CN105385884A - 一种电触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电触头材料，尤其涉及一种石墨烯增强铜基电触头复合材料，以及这种材料的制备方法。电触头材料由重量比为0.1-1.0%石墨烯和99.0-99.9%铜合金组成。其制备方法为：铜合金雾化、球磨混粉、一次成型、烧结、二次成型、烧结。本发明的电触头材料，在铜合金中添加石墨烯作为骨架，使材料具有高硬度、抗机械冲击性能与抗电弧烧蚀性能的同时，避免了导电性、导热性的降低。制备方法中，冷压成型烧结制备工艺，降低生产成本，适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种电触头材料及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯增强铜基电触头复合材料及其制备方法。
背景技术
真空触头材料是影响真空开关开断性能的重要因素，要求触头材料具有高导电率、高导热系数、高的机械强度及低的接触电阻。真空开关不需检修，触头需要最少耐受8-12次，多则30-50次的开合额定短路电流对触头的烧损，因此触头材料应具有良好的耐弧性、抗熔焊性。目前常用的铜铋合金具有良好的抗熔焊性、较低的载流值，一定的开断能力，但强度较低，电弧侵蚀大，降低了触头材料的寿命。
现有（公开号105063413A），公开了“一种铜基电触头材料及其制备工艺”，铜基触头材料包含以下重量百分比成份：0.2-0.6％的镁、0.05-0.3％的锑、0.05-0.4％的铋、0.05-0.3％的锡、0.05-0.3％的铬、0.005-0.05％的硼、0.02-0.1％的镧以及0.2-0.5％的石墨和余量的铜。通过加入适量的硼、锡、锑粉末，提高电触头制成品的强度和耐磨性，但一定程度上降低了材料导电性。
现有专利文献（公开号102385938A），公开了一种金属基石墨烯复合电接触材料及其制备方法,电接触材料包含0.02-10wt.%的石墨烯,其余为金属基体材料。由于石墨烯增强相的加入，使该复合电接触材料具有比其他增强相复合电接触材料更好的导电、导热性能和更高的硬度和耐磨性。但电触头材料性能具有进一步提升的空间。
发明内容
本发明提供了一种电触头材料，通过在铜合金材料中加入石墨烯增强体，在不降低其导电性、导热性的同时，提高铜合金的硬度、耐磨性和耐电弧侵蚀性。
此外本发明还提供了上述电触头材料的制备方法。
本发明为解决上述问题提出的技术方案：
一种电触头材料，其特征在于，由重量比为0.1-1.0%石墨烯和99.0-99.9%铜合金组成，铜合金的重量成分为0.15-0.5%的铋、0.1-3.0%的金属X、余量为铜，X选自锌、锡、铝、镍和银中一种或几种。
优选地，石墨烯为N层，N为1-10。
上述电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末。
（2）将石墨烯和铜合金装入球磨机球磨，制成石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。球磨机工作状态为：转速100-250r/min，球磨15-20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替运行，混粉时间为2-6小时。
（3）将步骤（2）混合后粉末放入模具中冷压一次成型，压力400-600MPa，保压时间3-5分钟。烧结，真空度为1.0*10-3-5.0*10-1Pa，烧结温度700-900℃，保温时间2-4小时。
（4）将坯件二次成型，压力为200-500MPa，保压时间3-5分钟。烧结，真空度为1.0*10-3-5.0*10-1Pa，烧结温度700-900℃，保温时间2-4小时，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
本发明的有益成果是：
（1）电触头材料，在铜合金中添加具有超高强度、硬度且具有化学稳定性的石墨烯增强体作为骨架，使材料具有高硬度、高耐磨性、抗机械冲击性能、抗电弧烧蚀性能的同时，具有较高导电性、导热性。
（2）制备方法中，铜合金雾化法制粉，避免了粉末冶金过程中合金元素分布不均，同时合金化元素的存在提高了触头材料耐磨、耐熔焊性。
（3）冷压成型烧结制备工艺，降低生产成本，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
实施例1
（1）将含有0.15%铋、0.1%锌、99.75%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。
（2）层数为1-5层的石墨烯与铜-0.15%铋-0.1%锌合金粉按0.1:99.9的重量比装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速100r/min，球磨混粉过程中，正向球磨15分钟，停止5分钟，逆时针球磨15分钟，停止5分钟，依此交替工作，球磨时间6小时，获得石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
（3）将混合后粉末放入模具中进行冷压成型，压力600MPa，保压时间3分钟。将冷压后块坯放入真空烧结炉（真空度：1.0*10-3Pa）中进行烧结，烧结温度700℃，保温时间4小时。
（4）将坯件二次成型，压力为200MPa，保压时间5分钟。在真空（真空度：1.0*10-3Pa）下烧结，烧结温度700℃，保温时间4小时，制备出石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
