CN105525131A - 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材料，以及这种材料的制备方法。电触头材料由重量为0.1-3.0wt.%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、熔炼、去应力退火、加工成型。本发明的电触头材料，在铜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。镀铜石墨烯以中间合金形式加入，工艺简单，有利于工业化生产。

Description

一种电触头材料及其制备方法
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％硼、0.02-0.1％镧以及0.2-0.5％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。石墨烯与金属基体的润湿性不好，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电触头材料，通过在铜合金材料中加入镀铜石墨烯增强体，在不降低其导电性、导热性的同时，提高现有铜合金的硬度、耐磨性和耐电弧侵蚀。
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，包括重量为0.1-3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0-99.9wt.%铜合金，铜合金的重量成分为0.15-0.5wt.%的铋、0.1-3.0wt.%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）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工艺参数为：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）将铜合金在中频炉熔炼。
（3）镀铜石墨烯加入铜合金熔体，制成复合材料。
（4）复合材料去应力退火，温度为200℃-350℃。
（5）退火后，塑性加工成型，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）这种电触头材料，在铜合金中添加石墨烯增强体作为骨架，具有高硬度、高耐磨性、抗机械冲击性能与抗电弧烧蚀性能，避免了铜合金导电性、导热性的降低。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。
（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。铜可作为铜基体的合金化元素，提高铜合金的耐腐蚀能力和抗熔焊性。此外，普通铸造工艺生产，镀铜石墨烯以中间合金形式加入，工艺简单，有利于工业化生产。
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1-5层）表面沉积金属铜制备成镀铜石墨烯。99.9%的铜靶材安装前先用细砂纸进行研磨去除表面氧化膜，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0.3*10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压0.8Pa，溅射功率120W，沉积时间为15min。
（2）将重量比0.2%铋、1.0%锌、98.8%铜的合金加入中频炉熔炼。
（3）将0.1wt.%镀铜石墨烯加入铜-0.2%铋-1.0%锌的合金熔体中，充分搅拌，制备出石墨烯增强铜基复合材料。
（4）石墨烯增强铜复合材料350℃下去应力退火。
（5）轧制，变形率90%，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
实施例2
0.2wt.%镀铜石墨烯加入到铜-0.15铋-3.0锌合金熔体中，其他参数同实例1，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
实施例3
0.5wt.%镀铜石墨烯加入到铜-0.5铋-0.1锌合金熔体中，其他参数同实例1，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
实施例4
（1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数1-10层）表面沉积金属铜制备成镀铜石墨烯.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0.1*10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压1.2Pa，溅射功率140W，沉积时间为10min。
（2）将重量比0.2%铋、1.0%镍、98.8%铜的合金加入中频炉熔炼。
（3）将0.5wt.%镀铜石墨烯加入铜合金熔体中，充分搅拌，制备出石墨烯增强铜基复合材料。
（4）石墨烯增强铜复合材料200℃下去应力退火。
（5）拉拔，变形率90%，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
实施例5
将3.0wt.%镀铜石墨烯加入铜-0.2%铋-1.0%锌合金熔体中，其他参数同实例4，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
对比例1
石墨烯与铜按重量比0.2:99.8，将石墨烯加入铜熔体熔炼，其他参数同实例1，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
对比例2
将铜-0.2%铋-3.0%铝熔炼，其它参数同实施例4，制成铜基电触头材料。
制成的复合材料各项参数如下表：
加入镀铜石墨烯制成石墨烯增强铜基电触头材料，与对比例2中未加入石墨烯的铜合金制成的电触头材料相比，电导率、硬度都明显提高，硬度可提高60%以上，电导率也显著提高。与对比例1中加入石墨烯的铜合金制成的电触头材料相比，电导率、硬度也都明显提高。

Claims (5)

1.一种电触头材料，其特征在于，包括重量为0.1-3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0-99.9wt.%铜合金，铜合金的重量成分为0.15-0.5wt.%的铋、0.1-3.0wt.%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）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）将铜合金在中频炉熔炼；
（3）镀铜石墨烯加入铜合金熔体，制成复合材料；
（4）复合材料去应力退火；
（5）退火后，塑性加工成型，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
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（1）中直流磁控溅射沉积设备的工艺参数为：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。
5.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）中，去应力退火温度为200℃-350℃。
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