CN105525130B - 一种铜铬电触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜铬电触头材料,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。电触头材料由重量为0.2‑3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0‑99.9wt.%铜合金组成。其制备方法为:石墨烯镀铜、铜合金制粉、球磨混粉、致密化处理、真空电弧熔炼。本发明的铜铬电触头材料,在铜铬合金中添加镀铜石墨烯作为骨架,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。真空电弧熔炼,熔炼时间短,避免了石墨烯颗粒的偏聚,有效避免铜基体氧化。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜铬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
目前,铜-铬合金具有抗电弧烧蚀性、抗熔焊性能及好的分段电流能力,已成为中压(5-38kV)大电流开关的首选触头材料。铜铬合金中第二相铬粒子的平均尺寸细化,使铜铬合金获得更高的电接触性能,如截断电流减小,绝缘强度增高,抗熔焊性进一步增强。
对于CuCr合金细化,公开号为CN104946915A,采用甩带法或水冷旋转雾化法制备细晶CuCr合金,球磨后再冷压烧结制成合金。公开号为CN104889401A,公布了一种采用真空自耗电弧熔炼工艺制备CuCr25电触头的方法。两项专利探讨了通过制备工艺细化铬晶粒,获得高性能的CuCr合金触头材料。目前,电触头材料性能具有进一步提升的空间。
发明内容
本发明目的在于提供一种铜铬电触头材料,镀铜石墨烯作为第二相添加到铜铬合金组织中,提高CuCr合金耐磨性、绝缘强度和抗熔焊性,降低截断电流,同时提高导电、导热性。
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:
一种铜铬电触头材料,其特征在于,一种电触头材料,其特征在于,由括重量比为0.2-3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0-99.8wt.%铜合金组成,铜合金的重量成分为10-30wt.%的铬、0.2-2.0wt.%的X、余量为铜,X选自锑、铋、碲中一种或几种。
优选地,石墨烯为N层,N为1-10。
上述铜铬电触头材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)采用直流磁控溅射法将金属铜沉积在石墨烯表面,制成镀铜石墨烯。直流磁控溅射沉积设备的具体工艺为:真空度达到0.1*10-3-1.0*10-3Pa时,通入高纯氩气,真空室气压0.5-1.2Pa,溅射功率100-150W,沉积时间为5-30min,优选10-30min。
(2)铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末。
(3)镀铜石墨烯和铜合金装入球磨机混粉,制成镀铜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。
(4)将步骤(3)混合后的粉末放入模具中进行致密化处理。
(5)真空电弧熔炼,熔炼工艺:真空度1.0*10-3 -3.0*10-3Pa,工作气体为氩气,工作气压为0.01-0.1Pa,熔炼时间1-2分钟,制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
本发明的有益成果是:
(1)这种铜铬电触头材料,石墨烯作为第二相添加,可细化晶粒,抑制晶粒长大,提高耐磨性,抗熔焊性进一步增强。此外,镀铜石墨烯改善了石墨烯与金属间的界面结合力,获得良好界面结合,解决了石墨烯与基体间界面润湿的问题,使复合材料导电性、导热性能、抗电弧侵蚀性进一步提高。
(2)电触头的制备方法,采用直流磁控溅射法在石墨烯表面沉积铜,形成的结构,减少石墨烯作为纳米颗粒在混粉过程中的团聚。真空电弧熔炼,熔炼时间短,避免了石墨烯颗粒的偏聚,有效避免铜基体氧化。
具体实施方式
实施例1
(1)采用直流磁控溅射法在石墨烯(层数为1-10层)表面沉积金属铜制备成镀铜石墨烯。纯度为99.99%的铜靶安装前先用细砂纸进行打磨去除表面氧化膜,再用丙酮清洗,烘干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射,去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质,保证后续石墨烯表面沉积铜膜的纯度。溅射参数如下:真空度达到0.1*10-3Pa时,通入高纯氩气,真空室气压0.5Pa,溅射功率100W,沉积时间为30min。
(2)将含有10%铬、0.2%锑、89.8%铜的合金粉采用气体雾化法制成300目铜合金粉末。
(3)镀铜石墨烯与铜-10%铬-0.2%锑合金粉按0.2:99.8的重量比装入球磨机中,球磨罐先抽真空再通入氩气保护,转速100r/min,球磨混粉过程中,顺时针球磨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,获得镀铜石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
(4)将混合后粉末放入模具中进行致密化处理,压力400MPa。
(5)制成的块坯放入真空电弧熔炼,真空度1.0*10-3Pa,工作气体为高纯氩气,工作气压为0.01Pa,熔炼时间2分钟,制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
实施例2
(1)采用直流磁控溅射法在石墨烯(层数为1-10层)表面沉积金属铜制备成镀铜石墨烯。纯度为99.99%的铜靶安装前先用细砂纸进行打磨去除表面氧化膜,再用丙酮清洗,烘干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射,去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质,保证后续石墨烯表面沉积铜膜的纯度。溅射参数如下:真空度达到1.0*10-3Pa时,通入高纯氩气,真空室气压1.2Pa,溅射功率150W,沉积时间为10min。
