CN107475553A - 一种高硬度、高电导率Cu‑Zr‑Cr‑CNT材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高硬度、高电导率Cu‑Zr‑Cr‑CNT铜合金材料及其制备方法，其特征在于：它的制备原料为Cu粉、Zr粉、Cr粉和碳纳米管粉；制备方法为依次将碳纳米管粉、Cr粉、Zr粉和Cu粉混合均匀后进行高能球磨，然后进行粉末压制，最后在石墨粉的保护下烧结，得到高硬度、高电导率铜合金材料。本发明提供的铜合金材料成分均匀、硬度高和电导率高，在电接触领域具有广泛的应用前景。

Description

一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种粉末材料技术，具体地说是一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT材料及其制备方法。

背景技术

铜及铜合金具有优异的导电、导热性，良好的强度，耐疲劳性能，杰出的耐腐蚀性，因而得到了广泛的应用。随着现代工业的发展，许多领域对铜及铜合金材料的综合性能提出了更高的要求。含Cr、Zr元素的铜合金既能提高纯铜的强度，又具有纯铜的高导电导热性，因而一直备受有关行业的青睐。

碳纳米管是一种具有潜力的增强体。已有研究表明，应用碳纳米管制备复合材料，其力学性能和电性能均得到不同程度的提高。与常规碳纤维相比，碳纳米管具有很高的弹性模量、抗弯曲和抗断裂强度及良好的韧性。碳纳米管多种优越的物理化学特性，使它有可能成为功能突出的复合材料增强相物质，可作为金属的增强材料来提高金属的强度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性。铜基电接触材料目前不能在电器中得到广泛应用的主要原因是铜基体表面易氧化，使材料表面电阻率增大，温升增加，材料的电接触性能和抗熔焊性能大大降低，影响材料的正常使用。将纳米碳管加入复合材料基体中，利用其优异的力学性能、导电性能及其独特的纤维结构提高触头材料的综合性能。

碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

高压电器用电触头大都是由含80%~90%白银的复合材料制成，银资源的25%~30%被用于制造电工和电子仪器所需要的触头元器件。有限的贵金属资源经过多年的开采和应用，目前正日趋贫乏，价格逐年上升，为了从根本上解决银资源大量消耗的问题，降低使用成本，开发廉价金属电接触材料势在必行。

现有的技术方法制备的铜基合金的强度和导电性都很难满足现代工业发展对高性能铜合金的需求。因而，如何突破原有技术的限制，找到更好的制备方法来提高铜合金的性能，是铜合金材料的重要发展方向，也是本领域前沿学者一直致力研究的主要问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有的铜合金材料整体性能不高的问题，发明一种采用“高能球磨-粉末压制-烧结”制备高硬度、高电导率铜合金材料的方法。通过向铜基体中加入微量元素并采用粉末冶金方法制备了新型铜基电接触材料，有望具备高硬度及高电导率等特性。

本发明的技术方案之一是：

一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT铜合金材料，其特征在于制备的高硬度、高电导率铜合金粉末的组分是以质量百分比计算，其中，Zr粉：0.1~0.5wt.%，Cr粉：0.35~0.65wt.%，CNT粉：0~1wt.%，其余为Cu粉，粉体的质量百分比之和为100%。

本发明的技术方案之二是：

一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT铜合金材料的制备方法，其特征是它主要包括以下步骤：

（1）高能球磨：按成份先配制Cu、Zr、Cr和碳纳米管粉的混合粉末，放入球磨罐，置于球磨机内以一定球磨参数球磨。

（2）粉末压制：将步骤（1）制备的混合粉末进行称量，倒入模具中，在锻压机上进行挤压成型，得到压块。

（3）烧结工艺：将步骤（2）压制成型的压块用石墨粉进行覆盖放入热处理炉中进行烧结，以防高温氧化。

所述的配置混合粉末为：依次称量碳纳米管粉、Cr粉、Zr粉和Cu粉放入烧杯中，每次加入一种粉末都要混合均匀。

所述的高能球磨的球磨工艺为：球料比（3~6）:1，200~400 r/min球磨至少24 h，球磨60min停机10±5min。

所述的烧结工艺是400℃×2h＋600℃×2h＋750℃×2h＋900℃×2h＋950℃×5h，每个阶段升温时间控制在１ｈ左右，以缓慢升温，内部充分融合，然后随炉冷却。

