CN105603247A - 一种石墨烯增强铜-稀土基电触头材料及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯增强铜-稀土基电触头材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石墨烯增强铜-稀土基电触头材料及其制备方法，电触头材料包括重量为0.1-3.0%的石墨烯和97.0-99.9%的铜-稀土合金，稀土占铜-稀土合金的重量比为0.05-3.0%。制备方法为：雾化制粉、球磨混粉、冷压成型、烧结、二次成型、烧结。本发明在铜合金中添加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、抗熔焊性。稀土的加入，提高铜合金电触头材料的抗氧化性和耐电弧烧损能力。

Description

一种石墨烯增强铜-稀土基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，尤其涉及一种石墨烯增强铜-稀土基电触头材料，以及上述材料的制备方法。
背景技术
电触头材料是仪器仪表的关键部件，对仪器仪表的寿命和工作可靠性起着重要的作用。铜基触头材料由于价格低廉、导电、导热性能与银相近，近年来已部分代替银基触头，大大减少贵金属银的损耗。但是，由于铜触头材料极易氧化，生成具有低电阻率的氧化铜和氧化亚铜，增大了触头元件的接触电阻，使其在使用过程中容易发热，导致触头材料的可靠性和使用寿命降低。
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。但因使用有毒有害的水合肼为还原剂，难以满足环保要求。
稀土在我国储量丰富，占世界稀土储量的80%，开发稀土元素添加的高品质有色合金是我国的独有优势。稀土元素比较活泼，添加到金属铜中，可以脱气除渣，细化晶粒，提高铜合金的耐腐蚀性能和耐磨损性能。
公开号为105140057A，公开了一种氮化物增强铜基电接触复合材料，其组成配方用重量百分数表示为：0.5-4%氮化钛或氮化铝，0.5-4%铋，0.1-0.6%稀土钇，0.5-2.5%氧化钇，其余为铜及其他不可避免的杂质。
公开号为105063413A，公开了一种铜基触头材料及制备工艺，铜基触头材料包含以下重量成份，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，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。
公开号为104282448A，公开了一种耐电弧烧蚀铜基电接触复合材料，成分如下：0.5-6%锌，0.5-2.5%氧化钇，0.04-1%富铈混合稀土，0.5-5%碳化硼，其余为铜粉。
上述三项专利都通过稀土或者稀土氧化物的添加来提高铜合金的耐蚀性、抗氧化性，但同时由于陶瓷颗粒、钼或铬等低导电性的材料添加，在一定程度上降低了铜触头材料的导电、导热性能，因此难以获得综合性能优异的铜基触头材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电性能好、接触电阻低且稳定、抗熔焊性能佳、硬度高及易制备的石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
本发明的另一目的在于提供上述材料的制备方法。
本发明是通过下面的技术方案来实现的。
一种石墨烯增强铜-稀土基电触头材料，其特征在于，包括重量为0.1-3.0%的石墨烯和97.0-99.9%的铜-稀土合金，稀土占铜-稀土合金的重量比为0.05-3.0%。
优选地，所述石墨烯为N层，N为1-10。
优选地，所述稀土为镧、铈、钇、镨和钕中的一种或几种。添加的稀土可以为富镧混合稀土金属或富铈混合稀土金属。富镧混合稀土金属中，镧占稀土总量的40％～45％，含铈、镨、钕分别低于5％、11％～13％和33％～37％。富铈混合稀土金属中，铈占稀土总量的50％～60％，含镧18％～28％、镨4％～6％和钕12％～20％。
所述的电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将铜-稀土合金采用雾化法制成200-300目合金粉末；
（2）将石墨烯与合金粉末装入球磨机混粉，制成混合均匀的粉末；
（3）将步骤（2）混合均匀的粉末放入模具中冷压成型，烧结；
（4）二次成型，烧结，制成石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
优选地，所述步骤（1）中雾化法选自气体雾化法、离心雾化法和超声雾化法中的一种。
优选地，所述步骤（2）中球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速100-250r/min，球磨10-15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间2-6h。为防止铜的氧化，球磨前球磨罐需抽真空，并通入氩气保护。在本发明的球磨参数范围内，可很好的控制石墨烯与金属合金混合粉末的分布状态。
优选地，步骤（3）中所述冷压成型压力为400-600MPa，保压时间3-5分钟，冷压成型件在氩气或氢气保护下烧结，真空度1.0*10-3-5.0*10-1Pa，烧结温度700-900℃，保温时间2-4小时。
优选地，所述步骤（4）中二次成型压力为200-500MPa，保压时间3-5分钟，二次成型件在氩气或氢气保护下烧结，真空度1.0*10-3-5.0*10-1Pa，烧结温度700-900℃，保温时间2-4小时。
本发明的有益成果是：
（1）本发明在铜合金中添加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。
（2）稀土的加入，提高铜合金电触头材料的抗氧化性和耐电弧烧损能力。
（3）采用雾化法制备铜-稀土合金粉，可以使稀土合金在铜基体中均匀分布，同时雾化过程中冷速较快，可以细化晶粒组织。
（4）复压复烧制备的铜-稀土基复合材料致密度高，有利于获得综合性能好的材料。
（5）冷压成型烧结制备工艺简单，生产成本低，适合大规模批量生产。
具体实施方式
实施例1
（1）将铜-稀土合金采用离心雾化法制成200目合金粉末，铜-稀土中的稀土为富铈混合稀土金属，重量含量为铜-稀土合金的0.05%。
（2）将石墨烯与合金粉末按重量比0.1:99.9装入球磨机混粉，制成混合均匀的粉末。石墨烯为1-10层。球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速100r/min，球磨15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间6h。
（3）将步骤（2）混合的粉末放入模具中冷压成型，压力为400MPa，保压时间5分钟，冷压成型件在氩气保护下烧结，真空度1.0*10-3Pa，烧结温度900℃，保温时间2小时。
（4）坯料二次成型，压力为200MPa，保压时间5分钟，二次成型件在氩气保护下烧结，真空度1.0*10-3Pa，烧结温度900℃，保温时间2小时，制成石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
实施例2
（1）将铜-稀土合金采用超声雾化法制成300目合金粉末，铜-稀土中的稀土为富镧混合稀土金属，重量含量为铜-稀土合金的0.5%。
（2）将石墨烯与合金粉末按重量比3.0：97.0装入球磨机混粉，制成混合均匀的粉末。石墨烯为1-10层。球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速250r/min，球磨10分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间2h。
（3）将步骤（2）混合的粉末放入模具中冷压成型，压力为600MPa，保压时间3分钟，冷压成型件在氢气保护下烧结，真空度5.0*10-1Pa，烧结温度700℃，保温时间4小时。
（4）坯料二次成型，压力为500MPa，保压时间3分钟，二次成型件在氢气保护下烧结，真空度5.0*10-1Pa，烧结温度700℃，保温时间4小时，制成石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
实施例3
（1）将铜-稀土合金采用气体雾化法制成200目合金粉末，稀土为富铈混合稀土金属，重量含量为的铜-稀土合金3.0%。
（2）将石墨烯与合金粉末按重量比2:98装入球磨机混粉，制成混合均匀的粉末。石墨烯为1-10层。球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速200r/min，球磨15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间2h。
（3）将步骤（2）混合的粉末放入模具中冷压成型，压力为500MPa，保压时间3分钟，冷压成型件在氩气保护下烧结，真空度1.0*10-1Pa，烧结温度750℃，保温时间2小时。
（4）坯料二次成型，压力为500MPa，保压时间3分钟，二次成型件在氩气保护下烧结，真空度1.0*10-3Pa，烧结温度750℃，保温时间2小时，制成石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
实施例4
将富铈混合稀土金属重量含量为1.0%的铜-稀土合金采用气体雾化法制成200目合金粉末，石墨烯与合金粉末重量比为0.5:99.5，其他条件参数同实施例3，制成石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
实施例5
将富铈混合稀土金属重量含量为0.3%的铜-稀土合金采用气体雾化法制成200目合金粉末，石墨烯与合金粉末重量比为1.0:99.0，其他条件参数同实施例3，制成石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
对比例1
将1.0wt%石墨烯添加到纯铜中，其他条件同实施例3，制成石墨烯增强铜基电触头材料。
对比例2
未添加石墨烯，将富铈混合稀土重量含量为1.0%的铜-稀土合金制成铜-稀土基电触头材料。制备工艺同实施例3。
制成的复合材料各项参数如下表：
实施例中，加入石墨烯制成的石墨烯增强铜-稀土基电触头材料，与对比例1中的只加入石墨烯，未加入稀土制成的电触头材料相比，硬度显著提高；与对比例2中只加入稀土，未加入石墨烯制成的电触头材料相比，硬度明显提高，电导率也有一定的提高。
本发明通过添加石墨烯提高电触头的硬度、电导率及耐电弧烧蚀性，通过添加稀土金属大大提高了电触头材料的抗氧化性，得到综合性能良好的电触头材料。