(2)将含有30%铬、2.0%锑、68%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。
(3)镀铜石墨烯与铜-30%铬-2.0%锑的合金粉按3.0:97.0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,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,依此交替工作,球磨时间2小时,获得镀铜石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
(4)将混合后粉末放入模具中进行致密化处理,压力300MPa。
(5)制成的块坯放入真空电弧熔炼,真空度1.0*10-3Pa,工作气体为高纯氩气,工作气压为0.1Pa,熔炼时间1分钟,制备出石墨烯增强铜基电触头复合材料。
实施例3
(1)采用直流磁控溅射法在石墨烯(层数为1-10层)表面沉积金属铜制备成镀铜石墨烯。纯度为99.99%的靶材安装前先用细砂纸进行打磨去除表面氧化膜,再用丙酮清洗,烘干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射,去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质,保证后续石墨烯表面沉积铜膜的纯度。溅射参数如下:真空度达到0.2*10-3Pa时,通入高纯氩气,真空室气压1.0Pa,溅射功率140W,沉积时间为5min。
(2)将含有20%铬、0.2%锑、79.8%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。
(3)将镀铜石墨烯:铜-20%铬-0.2%锑的合金粉按1.0:99.0的重量比例装入球磨机中,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,获得镀铜石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
(4)将混合后粉末放入模具中进行致密化处理,压力300MPa。
(5)制成的块坯放入真空电弧熔炼,真空度1.0*10-3Pa,工作气体为高纯氩气,工作气压为0.05Pa,熔炼时间1分钟,制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
实施例4
镀铜石墨烯:铜-25%铬-0.5%锑的合金粉按0.5:99.5的重量比例装入球磨机,其他条件同实施例3,制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
实施例5
镀铜石墨烯:铜-25%铬-0.5%锑的合金粉按1.0:99.0的重量比例装入球磨机中,其他参数同实施例3,制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
对比例1
未添加镀铜石墨烯的铜-20%铬-0.2%锑的合金粉装入球磨机混粉,其它参数同实施例3,制成铜铬电触头材料。
对比例2
添加2.0wt.%石墨烯的铜粉装入球磨机混粉,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:
加入镀铜石墨烯的制成石墨烯增强铜基电触头材料,与对比例1中的铜合金制成的铜铬电触头材料相比,硬度明显提高,电导率也有一定的提高;与对比例2中加入石墨烯的铜相比,硬度明显提高,电导率也有一定的下降,综合性能良好。
Claims (6)
1.一种铜铬电触头材料的制备方法,其特征在于,电触头材料,由重量比为0.2-3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0-99.8wt.%铜合金组成,铜合金的重量成分为10-30wt.%的铬、0.2-2.0wt.%的X、余量为铜,X选自锑、铋、碲中一种或几种;
制备方法包括以下步骤:
(1)采用直流磁控溅射法将金属铜沉积在石墨烯表面,制成镀铜石墨烯;
(2)铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末;
(3)镀铜石墨烯和铜合金装入球磨机混粉,制成镀铜石墨烯和铜合金均匀混合的粉末;
(4)将步骤(3)混合后的粉末放入模具中进行致密化处理;
(5)真空电弧熔炼,制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜铬电触头材料的制备方法,其特征在于,石墨烯为N层,N为1-10。
3.根据权利要求1所述的一种铜铬电触头材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中直流磁控溅射沉积设备的具体工艺为:真空度达到0.1*10-3-1.0*10-3Pa时,通入高纯氩气,真空室气压0.5-1.2Pa,溅射功率100-150W,沉积时间为5-30min。
4.根据权利要求1所述的一种铜铬电触头材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中直流磁控溅射沉积时间为10-30min。
5.根据权利要求1所述的一种铜铬电触头材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)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。
6.根据权利要求1所述的一种铜铬电触头材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(5)中熔炼工艺:真空度1.0*10-3 -3.0*10-3Pa,工作气体为氩气,工作气压为0.01-0.1Pa,熔炼时间1-2分钟。
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