本发明的有益效果是：

（1）本发明创新性地提出一种高能球磨制备高硬度、高电导率铜合金材料的制备工艺，通过高能球磨使Cu，Zr和Cr粉机械合金化，并通过添加碳纳米管粉，有望制备高硬度、高电导率铜合金粉末材料，为铜合金粉末材料提供了一种可工业化生产的制备方法。

（2）本发明制备的铜合金材料硬度HV≥115，导电率≥80%IACS。

（3）本发明CNT的加入凭借其优异的力学性能、导电性能及其独特的纤维结构有望提高合金材料的综合性能。

（4）本发明不仅适用于Cu-Zr-Cr-CNT系铜合金材料的制备，还适用于各种型号铜合金材料的制备，方法操作简单，易实现，经济性优良，为铜合金材料的发明提供了更多的信息和理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例中Cu-0.1Zr-0.5Cr材料的SEM形貌图和EDS分析。

图2是本发明实施例中Cu-0.1Zr-0.5Cr-0.5CNT材料的SEM形貌图和EDS分析。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不仅限于实施例。

实施例1。

如图1所示。

一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr铜合金材料：Cu-0.1Zr-0.5Cr由以下方法制备而成：

首先，配制40 g的Cu，Zr和Cr粉末的混合粉末，其中Cu粉99.4wt.%（39.76 g），Zr粉0.1wt.%（0.04 g），Cr粉0.5wt.%（0.2 g），将混合粉末置于烧杯中搅拌均匀；

其次，按照球料比4:1先称量160 g玛瑙球置于500 ml尼龙球磨罐中，再将称量并混合均匀的混合粉末置于尼龙球磨罐中，加盖密封；

然后，将球磨罐安装在行星球磨机上，开始球磨，球磨参数设置为250 r/min，球磨60min停机10 min，球磨时间为24 h，球磨结束后，打开罐盖，取出球磨罐中的粉料。

接着，按照单个质量10g进行称量，倒入模具中，在锻压机上进行挤压成型，得到4个压块。

最后，将4个压块用石墨粉进行覆盖放入热处理炉中，以防高温氧化，烧结工艺是400℃×2h＋600℃×2h＋750℃×2h＋900℃×2h＋950℃×5h，每个阶段升温时间控制在１ｈ左右，然后随炉冷却。

采用上述步骤制得的Cu-0.1Zr-0.5Cr合金材料机械合金化现象明显，图1为本实施例烧结后所得的Cu-0.5Zr-0.5Cr材料的SEM和EDS图，SEM-EDS分析表明，机械合金化材料的成分与设计成分接近，采用高能球磨实现了元素的机械合金化。材料的硬度为117.7HV，导电率为46.3（80.10%IACS），均比其它铜合金的硬度和导电率提高不少，是一种高硬度、高电导率的铜合金材料。

实施例2。

如图2所示。

一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT铜合金材料：Cu-0.1Zr-0.5Cr-0.5CNT由以下方法制备而成：

本实施例与实施例1类同，不同之处在于又添加碳纳米管粉末，CNT粉的质量分数为0.5wt.%（0.2 g），相应地Cu粉的质量分数由99.4wt.%（39.76 g）降低至98.9wt.%（39.56g）。

采用上述步骤制得的Cu-0.1Zr-0.5Cr-0.5CNT材料机械合金化现象明显，图2为本实施例烧结后所得的Cu-0.1Zr-0.5Cr-0.5CNT材料的SEM和EDS图，SEM-EDS分析表明，机械合金化材料成分与设计成分接近，采用高能球磨实现了元素的机械合金化。材料的硬度为109.9HV，导电率为44.5（76.98%IACS），有望制造出综合性能良好的铜基合金。

实施例三。

一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT铜合金材料：Cu-0.5Zr-0.35Cr-1CNT，它由以下方法制备而成：

首先，配制40 g的Cu，Zr，Cr和碳纳米管粉末的混合粉末计，其中Cu粉98.15wt.%（39.26g），Zr粉0.5wt.%（0.2 g），Cr粉0.35wt.%（0.14 g），CNT粉1wt.%（0.4 g），先将0.4 gCNT粉加入39.26 g铜粉中混合均后，再加入0.14 g Cr粉混合均匀后再加入0.2 g Zr粉，混合均匀后置于烧杯中；

