CN111926205A - 一种Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备Cu‑C‑Ag合金电触头材料的方法。该方法包括把铜粉、石墨烯粉、银粉按照比例混合均匀，然后在100‑400MPa的压力下静压5‑20分钟，静压后在温度600‑700℃和压力10‑20MPa的条件下真空烧结，冷却后在温度960‑970℃和压力5‑20Mpa的条件下中频炉真空烧结，保温10‑30分钟后热轧8‑30次，热轧后在温度1050‑1080℃和压力5‑20Mpa的条件下继续中频炉烧结，保温10‑30分钟后热轧8‑30次后得到Cu‑C‑Ag合金电触头材料。该方法制备的Cu‑C‑Ag合金材料具有较高的电导率和导热系数以及优异的力学性能。

Description

一种Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法
技术领域
本发明属于电接触和散热材料技术领域，具体而言，涉及一种制备Cu-C-Ag合金电触头材料的方法。
背景技术
电触头是电器开关、仪器和仪表等的接触元件，主要承担接通、断开电路及负载电流的作用。电触头材料性能的好坏会直接影响电器开关和仪器、仪表运行的可靠性及使用寿命。由于银具有良好的导电性能和导热性能，所以银基电触头材料是目前应用最广泛的电触头材料，但是由于银的价格昂贵，在部分特殊领域寻找价格更低的替代材料，是电接触行业一个重要的研究方向。
电触头材料在服役过程中易出现磨损和散热不及时的问题，如电力机车在运行过程中因为磨损和电接触位置积热引起火灾事故和电力机车的运行安全。火箭发动机在运行时要求散热速率高不能积热，如果在发射过程因为积热导致发动力故障，就会给国家带来重大损失。因此，需要研发一种具有高电导率和高导热系数的材料。
中国专利(公开号CN106191507A)公开了一种用1080-1200℃的铜液浇注用铜片覆盖的铜石墨烯混合粉制备石墨烯增强铜基复合材料的方法，这种方法制备的复合材料的平均硬度可以达到80HV以上，常温下电导率不低于IACS，导热系数不低于339W/mK。中国专利(公开号CN110328959A)公开的采了一种在20MPa-50MPa的压力下和500-900℃温度下压制铜和石墨烯粉混合粉层制备铜基-石墨烯复合材料的方法，这种方法制备的复合材料具有较高的电导率和优异的力学性能。
通过分析可知，现有的石墨烯增强铜基复合材料的制备方法都考虑了石墨烯由于密度小不能采用熔铸法制备的问题，但是类似于专利CN106191507A公开的方法制备过程中铜液的温度会迅速降低，导致材料结构不均匀；类似于中国专利CN110328959A公开的方法效果较好，结构比较均匀，但是未考虑制备过程中铜会被氧化的问题，以及制备的复合材料并非完全的合金相。
目前，国内外的电触头材料生产企业先后开发了多种材料制备工艺，采用共沉积、化学包覆等方法改善银基体与弥散强化相之间的润湿性，以及采用球磨、多次挤压工艺提高银基体与弥散强化相之间的结合强度。以上加工方式相对于传统的粉末冶金工艺对银基体和弥散强化相之间的结合强度都有了不同程度的提升，但是仍然存在诸多的缺陷。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Cu-C-Ag合金的制备方法，实现了石墨烯在Cu-C-Ag合金中均匀分布空隙少，微观结构更接近金属相，从而提高材料的耐磨性电导率和导热系数。
为实现上述目的，本发明人考虑到，铜是工业中使用最广泛的导电导热材料，石墨烯具有自润滑作用和比铜高的导热系数，银具有较高的电导率和导热系数，因而综合铜、石墨和银的特性可以制备出一种具有自润滑特性的高电导率和高导热系数的铜合金，从而作为电触头材料使用。
具体地，本发明采取的技术方案如下：一种Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：使用球磨机研磨混合铜粉、银粉和石墨烯粉，按铜粉96wt％-98.2wt％、银粉1.6wt％-3.8wt％和石墨烯粉0.2wt％-0.4wt％的质量分数混合均匀后装入模具，在100-400MPa的压力下静压5-20分钟；
步骤2：静压后在温度600-700℃和压力10-20MPa的条件下真空烧结，保温10-30分钟后冷却；
步骤3：步骤2冷却后，在温度960-970℃和压力5-20Mpa的条件下中频炉真空烧结，保温10-30分钟后热轧8-30次；
步骤4：步骤3热轧后，在温度1050-1080℃和压力5-20Mpa的条件下中频炉烧结，保温10-30分钟后热轧8-30次，得到Cu-C-Ag合金电触头材料。
