CN113913641B - 一种Cu-Mo-G电触头材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Cu‑Mo‑G电触头材料，按质量百分比包括以下组分：88.8～93.8％；Mo 6.0～10.0％；石墨0.2～1.2％。本发明还公开了一种Cu‑Mo‑G电触头材料的制备方法，包括以下步骤：将按比例称取的Cu粉、Mo粉和石墨粉加入乙醇溶液进行超声分散，随后加入磨球并移至加热搅拌装置中进行机械搅拌，接着将混合物放入烘箱蒸干得到Cu‑Mo‑G混合粉末，最后将混合粉末装入石墨模具中预压后转移至放电等离子炉中烧结，随炉冷却到室温即得到Cu‑Mo‑G电触头材料。本发明的Cu‑Mo‑G电触头材料具有优异的力‑电性能，同时还具有良好的抗材料转移和耐电弧侵蚀性。
Description
技术领域
本发明属于低压铜基触头材料技术领域，具体涉及一种Cu-Mo-G电触头材料，本发明还涉及该铜基电触头材料的制备方法。
背景技术
电触头承担着电路的接通、承载与分断任务，是实现电气系统高可靠性、高稳定性和长寿命的关键。在服役时，触头因遭受反复的机械碰撞和电弧侵蚀，导致材料的磨损和烧蚀不断加剧。因此要求接触材料不仅具有优异的导电导热性和机械性能，还需要具备良好的耐电弧侵蚀和抗材料转移等电气特性。Cu-Mo材料既拥有Cu优异的导电导热性和强塑性，又兼具Mo的高硬度、耐电弧侵蚀和抗熔焊特性。但由于Cu与Mo之间互不相溶且润湿性差，依靠传统的熔渗技术和液相烧结制备的Cu-Mo触头材料，常存在组织不均，致密度低等缺陷，且触头对在闭合分断时易产生Mo相的富集和偏析，造成性能的劣化，进而降低了电气系统的可靠性和稳定性。
为了进一步提高Cu-Mo触头材料的性能，在Cu-Mo中引入石墨(G)不但可改善耐电磨损性，而且石墨在电弧侵蚀过程中生成CO2气体，有利于灭弧，从而可提高材料的电气性能。但是，由于石墨与金属差异性巨大，常见的机械球磨法、熔铸法和化学还原法在引入石墨时，仍然出现石墨的团聚以及与基体界面结合差等问题，从而造成触头材料性能的下降。因此，开发一种综合性能优异的Cu-Mo-G电触头材料及其制备技术，具有重要的工程实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cu-Mo-G电触头材料。
本发明的另一个目的是提供一种Cu-Mo-G电触头材料的制备方法，解决石墨在金属基体中分散不均，以及石墨与金属基体界面结合差等问题。同时制备的Cu-Mo-G电触头材料具有优异的力学性能和电气性能。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种Cu-Mo-G电触头材料，按照质量百分比包括以下组分：Cu 88.8～93.8wt.％；Mo 6.0～10.0wt.％；石墨0.2～1.2wt.％，以上各组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种Cu-Mo-G电触头材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：Cu粉88.8～93.8％、Mo粉6.0～10.0％和石墨粉0.2～1.2％，各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将上述粉末加入乙醇溶液并超声处理40～60min，随后加入玛瑙球并移至加热搅拌装置中，经机械搅拌后得到混合溶液；
步骤3，将混合溶液放置烘箱至溶液完全蒸干，得到Cu-Mo-G混合粉末；
步骤4，将Cu-Mo-G混合粉末装入石墨模具中预压，再移至放电等离子烧结炉中烧结，随炉冷却到室温即得到Cu-Mo-G电触头材料。
本发明的特点还在于，
步骤1中所述Cu粉为30～55μm的树枝状，所述Mo粉1～10μm的类球形，所述石墨粉10～20μm的类球状，各粉末的纯度≥99.9％。
步骤2所述乙醇与粉末的质量比为8:1～10:1，玛瑙球与粉末的质量比为1.5:1～2:1，玛瑙球直径为5mm，机械搅拌温度为90～110℃，时间为3～5h，搅拌速率为250～300rpm。
步骤3烘箱温度设置为50～60℃，时间为30～60min。
步骤4石墨模具预压压力为8～10MPa，保压时间10～30s；放电等离子烧结炉内的真空度不低于1×10-3Pa，升温速度为35～50℃/min，烧结压力为35～40MPa。
步骤4烧结温度为700～750℃，烧结时间为5～8min。
步骤2所述超声处理时间为40～60min。
本发明的有益效果是，发明了一种Cu-Mo-G电触头材料，不仅具有优异的导电性能和力学性能，而且具有良好的耐电弧侵蚀性和抗材料转移性能。
该制备方法的优点在于，通过超声分散和机械湿混技术，实现了Mo和石墨两相在Cu基体中的均匀分散，从而保证触头材料的组织均匀性。与球磨法和化学法相比，该混粉技术具有混合均匀性好、能耗低、引入杂质少等优点。结合放电等离子烧结炉在加压的同时实现烧结的特点，在等离子作用下利用粉末自身产生的焦耳热及烧结过程中的同时加压有利于降低粉末的烧结温度，快速实现粉末烧结致密化，最终获得一种组织均匀、性能优异的Cu-Mo-G电触头材料。
附图说明
图1是本发明一种Cu-Mo-G电触头材料制备方法流程图；
