压力为3~150t ；
[0018](4)烧结
[0019]将压坯装入坩埚放入真空烧结炉，真空炉内真空度为1X10_4~9X10_3Pa，在温度1100~1400°C下进行液体烧结并保温0.5~3h后随炉冷却，得到CuCr电触头材料。
[0020]上述的制备CuCr电触头材料的方法，所述步骤(1)为:将铜丝去除表面的锈溃与氧化膜处理后，缠在铝板上做为电解铬的阴极。
[0021]上述的制备CuCr电触头材料的方法，步骤(1)中所述的铜丝或步骤(3b)中所述的表面未电解铬的铜丝，规格为:纯度> 99.9%，直径范围0.1~1mm。
[0022]上述的制备CuCr电触头材料的方法，步骤(1)中所述的铜网或步骤(3b)中所述的表面未电解铬的铜网，规格为:目数20~200目，纯度≥99.9%，由直径为Φ0.1~Imm的铜丝编织。
[0023]上述的制备CuCr电触头材料的方法，所述步骤(1)去除表面的锈溃与氧化膜的处理方法为:将铜丝或铜网放入浓度为10~30被％的HCl溶液中侵蚀I~5min后，用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡I~5min，再用脱脂棉擦拭干净，然后用蒸馏水清洗。
[0024]上述的制备CuCr电触头材料的方法，步骤(2)所述的电解液，其成分为:铬酐240~260g/L，硫酸2~2.2g/L，铬雾抑制剂0.1~Igo
[0025]上述的制备CuCr电触头材料的方法，步骤(3b)所述的表面未电解铬的铜丝，与步骤⑴所述的铜丝直径相同；步骤(3b)所述的表面未电解铬的铜网，与步骤⑴所述的铜网由相同直径铜丝编织。
[0026]上述的制备CuCr电触头材料的方法，所述步骤(4)中的坩埚为石墨坩埚或氧化铝坩埚。
[0027]上述的制备CuCr电触头材料的方法，步骤(4)所述的得到的CuCr电触头材料为Cr质量含量为10~50%的CuCr合金。
[0028]本发明具有如下特点:
[0029]1、该方法得到CuCr合金的铬纯度高。该方法直接在原材料阶段在铜表面通过电解的方式吸附铬，由于电解得到的铬纯度高，从而提高了铜铬合金中铬的纯度，避免常规铬粉在运输流通使用过程中接触空气中的0、N、C等造成的氧化与污染，同时减少了中间流通环节，降低成本。
[0030]2、解决了 CuCr电触头材料的偏析问题。由于铜表面经电解铬处理后，吸附电解铬的铜丝或铜网表面具有一定厚度的铬镀层，连续的铬镀层在铜基体中形成宏观的铬骨架，经过加压成型铬骨架在铜基体中得到进一步加强与固定。在液相烧结过程中，由于铬骨架的存在，避免了铬颗粒的上浮问题，从而得到成分均一，稳定不偏析的合金产物。
[0031]3、利用吸附时间与电流大小可实现吸附在铜表面的铬的含量控制，实现生产Cr质量含量为10~50%的CuCr合金。
[0032]4、采用真空液相烧结比传统固相烧结大幅度的缩短时间，降低生产成本，改善触头材料的综合性能。
[0033]5、本发明的方法获得的铜铬合金的硬度、击穿电压和电导率均有明显增加，符合GBT-26867标准，在电触头材料的应用上具有更好的效果。
[0034]6、本方法适用范围广，设备投资少，成本低，操作简单，控制方便，易于实现工业化。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为本发明原理示意面。图1a为普通工业混粉压坯CuCr电触头材料中Cr颗粒分布示意图，图1b为混粉液体烧结CuCr电触头材料中Cr颗粒分布示意图，图1c采用铜丝表面吸附电解铬制备CuCr电触头材料中Cr镀层骨架分布示意图，图1d为采用铜丝表面吸附电解铬液相烧结制备CuCr电触头材料中Cr镀层骨架分布示意图；
[0036]图2为本发明实施例2中表面吸附电解铬的铜丝横截面组织金相显微照片；
[0037]图3为本发明实施例1中用铜网表面吸附电解铬制备的CuCr合金组织电子显微照片；
[0038]图4为本发明实施例2中用铜丝表面吸附电解铬制备的CuCr合金组织电子显微照片。
【具体实施方式】
[0039]铜丝或铜网纯度≥99.9%，盐酸、丙酮、铬酐、硫酸为分析纯，均为市购。
[0040]铬雾抑制剂:F-53B，规格为高纯。
