CN108149059A - 一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法 - Google Patents

一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,该制备方法包括原料准备、碳源制备、粉末压块与烧结和TiC自生反应合成等步骤。本发明具有制备工艺简单稳定、成本低、效率高、适合工业化生产和应用等特点。该制备方法所用碳源是通过球磨得到的Cu‑石墨包覆TiC混合粉末,合成的TiC粒径在0.5‑2.0m之间,在铜基体上分布均匀。所制备的TiC增强铜基电接触复合材料致密度高,可通过调整TiC的含量,实现复合材料强度、硬度和导电、导热性的优良结合,具有高强高导特性。

Description

一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域,具体涉及一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法。
背景技术
电接触材料是电工材料的重要组成部分,以其为材料制备的电触头是仪器仪表、电器开关中非常重要的接触元件,在输配电系统、电器系统等中起着对电路进行分断和接通的作用。电触头及其材料性能的好坏对整个系统的安全、稳定运行起着至关重要的作用。近年来,电接触材料的研究和开发受到越来越多的重视。电触头在开闭过程中产生的现象极其复杂,影响因素较多,理想的电触头材料必须具备良好的物理性能、力学性能、电接触性能、化学性能及加工制造性能等,其主要研究目标是实现电接触材料高的电导率、热导率,良好的力学性能,高的可靠性及长的使用寿命等整体性能的综合优化。铜由于具有高的导电、导热性能,是制备电接触材料和器件的常用材料,但是铜的抗氧化能力不足,且强度、硬度较低,作为电接触材料,特别是高压电接触材料使用时导致其抗磨损、抗烧蚀及抗熔焊能力不足。对铜进行复合化是解决上述问题的常用方法。如东华大学季诚昌等公开了一种SiC-Cu电接触材料及其制备方法(申请号:CN201510760533.4),该方法以SiC为增强体,通过高能球磨和热等静压制备SiC-Cu电接触材料,并利用Cr,Zr和Fe等添加剂改善SiC与铜基体的润湿性,制备的电接触材料具有更高的抗熔焊性、力学强度及耐摩擦性能。济南大学刘焕超等公开了一种镀银石墨烯增强铜基电接触材料的制备方法(ZLCN201610527507.1),该方法通过制备铜-钇合金粉并对其化学镀银,将其与镀银处理的石墨烯球磨混匀,最后压制烧结,最终获得导电性良好、抗电弧侵蚀和抗熔焊性优良的铜基电接触材料。西安交通大学的郭永利等发明了一种铜基电接触材料及其制备方法(专利号:CN201210097519.7),该方法以导电陶瓷La2NiO4、BaPbO3或Li1.4Al0.4(Ge1-xTix)1.6(PO4)3作为第二添加相,经与铜粉高能球磨混合后,冷压成型,在真空炉中烧结、热压等粉末冶金方法获得电接触材料,所得铜基电接触材料具有高的抗熔焊性能和分断能力。上述方法通过第二相复合有效的改善了铜电接触材料的性能,但制备工艺较为复杂,且第二相多为外加,所得复合材料中第二相与铜基体界面结合较差,限制了铜基电接触复合材料性能的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自生反应合成TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法。该方法工艺简单、成本低且效率高,制备的电接触复合材料致密度高,导电、导热性能好、强度、硬度高,具有高强高导特性。其中的TiC增强颗粒粒径在0.50-2.0m之间,在基体上均匀分布。
一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)原料准备:准备好制备TiC增强铜基电接触材料所需的原料,按质量百分比称取,电解铜85-96%、铜粉4-15%、TiC粉:0.5-3%,海绵钛0.5-8%和石墨粉0.1-2%;
(2)碳源制备:首先将石墨粉与TiC粉充分混合,然后将混合粉末置于球磨机中球磨2-6小时,通过球磨得到石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒,然后将球磨后的粉末与铜粉充分混合并在球磨机中继续球磨1-4小时,通过球磨使石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒嵌入到铜粉中,得到Cu-石墨包覆TiC混合粉末;
(3)粉末压块与烧结:将步骤(2)中得到的Cu-石墨包覆TiC混合粉末压制成一定形状的预制块,并将预制块置于600-850℃的真空烧结炉中烧结2-4小时;