Claims (8)

1.一种石墨烯增强铜-稀土基电触头材料，其特征在于，包括重量为0.1-3.0%的石墨烯和97.0-99.9%的铜-稀土合金，稀土占铜-稀土合金的重量比为0.05-3.0%。
2.根据权利要求1所述的电触头材料，其特征在于，所述石墨烯为N层，N为1-10。
3.根据权利要求1所述的电触头材料，其特征在于，所述稀土为镧、铈、钇、镨和钕中的一种或几种。
4.一种权利要求1所述的电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将铜-稀土合金采用雾化法制成200-300目合金粉末；
（2）将石墨烯与合金粉末装入球磨机混粉，制成混合均匀的粉末；
（3）将步骤（2）混合均匀的粉末放入模具中冷压成型，烧结；
（4）坯料二次成型，烧结，制成石墨烯增强铜-稀土基电触头材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中雾化法选自气体雾化法、离心雾化法和超声雾化法中的一种。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速100-250r/min，球磨10-15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间2-6h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述冷压成型压力为400-600MPa，保压时间3-5分钟，冷压成型件在真空、氩气或氢气保护下烧结，真空度1.0*10-3-5.0*10-1Pa，烧结温度700-900℃，保温时间2-4小时。
8.根据权利要求4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，冷压成型件在真空、氩气或氢气保护下烧结，真空度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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