[0041]电镀电源:20000A/18V正反向高频整流机。
[0042]电镀槽:PVC镀铬槽。
[0043]压机:769YP_150F粉末压片机。
[0044]真空炉:VQS_310真空高温烧结炉。
[0045]实施例1
[0046]1、铜网表面活化处理
[0047]选取铜丝直径为Φ0.24mm的200目铜网，把铜网放入浓度为10被％的此1溶液中侵蚀5min，取出后用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡lmin，取出后用脱脂棉擦拭干净，然后再用蒸馏水清洗，铜网即可做为电解吸附铬处理的阴极；
[0048]2、电解吸附铬处理
[0049]电解液成份为:铬酐(CrO3) 240g/L,硫酸(H2SO4) 2g/L，铬雾抑制剂0.1g ；阳极材料为铅板，阴极材料为铜网，阳极与阴极面积比2:1 ;使用加热棒加热镀槽，保持镀槽内电解液温度为60°C，通入电流，保持阴极电流密度60A/dm2，电镀2h，得到表面吸附铬的铜网，吸附电解铬的铜网中铬的质量分数为57% ；
[0050]3、压坯成型
[0051]将步骤2得到的铜网用机械加工法剪成直径为Φ40πιπι圆片，与步骤I中相同规格的、剪成直径为Φ40πιπι圆片的铜网按个数1:1交替叠加装入模具压制成压坯，压机压力为60t ；
[0052]4、压坯烧结
[0053]将压坯装入石墨坩埚，放入真空烧结炉进行烧结，真空炉内真空度为1X10_4~9X 10_3Pa，在温度1400°C下进行液体烧结并保温0.5h后随炉冷却。
[0054]采用本方法制备的CuCr电触头材料中铬质量含量为40%，密度为8.0lg/cm3，硬度为 120HB,电导率 35.2% IACS0
[0055]实施例2
[0056]1、铜丝表面活化处 理
[0057]选取直径为Φ0.1mm的铜丝，放入浓度为3(^丨％的HCl溶液侵蚀lmin，取出后用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡5min，用脱脂棉擦拭干净，再用蒸馏水清洗，然后将铜丝缠在铝板上做为电解吸附铬处理的阴极；
[0058]2、电解吸附铬处理
[0059]电解液成份为:铬酐(CrO3) 260g/L,硫酸(H2SO4) 2.2g/L，铬雾抑制剂Ig ；阳极材料为铅锑板，阴极材料为缠在铝板上的铜丝，阳极与阴极面积比1:3 ;使用电阻式加热棒加热镀槽，保持电解液温度为30°C ;通入电流，保持阴极电流密度30A/dm2，电镀0.5h后，得到表面吸附铬的铜丝，吸附电解铬的铜丝中铬质量分数为15% ；
[0060]3、压坯成型
[0061]将表面吸附电解铬后的铜丝用机械加工法剪成小段，装入直径Φ40πιπι模具压制成压坯，压力为3t;
[0062]4、压坯烧结
[0063]将压坯装入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉进行烧结，真空炉内真空度为1X10_4~9X 10_3Pa，在温度1100°C下进行液体烧结并保温3h后随炉冷却。
[0064]采用本方法制备的CuCr电触头材料中铬质量含量为15%，密度为8.55g/cm3，硬度为 60.3HB,电导率 59.7% IACS。
[0065]实施例3
[0066]1、铜网表面活化处理
[0067]选取铜丝直径为Φ0.5mm的20目铜网，把铜网放入浓度为20被％的HCl溶液侵蚀3min，取出后用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡3min，取出后用脱脂棉擦拭干净，再用蒸馏水清洗，即可作为电解吸附铬处理的阴极；
[0068]2、电解吸附铬处理
[0069]电解液成份为:铬酐(CrO3) 250g/L,硫酸(H2SO4) 2.lg/L，铬雾抑制剂0.5g ；阳极材料为铅锡板，阴极材料为铜网，阳极与阴极面积比3:1 ;使用加热棒加热镀槽，保持电解液温度为45°C ;通入电流，保持阴极电流密度60A/dm2，电镀Ih后，得到表面吸附铬的铜网吸附电解铬的铜网中铬质量分数为35% ；