(4)TiC自生反应合成:在氩气的保护下,将称量好的电解铜在高频感应炉中加热至1150-1450℃,然后将海绵钛加入到熔体中,待海绵钛完全溶解后得到铜-钛熔体。将烧结好的含有石墨包覆TiC的预制块加入到铜-钛熔体中,保温2-4分钟后,将合金熔体浇入模具中或采用其他方法冷却凝固,即得到TiC增强铜基电接触复合材料。
进一步的,其基本原理是通过TiC与石墨的球磨细化TiC和石墨,改善其反应活性,同时得到石墨包覆的TiC,然后再通过与铜粉球磨得到Cu-石墨包覆TiC混合粉末,并利用烧结改善石墨与铜的润湿性。将该Cu-石墨包覆TiC预制块加入到高温铜钛熔体中后,溶解的钛可与其中的石墨迅速反应合成TiC同时将石墨包覆的TiC引入到铜熔体中,凝固后得到TiC均匀分布的铜基电接触复合材料。
进一步的,步骤(1)中所用TiC粉粒径在5m以下,石墨粉粒径在10m以下,铜粉粒径在200m以下。
进一步的,步骤(2)中石墨粉与TiC粉的比例可根据需要调整。
进一步的,步骤(3)中预制块是由压强为80-150MPa的压制装置压制成型。
进一步的,该方法合成的TiC粒径在0.5-2.0m之间,在铜基体上分布均匀,所制备的电接触复合材料致密度高,通过调整TiC的含量,能实现复合材料强度、硬度和导电、导热性的优良结合。其导电率在40%IACS-90%IACS之间,铸态显微硬度在100HV-180HV之间。
本发明的有益效果:
制备工艺简单稳定;2、成本低、效率高;3、制备的铜基电接触复合材料具有高强高导特性;4、可通过铸造工艺直接成型零件;5、适用于工业化生产和应用。
附图说明:
图1是实施例1中步骤(2)制备的石墨包覆TiC微观组织图。
图2是实施例1制备的Cu-5%TiC电接触复合材料微观组织图。
图3是实施例2制备的Cu-7.5%TiC电接触复合材料微观组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述发明。应说明的是:以下实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案。一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
实施例1:
(1)原料准备:准备好制备TiC增强铜基电接触材料所需的原料,按质量百分比称取,电解铜90%、铜粉5%、TiC粉:2%,海绵钛2.4%和石墨粉0.6%;
(2)碳源制备:首先将石墨粉与TiC粉充分混合,然后将混合粉末置于球磨机中球磨3小时,通过球磨得到石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒。然后将球磨后的粉末与铜粉充分混合并在球磨机中继续球磨2小时,通过球磨使石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒嵌入到铜粉中,得到Cu-石墨包覆TiC混合粉末。
(3)粉末压块与烧结:将(2)中得到的Cu-石墨包覆TiC混合粉末压制成长20mm、宽20mm、高15mm的预制块,并将预制块置于700℃的真空烧结炉中烧结3小时;
(4)TiC自生反应合成:在氩气的保护下,将称量好的电解铜在高频感应炉中加热至1150-1250℃,然后将海绵钛加入到熔体中,待海绵钛完全溶解后得到铜-钛熔体。将烧结好的含有石墨包覆TiC的预制块加入到铜-钛熔体中,保温2分钟后,将合金熔体浇入模具中,得到Cu-5%TiC铜基电接触复合材料。
步骤(2)中球磨得到的石墨包覆TiC微观组织如附图1所示;
制备的Cu-5%TiC铜基电接触复合材料微观组织如附图2所示。
其导电率为72%IACS,铸态显微硬度131HV。
实施例2:
(1)原料准备:准备好制备TiC增强铜基电接触材料所需的原料,按质量百分比称取,电解铜82.5%、铜粉10%、TiC粉:2.5%,海绵钛4%和石墨粉1%;
(2)碳源制备:首先将石墨粉与TiC粉充分混合,然后将混合粉末置于球磨机中球磨6小时,通过球磨得到石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒。然后将球磨后的粉末与铜粉充分混合并在球磨机中继续球磨4小时,通过球磨使石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒嵌入到铜粉中,得到Cu-石墨包覆TiC混合粉末。
(3)粉末压块与烧结:将(2)中得到的Cu-石墨包覆TiC混合粉末压制成长20mm、宽20mm、高25mm的预制块,并将预制块置于800℃的真空烧结炉中烧结2小时;