进一步优选地，如上所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其中步骤1中按铜粉96.8wt％-97.8wt％、银粉1.9wt％-3.0wt％和石墨烯粉0.2wt％-0.3wt％的质量分数混合均匀。
进一步优选地，如上所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其中步骤3和步骤4中热轧的方式是横向纵向各4-10次。
进一步优选地，如上所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其中步骤1中将混合粉末装入模具后，在100-150MPa的压力下静压5-10分钟。
进一步优选地，如上所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其中步骤2中真空烧结的温度为650-700℃，压力为10-20Mpa，保温时间为15-20分钟。
与现有材料和制备工艺相比，本发明具有以下优点和进步性：
(1)本发明的合金材料具有很高的导热系数、电导率和耐磨性能，可以用于电接触材料和高温散热领域。
(2)在本发明通过三步真空烧结法，可以有效去除合金内部的气体，防止材料被氧化；通过高温热轧破碎大晶粒达到弥合空隙目的，同时增强了粉体之间的冶金反应，增加了合金相，从而有利于进一步提高材料的导热系数、电导率和耐磨性能。
附图说明
图1是按照实施例1的工艺纵向热轧2次的Cu-C-Ag合金金相图；
图2是按照实施例1的工艺纵向横向各热轧10次的Cu-C-Ag合金金相图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的保护范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：
本实施例制备一种Cu-C-Ag合金电触头材料，所用的原材料有铜粉(平均粒径为30nm)、石墨烯(直径为3-8μm，厚度为2-8nm)、银粉(平均粒径为30nm)，具体制备工艺如下：
步骤1：将50g铜粉加入球磨机，然后均匀喷洒1g银粉球磨10分钟，再均匀喷洒0.15g石墨烯粉球磨20分钟，然后将混合粉末装入模具，在100MPa的压力下静压10分钟。
步骤2：在步骤1的基础上，在675℃的温度10MPa的压力下真空烧结，保温20分钟后冷却。
步骤3：在步骤2的基础上，在960℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧10次。
步骤4：在步骤3的基础上，在1070℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧10次。
根据上述方法制备的Cu-C-Ag合金材料，其硬度可以达到0.62GPa,抗拉强度达到395MPa,电导率达到99％IACS，导热系数达到427W/mK。耐磨性优异，是T0.1Ag电接触材料的6倍。
实施例2：
本实施例制备一种Cu-C-Ag合金电触头材料，所用的原材料主要有铜粉(平均粒径为30nm)，石墨烯(直径为3-8μm，厚度为2-8nm)、银粉(平均粒径为30nm)，具体制备工艺如下：
步骤1：将50g铜粉加入球磨机，然后均匀喷洒1.5g银粉球磨10分钟，再均匀喷洒0.15g石墨烯粉球磨20分钟，然后将混合粉末装入模具，在100MPa的压力下静压10分钟。
步骤2：在步骤1的基础上，在675℃的温度20MPa的压力下真空烧结，保温20分钟后冷却。
步骤3：在步骤2的基础上，在960℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧20次。
步骤4：在步骤3的基础上，在1070℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧20次。
根据上述方法制备的Cu-C-Ag合金材料，其硬度可以达到0.68GPa,抗拉强度达到412MPa,电导率达到102％IACS，导热系数达到456W/mK。耐磨性优异，是T0.1Ag电接触材料的11倍。
对比例1：
本实施例制备一种Cu-C-Ag合金电触头材料，所用的原材料有铜粉(平均粒径为30nm)、石墨烯(直径为3-8μm，厚度为2-8nm)、银粉(平均粒径为30nm)，具体制备工艺如下：
步骤1：将50g铜粉加入球磨机，然后均匀喷洒1g银粉球磨10分钟，再均匀喷洒0.15g石墨烯粉球磨20分钟，然后将混合粉末装入模具，在100MPa的压力下静压10分钟。
步骤2：在步骤1的基础上，在960℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧10次。