[0070]3、压坯成型[0071]将步骤2得到的铜网用机械加工法剪成直径为Φ20_圆片，叠加装入模具压制成压还，压力为30t ；
[0072]4、压坯烧结
[0073]将压坯装入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉进行烧结，真空炉内真空度为1X10_4~9X 10_3Pa，在温度1250°C下进行液体烧结并保温2h后随炉冷却。
[0074]采用本方法制备的CuCr合金中铬质量含量为35%，密度为8.lg/cm3,硬度为103HB,电导率 39.8% IACS0
[0075]实施例4
[0076]1、铜丝表面活化处理
[0077]选取直径为Φ Imm的铜丝，把铜丝放入浓度为15wt%的HCl溶液侵蚀4min，取出后用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡4min，取出后用脱脂棉擦拭干净，铜丝即可作为电解吸附铬处理的阴极；[0078]2、电解吸附铬处理
[0079]电解液成份为:铬酐(CrO3) 260g/L,硫酸(H2SO4) 2g/L，铬雾抑制剂0.2g ；阳极材料为铅板，阴极材料为铜丝，阳极与阴极面积比1:1 ;使用电阻式加热棒加热镀槽，由温度传感器实时监控电解液温度，保持电解液温度为60°c ;通入电流，保持阴极电流密度40A/dm2，电镀0.7h后，得到表面吸附铬的铜丝，吸附电解铬的铜丝中铬质量分数为33% ；
[0080]3、压坯成型
[0081]将步骤2得到的铜丝用机械加工法剪成小段，与步骤I中相同规格、相同长度的纯铜丝剪成相同长度小段后，混合均匀装入直径Φ60πιπι模具中压制成压坯，压力为150t ；
[0082]4、压坯烧结
[0083]将压坯装入石墨坩埚，放入真空烧结炉进行烧结，真空炉内真空度为1X10_4~9X 10_3Pa，在温度1300°C下进行液体烧结并保温Ih后随炉冷却。
[0084]采用本方法制备的CuCr合金中铬质量含量为20%，密度为8.40g/cm3,硬度为86HB,电导率 52.1% IACS0
[0085]实施例5
[0086]1、铜网表面活化处理
[0087]选取铜丝直径为ΦΙι?πι的100目铜网，把铜网放入浓度为25￥七％的HCl溶液侵蚀2min，取出后用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡4min，取出后用脱脂棉擦拭干净，再用蒸馏水清洗，即可作为电解吸附铬处理的阴极；
[0088]2、电解吸附铬处理
[0089]电解液成份为:铬酐(CrO3) 240g/L,硫酸(H2SO4) 2.lg/L,铬雾抑制剂0.3g ；阳极材料为铅锑板，阴极材料为铜网，阳极与阴极面积比1:2 ;使用加热棒加热镀槽，保持电解液温度为40°C ;通入电流，保持阴极电流密度60A/dm2，电镀1.5h后，得到表面吸附铬的铜网，吸附电解铬的铜丝中铬质量分数为50% ；
[0090]3、压坯成型
[0091]将步骤2得到的铜网用机械加工法剪成直径为Φ30πιπι圆片，装入模具压制成压坯,压力为IOOt ；
[0092]4、压坯烧结[0093]将压坯装入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉进行烧结，真空炉内真空度为1X10_4?9X 10_3Pa，在温度1300°C下进行液体烧结并保温1.5h后随炉冷却。
[0094]采用本方法制备的CuCr合金中铬质量含量为50%，密度为7.9g/cm3，硬度为132HB,电导率 29.8% IACS。
[0095]实施例6
[0096]1、铜丝表面活化处理
[0097]选取直径为Φ0.5mm的铜丝，放入浓度为30被％的HCl溶液侵蚀lmin，取出后用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡5min，用脱脂棉擦拭干净，再用蒸馏水清洗，然后将铜丝缠在铝板上做为电解吸附铬处理的阴极；
[0098]2、电解吸附铬处理
