一种银氧化铜片状电触头及其制备方法
技术领域
本发明属于电工触头材料领域，具体是指一种银氧化铜片状电触头及其制备方法。
背景技术
低压电器行业中，目前应用最广泛的电接触材料为银基电接触材料，而其中银金属氧化物电接触材料由于具有优良的抗电弧侵蚀性、抗熔焊性和低而稳定的接触电阻等综合优势，在整个电触头材料体系中占有重要的地位。近年来，银金属氧化物电接触材料研究开发的一个重要内容就是研制能够替代传统触头材料银氧化镉的新材料，经过多年的研制，已经成功开发了银氧化锡、银氧化锌、银氧化铜等系列银金属氧化物电接触材料。其中前苏联开展了银氧化铜电接触材料的研究工作，已经应用在中等和重负荷低压配电设备上的接触器、磁性开关、继电器和控制器等方面。国内由研究表明，银氧化铜电接触材料应用于直流条件下时，具有优良的抗材料转移能力，目前该材料已经批量化应用于直流接触器领域。银氧化铜材料应用于较大电流等级的接触器领域时，通常都是加工成为片状触点的形式，与铜触桥焊接后装配。银氧化铜片状电触头与铜触桥焊接时，除了必须具备焊接银层外，还需要额外添加焊料或者焊膏，焊接过程复杂，焊接强度和焊接面积的一致性较差。
由于银金属氧化物电接触材料与焊料以及铜触桥之间的润湿性较差，所以在触头加工过程中需要在焊接面复合一层纯银层作为焊接银层，来提高触头与触桥之间的焊接强度和焊接面积。而采用的复合工艺通常为挤压复银或者热轧复银工艺，这在专利ZL03134913.7、ZL200710068786.0、ZL201310653584.4、ZL201410604339.2、ZL201910786745.8等都有详细说明。这种方法存在两种无法避免的缺陷，一方面是银金属氧化物片状电触头与铜触桥焊接时，除了必须具备焊接银层外，还需要额外添加焊料或者焊膏，焊接过程复杂，焊接强度和焊接面积的一致性较差；另外一个方面是挤压复银和热轧复银过程，都是两层不同材料通过固相扩散的方式复合，复合参数、变形量和两种不同材料(银金属氧化物和纯银)复合界面的清洁程度等都会影响复合强度，对制备过程的工艺控制要求很高，一旦出现不良不容易发现，在电接触过程中就会出现触点工作层从复合界面脱落的风险。
因此，如何提高银氧化铜片状电触头材料的焊接性能，提高银氧化铜片状电触头材料焊接层与工作层之间复合强度的可靠性，对于提高银氧化铜片状电触头材料电性能的一致性和稳定性，具有很重要的实际应用价值。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种银氧化铜片状电触头及其制备方法，该材料具有良好焊接性能的焊接层，且同时提升工作层和焊接层之间结合强度的可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是一种银氧化铜片状电触头的制备方法，包括以下步骤：
(1)将银氧化铜粉体通过冷等静压设备压制成银氧化铜锭子锭子，然后在空气气氛中烧结，烧结温度800～900℃，烧结时间4～8h；
(2)将经步骤(1)处理的银氧化铜锭子进行复压处理，获得致密化程度更高的银氧化铜锭子，复压保压时间10～30s；
(3)将经步骤(2)处理的银氧化铜锭子在氢气气氛中还原处理，获得表面包裹一层银铜合金层的银氧化铜复合锭子，还原温度400～700℃，还原时间1～4h，银铜合金层厚度为银氧化铜复合锭子直径的3％～5％；
(4)将经步骤(3)处理的银氧化铜复合锭子进行复压处理，去除银氧化铜复合锭子表面银铜合金层中的气孔，并使银铜合金层致密化，复压保压时间10～30s；
(5)银氧化铜复合锭子在惰性气体保护下700～800℃加热2～4h，然后采用反挤压设备挤压成两条银氧化铜/银铜复合带材；
(6)银氧化铜/银铜复合带材经过轧制、冲制和表面处理，制备成为工作层为银氧化铜、焊接层为银铜合金的片状触点
进一步设置是银氧化铜片状电触头包括以下组分，以质量百分比计：10％≤氧化铜≤15％，0％≤添加物≤2％，余量为银。其中添加物为NiO、SnO2、Bi2O3、ZnO、WO3中的一种或几种。
进一步设置是反挤压获得的银氧化铜/银铜带材，银铜合金层厚度为银氧化铜/银铜带材总厚度的10％～20％。
此外，本发明还提供一种如上述制备方法所制得的银氧化铜片状电触头。
本发明的创新原理如下：