步骤3：在步骤2的基础上，在1070℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧10次。
根据上述方法制备的Cu-C-Ag合金材料，其硬度可以达到0.33GPa,抗拉强度达到365MPa,电导率达到92％IACS，导热系数达到377W/mK。耐磨性只有T0.1Ag电接触材料的0.68倍。分析发现由于Cu-C-Ag合金材料内部有氧化的痕迹。
对比例2：
本实施例制备一种Cu-C-Ag合金电触头材料，所用的原材料主要有铜粉(平均粒径为30nm)，石墨烯(直径为3-8μm，厚度为2-8nm)、银粉(平均粒径为30nm)，具体制备工艺如下：
步骤1：将50g铜粉加入球磨机，然后均匀喷洒1.5g银粉球磨10分钟，再均匀喷洒0.15g石墨烯粉球磨20分钟，然后将混合粉末装入模具，在100MPa的压力下静压10分钟。
步骤2：在步骤1的基础上，在675℃的温度20MPa的压力下真空烧结，保温20分钟后冷却。
步骤3：在步骤2的基础上，在1070℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧20次。
根据上述方法制备的Cu-C-Ag合金材料，其硬度可以达到0.59GPa,抗拉强度达到387MPa,电导率达到99％IACS，导热系数达到423W/mK。耐磨性是T0.1Ag电接触材料的4.7倍。研究发现，对比例2的Cu-C-Ag合金材料的晶粒尺寸比实施例2显著增大。
对比例3：
本实施例制备一种Cu-C-Ag合金电触头材料，所用的原材料主要有铜粉(平均粒径为30nm)，石墨烯(直径为3-8μm，厚度为2-8nm)、银粉(平均粒径为30nm)，具体制备工艺如下：
步骤1：将50g铜粉加入球磨机，然后均匀喷洒1.5g银粉球磨10分钟，再均匀喷洒0.15g石墨烯粉球磨20分钟，然后将混合粉末装入模具，在100MPa的压力下静压10分钟。
步骤2：在步骤1的基础上，在675℃的温度20MPa的压力下真空烧结，保温20分钟后冷却。
步骤3：在步骤2的基础上，在960℃的温度20Mpa的压力下中频炉真空烧结，保温30分钟后纵向横向各热轧20次。
根据上述方法制备的Cu-C-Ag合金材料，其硬度可以达到0.60GPa,抗拉强度达到392MPa,电导率达到98％IACS，导热系数达到425W/mK。耐磨性是T0.1Ag电接触材料的3倍。研究发现，对比例3的Cu-C-Ag合金材料的孔隙较实施例2多，晶粒尺寸较实施例2显著增大。
以上实施例结果表明，本发明提供的Cu-C-Ag合金材料具有优异的耐磨性，较高的硬度、抗拉强度、导电率和导热系数，可以应用在一些特殊的需要耐磨性好，电导率和导热系数高的领域。

Claims (5)

1.一种Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：使用球磨机研磨混合铜粉、银粉和石墨烯粉，按铜粉96wt％-98.2wt％、银粉1.6wt％-3.8wt％和石墨烯粉0.2wt％-0.4wt％的质量分数混合均匀后装入模具，在100-400MPa的压力下静压5-20分钟；
步骤2：静压后在温度600-700℃和压力10-20MPa的条件下真空烧结，保温10-30分钟后冷却；
步骤3：步骤2冷却后，在温度960-970℃和压力5-20Mpa的条件下中频炉真空烧结，保温10-30分钟后热轧8-30次；
步骤4：步骤3热轧后，在温度1050-1080℃和压力5-20Mpa的条件下中频炉烧结，保温10-30分钟后热轧8-30次，得到Cu-C-Ag合金电触头材料。
2.根据权利要求1所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其特征在于：步骤1中按铜粉96.8wt％-97.8wt％、银粉1.9wt％-3.0wt％和石墨烯粉0.2wt％-0.3wt％的质量分数混合均匀。
3.根据权利要求1所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其特征在于：步骤3和步骤4中热轧的方式是横向纵向各4-10次。
4.根据权利要求1所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其特征在于，步骤1中将混合粉末装入模具后，在100-150MPa的压力下静压5-10分钟。
5.根据权利要求1所述的Cu-C-Ag合金电触头材料的制备方法，其特征在于，步骤2中真空烧结的温度为650-700℃，压力为10-20Mpa，保温时间为15-20分钟。
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