其次，按照球料比3:1先称量120 g玛瑙球置于500 ml尼龙球磨罐中，再将称量并混合均匀的混合粉末置于尼龙球磨罐中，加盖密封；

然后，将球磨罐安装在行星球磨机上，开始球磨，球磨参数设置为200 r/min，球磨60min停机5 min，球磨时间为24 h，球磨结束后，打开罐盖，取出球磨罐中的粉料。

接着，按照单个质量10g进行称量，倒入模具中，在锻压机上进行挤压成型，得到4个压块。

最后，将4个压块用石墨粉进行覆盖放入热处理炉中，以防高温氧化，烧结工艺是400℃×2h＋600℃×2h＋750℃×2h＋900℃×2h＋950℃×5h，每个阶段升温时间控制在１ｈ左右，然后随炉冷却。

采用上述步骤制得的Cu-0.5Zr-0.35Cr-1CNT合金材料机械合金化现象明显，烧结后所得的SEM和EDS图与图2相近似，SEM-EDS分析表明，机械合金化材料的成分与设计成分接近，采用高能球磨实现了元素的机械合金化。材料的硬度为117.6HV，导电率为46.2（80.10%IACS），均比其它铜合金的硬度和导电率提高不少，是一种高硬度、高电导率的铜合金材料。

实施例四。

一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT铜合金材料：Cu-0.25Zr-0.65Cr-0.4CNT，它由以下方法制备而成：

首先，配制40 g的Cu，Zr，Cr和碳纳米管粉末的混合粉末计，其中Cu粉98.7wt.%（39.48g），Zr粉0.25wt.%（0.1 g），Cr粉0.65wt.%（0.26 g），CNT粉0.4wt.%（0.16 g），先将0.16gCNT粉加入39.48 g铜粉中混合均后，再加入0.26 g Cr粉混合均匀后再加入0.1 g Zr粉，混合均匀后置于烧杯中；

其次，按照球料比6:1先称量240 g玛瑙球置于500 ml尼龙球磨罐中，再将称量并混合均匀的混合粉末置于尼龙球磨罐中，加盖密封；

然后，将球磨罐安装在行星球磨机上，开始球磨，球磨参数设置为400 r/min，球磨60min停机15 min，球磨时间为25 h，球磨结束后，打开罐盖，取出球磨罐中的粉料。

接着，按照单个质量10g进行称量，倒入模具中，在锻压机上进行挤压成型，得到4个压块。

最后，将4个压块用石墨粉进行覆盖放入热处理炉中，以防高温氧化，烧结工艺是400℃×2h＋600℃×2h＋750℃×2h＋900℃×2h＋950℃×5h，每个阶段升温时间控制在１ｈ左右，然后随炉冷却。

采用上述步骤制得的Cu-0.25Zr-0.65Cr-0.4CNT合金材料机械合金化现象同样很明显，烧结后所得的SEM和EDS图与图2相近似，SEM-EDS分析表明，机械合金化材料的成分与设计成分接近，采用高能球磨实现了元素的机械合金化。材料的硬度为117.1HV，导电率为46.7（80.10%IACS），均比其它铜合金的硬度和导电率提高不少，是一种高硬度、高电导率的铜合金材料。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT材料，其特征是它由Cu粉、Zr粉、Cr粉和碳纳米管粉制备而成；各组份的质量百分比为，Zr粉：0.1~0.5wt.%，Cr粉：0.35~0.65wt.%，碳纳米管粉：0~1wt.%，其余为Cu粉，各组份的质量百分比之和为100%。

2.一种权利要求1所述的高硬度、高电导率Cu-Zr-Cr-CNT材料的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

高能球磨：按成份先配制Cu、Zr、Cr和碳纳米管粉的混合粉末，放入球磨罐，置于球磨机内以一定球磨参数球磨；

粉末压制：将合金粉末进行称量，倒入模具中，在锻压机上进行挤压成型，得到压块；

烧结工艺：将压块用石墨粉进行覆盖以防高温氧化，然后放入热处理炉中进行烧结。

3.如权利要求2所述制备方法，其特征是所述配置混合粉末时，依次称量碳纳米管粉、Cr粉、Zr粉和Cu粉放入烧杯中，每次加入一种粉末都要混合均匀。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所述的高能球磨的工艺参数为：球料比（3~6）:1，200~400 r/min球磨至少24 h，每球磨60min停机10±5 min。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征是所述的烧结工艺是400℃×2h＋600℃×2h＋750℃×2h＋900℃×2h＋950℃×5h，每个阶段升温时间为1ｈ，然后随炉冷却。