本发明专利采用了还原后的银铜合金为焊接层的方案，银氧化铜片状电触头氧化铜含量范围10％≤氧化铜≤15％，经过还原处理后铜含量范围为8％≤铜≤12％，根据银-铜二元合金相图可知，AgCu8～AgCu12区间范围内的银铜合金熔点约860℃～900℃，基于以上数据，银氧化铜锭子还原温度和经还原处理后的锭子挤压前的加热温度选择850℃以下。银铜合金层的厚度通过控制还原温度和还原时间间接控制，经过还原处理的银氧化铜锭子结构如说明书附图1所示。经过还原处理的银氧化铜锭子反挤压过程采用刀模挤压成为两条带材，带材截面呈三面包覆银铜合金层的结构，具体如说明书附图2所示，由于银氧化铜材料中弥散强化相氧化铜与银基体之间的润湿性较差，材料塑性较差，采用三面包覆银铜合金层的结构可以有效解决轧制过程中带材边缘开裂的问题，提高材料利用率，冲制过程中带材两侧预留合理宽度的搭边，避免带材两侧包覆的银铜合金层带入成品中。制备成为银氧化铜/银铜双层结构的银氧化铜片状电触头，与铜触桥焊接过程中，不需要额外放置焊料或者焊膏，焊接温度控制在880℃～920℃，高于银铜合金层的熔点但是低于银的熔点，直接熔化部分银铜合金层，触点与触桥之间形成牢固的冶金结合。
与已知的制备工艺相比，本发明具有的优点和积极效果如下：
1、提高银氧化铜片状电触头工作层与焊接层之间结合强度的可靠性。常规的触头生产工艺中，工作层与焊接层之间都是两层材料通过加工后采用轧制复合工艺或者挤压复合工艺进行复合，在半成品加工过程中，复合界面容易粘附油和杂质等影响结合强度的异物，需要通过退火和清洗等过程进行去除，无法从根本上避免问题的产生，本发明专利采用了在银氧化铜锭子表面还原处理获得一层银铜合金层的方式，银氧化铜与银铜之间仍然是一个整体，复合界面上不会带入任何影响结合强度的污染物，可以提升工作层与焊接层之间结合强度的可靠性和一致性。
2、不需要额外放置焊料或者焊膏，提升焊接效率和焊接质量。传统的以纯银层作为焊接银层的银氧化铜片状电触头，焊接过程中需要额外放置焊料或者焊膏，焊接效率低，影响焊接强度的因素较多。本发明专利采用了银铜合金层替代焊接银层的方式，银铜合金层具有比银更低的熔点，焊接过程中银铜合金可以与铜触桥形成稳定的多元合金，同时由于直接熔化触点部分厚度的焊接层，这样就消除了触点平面度对焊接质量的影响。
3、材料加工性能优良，材料利用率高。与常规轧制复银生产工艺相比，本发明专利制备的银氧化铜带材，侧面和底面包裹银铜合金层，银铜合金层的塑性优于银氧化铜层，轧制过程中不会产生边缘裂纹，提高了材料利用率。与传统的包套反挤压复银生产工艺相比，本发明专利所制备的反挤压锭子银氧化铜层和银铜层是一种整体结构，挤压过程中不会产生银套破裂、银套错位等现象，而传统的包套反挤压复银用锭子，银氧化铜与银层之间在挤压前是两层，这两层是通过挤压过程中的高温和大变形量产生原子扩散而结合在一起，在挤压变形过程中，结合不紧密的区域容易残留空气，挤压带材容易出现银层起泡；由于银套与挤压筒内衬以及银套与银氧化铜锭子之间的摩擦力有差异，容易出现银套破裂和银套错位的现象，导致挤压板材出现银层夹杂氧化铜或者银氧化铜层夹杂纯银等缺陷，影响材料利用率。
4、本发明设计的工艺路线简单，加工流程短，适合大批量生产。与常规轧制复银生产工艺相比，取消了复银用银板的轧制、退火、清洗、热轧复合等过程，增加了锭子还原过程；与常规的反挤压复银相比，取消了银管制备、银管车削、锭子车削、银管和锭子表面处理等过程，同样只增加了锭子还原过程。在加工流程和工艺控制难度上，有明显的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明银氧化铜锭子还原处理后的结构示意图；
图2为本发明银氧化铜还原锭反挤压后的带材截面示意图；
图3为银-铜二元合金相图；
图4本发明工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例一：
a)将27.6kg银和2.4kg铜在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化，形成银铜合金熔液，采用高压水雾化设备制备成银铜合金粉末；
b)银铜合金粉末经烘干、过筛、粉体氧化，制备成银氧化铜粉末；
c)银氧化铜粉末采用冷等静压设备压制成银氧化铜锭子，压锭压力200MPa，保压时间30s，获得的锭子直径105mm；
d)银氧化铜锭子在空气气氛中烧结，烧结温度800℃，烧结时间8h；
e)银氧化铜锭子采用500T四柱液压机复压处理，保压时间30s；
f)银氧化铜锭子在氢气气氛中还原处理，还原温度400℃，还原时间4h，将银氧化铜锭子表面层还原处理为银铜合金层，其中银铜合金层厚度控制在银氧化铜锭子直径的3％～5％；
g)银氧化铜复合锭子采用500T四柱液压机复压处理，去除锭子表面银铜合金层中的气孔，并使银铜合金层致密化，保压时间30s；