实施例2
（1）将含有0.5%铋、3.0%锌、96.5%铜的合金粉采用气体雾化法制成300目铜合金粉末。
（2）层数为1-10层的石墨烯与铜-0.5%铋-3.0%铝合金粉按0.2:99.8的重量比例装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速250r/min，球磨混粉过程中，正向球磨20分钟，停止5分钟，逆时针球磨20分钟，停止5分钟，依此交替工作，球磨时间2小时，获得石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
（3）将混合后粉末放入模具中进行冷压成型，压力400MPa，保压时间3分钟。将冷压后块坯放入真空烧结炉（真空度：5.0*10-1Pa）中烧结，烧结温度900℃，保温时间2小时。
（4）将坯件二次成型，压力500MPa，保压时间5分钟。在真空（真空度：5.0*10-1Pa）下烧结，烧结温度900℃，保温时间2小时，制备出石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
实施例3
（1）将含有0.4%铋、1.0%锌、98.6%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。
（2）将层数为1-10层的石墨烯与铜-0.4%铋-1.0%锌合金粉按0.2:99.8的重量比装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入惰性气体保护，转速200r/min，球磨混粉过程中，顺时针球磨20分钟，停止5分钟，逆时针球磨20分钟，停止5分钟，依此循环工作，总计混粉时间3h，获得石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
（3）将混合后粉末放入模具中进行冷压成型，压力400MPa，保压时间3分钟。将冷压后块坯放入真空烧结炉（真空度：1.0*10-1Pa）中进行烧结，烧结温度750℃，保温时间2小时。
（4）将坯件二次成型，压力为400MPa，保压时间5分钟。在真空（真空度：1.0*10-1Pa）下烧结，烧结温度750℃，保温时间2小时，制备出石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
实施例4
石墨烯与铜-0.2%铋-3.0%铝合金粉按0.5:99.5的重量比装入球磨机，其他条件同实施例3，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
实施例5
石墨烯与铜-0.2%铋-3.0%铝合金粉按1.0:99.0的重量比装入机械球磨机中,其他参数同实施例3，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
对比例1
石墨烯与铜按重量比0.2:99.8装入球磨机混粉，其它参数同实施例3，制成铜基的电触头复合材料。
对比例2
将铜-0.2%铋-3.0%铝装入球磨机混粉，其它参数同实施例3，制成铜基电触头材料。
制成的复合材料各项参数如下表：
实施例与对比例1相比，金属基体不同：实施例中铜基为铜合金，加入铋元素与其他金属元素，而对比例1仅为铜金属。制成的电触头材料，实施例的硬度显著提高，电导率变化不大。实施例与对比例2相比，添加石墨烯增强体，硬度、电阻率都显著提高。
Claims (8)
1.一种电触头材料，其特征在于，由重量比为0.1-1.0%石墨烯和99.0-99.9%铜合金组成，铜合金的重量成分为0.15-0.5%的铋、0.1-3.0%的金属X、余量为铜，X选自锌、锡、铝、镍和银中一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种电触头材料，其特征在于，石墨烯为N层，N为1-10。
3.一种权利要求1所述电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末；
（2）将石墨烯和铜合金装入球磨机球磨，制成石墨烯和铜合金均匀混合的粉末；
（3）将步骤（2）混合后粉末放入模具中冷压一次成型，烧结；
（4）将坯件二次成型，烧结，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中球磨机工作状态为：转速100-250r/min，球磨15-20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替运行，混粉时间为2-6小时。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中冷压一次成型，压力400-600MPa，保压时间3-5分钟。
6.根据权利要求3所述的一种电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）烧结过程中的真空度为1.0*10-3-5.0*10-1Pa，烧结温度700-900℃，保温时间2-4小时。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中二次成型，压力为200-500MPa，保压时间3-5分钟。
8.根据权利要求3所述的一种电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）烧结过程中的真空度为1.0*10-3-5.0*10-1Pa，烧结温度700-900℃，保温时间2-4小时。
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