[0099]电解液成份为:铬酐(CrO3) 260g/L,硫酸(H2SO4) 2.2g/L，铬雾抑制剂0.5g ；阳极材料为铅锑板，阴极材料为缠在铝板上的铜丝，阳极与阴极面积比1:1;使用电阻式加热棒加热镀槽，保持电解液温度为40°c ;通入电流，保持阴极电流密度30A/dm2，电镀0.3h后，得到表面吸附铬的铜丝，吸附电解铬的铜丝中铬质量分数为10% ；
[0100]3、压坯成型
[0101]将表面吸附电解铬后的铜丝用机械加工法剪成小段，装入直径Φ30πιπι模具压制成压还，压力为40t ；
[0102]4、压坯烧结
[0103]将压坯装入氧化铝坩埚，放入真空烧结炉进行烧结，真空炉内真空度为1X10_4?9X 10_3Pa，在温度1100°C下进行液体烧结并保温3h后随炉冷却。
[0104]采用本方法制备的CuCr电触头材料中铬质量含量为10%，密度为8.6g/cm3，硬度为 58HB,电导率 81% IACS0
【权利要求】
1.一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)铜表面活化处理 将铜丝或铜网经去除表面的锈溃与氧化膜处理后，做为电解铬的阴极； (2)铜表面电解铬 电解铬的阳极材料为铅板、铅锑或者铅锡板，阳极与阴极面积比1:3~3:1，电解槽中加入电解液，保持槽中电解液温度30~60°C ;通入电流，保持阴极电流密度30~60A/dm2，电解0.5~2h后，得到吸附铬的铜丝或铜网； (3)压坯成型 压坯成型的方法采用以下两种方法中的一种: (3a)将电解吸附铬后的铜丝或铜网剪成小段或小块，装入模具压块制成压坯，压机压力为3~I5Ot ； (3b)将电解吸附铬后的铜丝或铜网剪成小段或小块，与表面未电解铬的铜丝或铜网剪成小段或小块，交替叠加装入模具压块制成压坯，压机压力为3~150t ； (4)烧结 将压坯装入坩埚放入真空烧结炉，真空炉内真空度为I X 10_4~9X 10_3Pa，在温度1100~1400°C下进行液体烧结并保温0.5~3h后随炉冷却，得到CuCr电触头材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)为:将铜丝去除表面的锈溃与氧化膜处理后，缠在铝板上做为电解铬的阴极。
3.根据权利要求1或2所述的一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的铜丝或步骤(3b)中所述的表面未电解铬的铜丝，规格为:纯度≥99.9%，直径范围0.1~1_。
4.根据权利要求1所述的一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的铜网或步骤(3b)中所述的表面未电解铬的铜网，规格为:目数20~200目，纯度≥99.9%，由直径为Φ0.1~Imm的铜丝编织。
5.根据权利要求1或2所述的一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)去除表面的锈溃与氧化膜的处理方法为:将铜丝或铜网放入浓度为10~30被％的此1溶液中侵蚀I~5min后，用蒸馏水洗净，再放入丙酮液中浸泡I~5min，再用脱脂棉擦拭干净，然后用蒸馏水清洗。
6.根据权利要求1所述的一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，步骤(2)所述的电解液，其成分为:铬酐240~260g/L，硫酸2~2.2g/L，铬雾抑制剂0.1 ~1g.
7.根据权利要求1所述的一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的坩埚为石墨坩埚或氧化铝坩埚。
8.根据权利要求1所述的一种铜表面电解铬烧结制备CuCr电触头材料的方法，其特征在于，所述步骤(4)得到的CuCr电触头材料为Cr质量含量为10~50%的CuCr合金。
【文档编号】H01H1/025GK103943382SQ201410171658
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】佟伟平, 杨旭, 王慧馨 申请人:东北大学, 辽宁金力源新材料有限公司