h)银氧化铜复合锭子在氩气保护下700℃加热4h，然后采用反挤压设备挤压成两条银氧化铜复合带材，挤压出的银氧化铜带材底面和两个侧面包覆银铜合金层，其中银铜合金层厚度为挤压带材总厚度的10％～20％；
i)银氧化铜/银铜带材经过轧制、冲制、表面处理，制备成为工作层为银氧化铜(10)、焊接层为银铜(8)的片状电触头。
实施例二：
a)将21.75kg银、3kg铜、0.25kg添加物在中频熔炼炉的石墨坩埚中熔化，形成银铜合金熔液，采用高压水雾化设备制备成银铜合金粉末，其中添加物为NiO、SnO2、Bi2O3、ZnO、WO3中的一种或几种；
b)银铜合金粉末经烘干、过筛、粉体氧化，制备成银氧化铜粉末；
c)银氧化铜粉末采用冷等静压设备压制成银氧化铜锭子，压锭压力200MPa，保压时间60s，获得的锭子直径105mm；
d)银氧化铜锭子在空气气氛中烧结，烧结温度900℃，烧结时间4h；
e)银氧化铜锭子采用500T四柱液压机复压处理，保压时间20s；
f)银氧化铜锭子在氢气气氛中还原处理，还原温度700℃，还原时间1h，将银氧化铜锭子表面层还原处理为银铜合金层，其中银铜合金层厚度控制在银氧化铜锭子直径的3％～5％；
g)银氧化铜复合锭子采用500T四柱液压机复压处理，去除锭子表面银铜合金层中的气孔，并使银铜合金层致密化，保压时间20s；
h)银氧化铜复合锭子在氩气保护下800℃加热2h，然后采用反挤压设备挤压成两条银氧化铜复合带材，挤压出的银氧化铜带材底面和两个侧面包覆银铜合金层，其中银铜合金层厚度为挤压带材总厚度的10％～20％；
i)银氧化铜/银铜带材经过轧制、冲制、表面处理，制备成为工作层为银氧化铜(15)、焊接层为银铜(12)的片状电触头。
实施例三：
a)将21.75kg银粉、3.125kg氧化铜粉、0.125kg添加物粉在犁铲式混粉机中混合4h，其中银粉为-200目，氧化铜粉平均粒度1.5μm，添加物粉平均粒度1μm，其中添加物为NiO、SnO2、Bi2O3、ZnO、WO3中的一种或几种；
b)混合均匀的银氧化铜粉末采用冷等静压设备压制成银氧化铜锭子，压锭压力250MPa，保压时间40s，获得的锭子直径105mm；
c)银氧化铜锭子在空气气氛中烧结，烧结温度850℃，烧结时间6h；
d)银氧化铜锭子采用500T四柱液压机复压处理，保压时间10S；
e)银氧化铜锭子在氢气气氛中还原处理，还原温度550℃，还原时间2.5h，将银氧化铜锭子表面层还原处理为银铜合金层，其中银铜合金层厚度控制在银氧化铜锭子直径的3％～5％；
f)银氧化铜复合锭子采用500T四柱液压机复压处理，去除锭子表面银铜合金层中的气孔，并使银铜合金层致密化，保压时间10S；
g)银氧化铜复合锭子在氩气保护下750℃加热3h，然后采用反挤压设备挤压成两条银氧化铜复合带材，挤压出的银氧化铜带材底面和两个侧面包覆银铜合金层，其中银铜合金层厚度为挤压带材总厚度的10％～20％；
h)银氧化铜/银铜带材经过轧制、冲制、表面处理，制备成为工作层为银氧化铜(12.5)、焊接层为银铜(10)的片状电触头。
实施例四：
a)将21.8kg银在高压水雾化设备的石墨坩埚中熔化，将3kg氧化铜粉、0.2kg添加物粉装入喷粉装置，其中氧化铜粉平均粒度2μm，添加物粉平均粒度2μm；采用粉体制备-混粉一体化设备制备银氧化铜混合粉末；
b)银氧化铜混合粉末经过烘干和-200目筛分处理后，采用冷等静压设备压制成银氧化铜锭子，压锭压力250MPa，保压时间60s，获得的锭子直径105mm；
c)银氧化铜锭子在空气气氛中烧结，烧结温度880℃，烧结时间5h；
d)银氧化铜锭子采用500T四柱液压机复压处理，保压时间20s；
e)银氧化铜锭子在氢气气氛中还原处理，还原温度500℃，还原时间2h，将银氧化铜锭子表面层还原处理为银铜合金层，其中银铜合金层厚度控制在银氧化铜锭子直径的3％～5％；
f)银氧化铜复合锭子采用500T四柱液压机复压处理，去除锭子表面银铜合金层中的气孔，并使银铜合金层致密化，保压时间20s；
g)银氧化铜复合锭子在氩气保护下750℃加热4h，然后采用反挤压设备挤压成两条银氧化铜复合带材，挤压出的银氧化铜带材底面和两个侧面包覆银铜合金层，其中银铜合金层厚度为挤压带材总厚度的10％～20％；
银氧化铜/银铜带材经过轧制、冲制、表面处理，制备成为工作层为银氧化铜(15)、焊接层为银铜(12)的片状电触头。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