(4)TiC自生反应合成:在氩气的保护下,将称量好的电解铜铜在高频感应炉中加热至1200-1350℃,然后将海绵钛加入到熔体中,待海绵钛完全溶解后得到铜-钛熔体。将烧结好的含有石墨包覆TiC的预制块加入到铜-钛熔体中,保温3分钟后,将合金熔体浇入模具中,得到Cu-7.5%TiC铜基电接触复合材料。
制备的Cu-7.5%TiC铜基电接触复合材料微观组织如附图3所示。
其导电率为45%IACS,铸态显微硬度165HV。
实施例3:
(1)原料准备:准备好制备TiC增强铜基电接触材料所需的原料,按质量百分比称取,电解铜94%、铜粉4.5%、TiC粉:0.5%,海绵钛0.8%和石墨粉0.2%;
(2)碳源制备:首先将石墨粉与TiC粉充分混合,然后将混合粉末置于球磨机中球磨2小时,通过球磨得到石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒。然后将球磨后的粉末与铜粉充分混合并在球磨机中继续球磨2小时,通过球磨使石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒嵌入到铜粉中,得到Cu-石墨包覆TiC混合粉末。
(3)粉末压块与烧结:将(2)中得到的Cu-石墨包覆TiC混合粉末压制成长20mm、宽20mm、高10mm的预制块,并将预制块置于750℃的真空烧结炉中烧结2小时;
(4)TiC自生反应合成:在氩气的保护下,将称量好的电解铜铜在高频感应炉中加热至1150-1250℃,然后将海绵钛加入到熔体中,待海绵钛完全溶解后得到铜-钛熔体。将烧结好的含有石墨包覆TiC的预制块加入到铜-钛熔体中,保温2分钟后,将合金熔体浇入模具中,得到Cu-1.5%TiC铜基电接触复合材料。
其导电率为85%IACS,铸态显微硬度112HV。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,一种TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)原料准备:准备好制备TiC增强铜基电接触材料所需的原料,按质量百分比称取,电解铜85-96%、铜粉4-15%、TiC粉:0.5-3%,海绵钛0.5-8%和石墨粉0.1-2%;
(2)碳源制备:将石墨粉与TiC粉充分混合,然后将混合粉末置于球磨机中球磨2-6小时,通过球磨得到石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒,然后将球磨后的粉末与铜粉充分混合并在球磨机中继续球磨1-4小时,通过球磨使石墨包覆的亚微米级细小TiC颗粒嵌入到铜粉中,得到Cu-石墨包覆TiC混合粉末;
(3)粉末压块与烧结:将步骤(2)中得到的Cu-石墨包覆TiC混合粉末压制成预制块,并将预制块置于600-850℃的真空烧结炉中烧结2-4小时;
(4)TiC自生反应合成:在氩气的保护下,将称量好的电解铜铜在高频感应炉中加热至1150-1450℃,然后将海绵钛加入到熔体中,待海绵钛完全溶解后得到铜-钛熔体,将烧结好的含有石墨包覆TiC的预制块加入到铜-钛熔体中,自生反应合成TiC,保温2-4分钟后,将合金熔体浇入模具中或采用其他方法冷却凝固,即得到TiC增强铜基电接触复合材料。
2.如权利要求1所述的TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,其特征在于:该制备方法所用碳源是通过步骤(2)得到的Cu-石墨包覆TiC混合粉末,即通过石墨与TiC球磨得到亚微米级石墨包覆的TiC,再进一步的将石墨包覆的TiC与铜粉混合球磨,得到Cu-石墨包覆TiC混合粉末的碳源。
3.如权利要求1所述的TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所用TiC粉粒径在5m以下,石墨粉粒径在10m以下,铜粉粒径在200m以下。
4.如权利要求1所述的TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中石墨粉与TiC粉的比例能够根据需要调整。
5.如权利要求1所述的TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)中预制块是由压强为80-150MPa的压制装置压制成型。
6.如权利要求1-5任意一项所述的TiC增强铜基电接触复合材料的制备方法,其特征在于:TiC粒径在0.5-2.0m之间,在铜基体上分布均匀,所制备的电接触复合材料致密度高,通过调整TiC的含量,能实现复合材料强度、硬度和导电、导热性的优良结合。
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