图2是本发明一种Cu-Mo-G电触头材料显微组织图；
图3是本发明一种Cu-Mo-G电触头材料阳极侵蚀形貌图；
图4是本发明一种Cu-Mo-G电触头材料阴极侵蚀形貌图。
具体实施方式
本发明提供的一种Cu-Mo-G电触头材料，包括Cu、Mo和石墨三种组分，其质量百分比分别为88.8～93.8％，6.0～10.0％，0.2～1.2％，以上各组分质量百分比之和为100％。
步骤1，按质量百分比分别称取Cu粉88.8～93.8％、Mo粉6.0～10.0％和G粉0.2～1.2％，各组分质量百分比之和为100％。其中，Cu粒度为30～55μm，Mo粒度为1～10μm，G粒度为10～20μm，各粉末纯度≥99.9％；
步骤2，将称量好的Cu、Mo、G粉与乙醇按8:1～10:1的质量比进行混合，接着在超声处理仪中超声分散40～60min，获得混合溶液；
步骤3，在上述混合溶液中加入磨球，其中玛瑙球与粉末的质量比为1.5:1～2:1，再转移至加热搅拌装置上进行机械搅拌3～5h，温度90～110℃，搅拌速率为250～300rpm；
步骤4，将上述混合物移至50～60℃的烘箱中保温10～30min，得到Cu-Mo-G的混合粉末；
步骤5，将混合粉末装入石墨模具中预压，预压压力8～10MPa，保压时间10～20s。再在放电等离子烧结炉中烧结，炉内真空度不低于1×10-3Pa，以35～40℃/min的速度升温至700～750℃，在30～35MPa的压力下保温5～8min，最后随炉冷却后得到Cu-Mo-G电触头材料。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
步骤1，按质量百分比分别称取Cu：89.8％，Mo：10.0％，G：0.2％，对应的Cu、Mo、G质量分别为161.64g、18g和0.36g。其中，Cu为38μm的树枝状粉，Mo为10μm的类球状粉，G为10μm的类球状粉末，各粉末纯度≥99.9％；
步骤2，将称量好的Cu、Mo、G粉与乙醇按照9:1的质量比进行混合，在超声处理仪中超声分散40min，获得混合溶液；
步骤3，在混合溶液中按照磨球:粉末＝1.5:1的质量比加入直径为5mm的玛瑙球，再转移至加热搅拌装置上机械搅拌4h，温度为100℃，搅拌速率为300rpm；
步骤4，将上述混合物放入温度为55℃的烘箱中保温20min，得到Cu-Mo-G的混合粉末；
步骤5，将混合粉末装入石墨模具中预压，预压压力10MPa，保压时间10s。再在放电等离子烧结炉中烧结，炉内真空度不低于1×10-3Pa，以35℃/min的加热速度升温到700℃，在35MPa的烧结压力下保温5min，最后随炉冷却后得到Cu-Mo-G电触头材料。
本实施例中触头材料的致密度、导电率和硬度分别为97.2％、90.6％IACS和83.5HV。
实施例2
步骤1，按质量百分比分别称取Cu：89.4％，Mo：10.0％，G：0.6％，对应的Cu、Mo、G质量分别为160.92g、18g和1.08g。其中，Cu为38μm的树枝状粉，Mo为10μm的类球状粉，G为10μm的类球状粉末，各粉末纯度≥99.9％；
步骤2，将称量好的Cu、Mo、G粉与乙醇按照9:1的质量比进行混合，在超声处理仪中超声分散40min，获得混合溶液；
步骤3，在混合溶液中按磨球:粉末＝1.5:1的质量比加入直径为5mm的玛瑙球，再转移至加热搅拌装置上机械搅拌4h，温度为100℃，搅拌速率为300rpm；
步骤4，将上述混合物放入温度为55℃的烘箱中保温20min，得到Cu-Mo-G的混合粉末；
步骤5，将混合粉末装入石墨模具中预压，预压压力10MPa，保压时间10s。再在放电等离子烧结炉中烧结，炉内真空度不低于1×10-3Pa，以35℃/min的速度升温到700℃，在35MPa的压力下保温5min，最后随炉冷却后得到Cu-Mo-G电触头材料。
本例中触头材料的致密度、导电率和硬度分别为98.2％、89.1％IACS和85.9HV。
实施例3
步骤1，按质量百分比分别称取Cu：89.0％，Mo：10.0％，G：1.0％，对应的Cu、Mo、G质量分别为160.2g、18g和1.8g。其中，Cu为38μm的树枝状粉，Mo为10μm的类球状粉，G为10μm的类球状粉末，各粉末纯度均≥99.9％；
步骤2，将称量好的Cu、Mo、G粉与乙醇按照9:1的质量比进行混合，在超声处理仪中超声分散40min，获得混合溶液；
步骤3，在混合溶液中按照磨球:粉末＝1.5:1的质量比加入直径为5mm的玛瑙球，再移至加热搅拌装置上机械搅拌4h，温度为100℃，搅拌速率为300rpm；
步骤4，将上述混合物放入温度为55℃的烘箱中保温20min，得到Cu-Mo-G的混合粉末；
步骤5，将混合粉末装入石墨模具中预压，预压压力10MPa，保压时间10s。再在放电等离子烧结炉中烧结，炉内真空度不低于1×10-3Pa，以35℃/min的加热速度升温到700℃，在35MPa的压力下保温5min，最后随炉冷却后得到Cu-Mo-G电触头材料。
本例中触头材料的致密度、导电率和硬度分别为98.4％、88.0％IACS和89.5HV。
实施例4
步骤1，按质量百分比分别称取Cu：88.8％，Mo：10.0％，G：1.2％，对应的Cu、Mo、G质量分别为159.84g、18g和2.16g。其中，Cu为38μm的树枝状粉，Mo为10μm的类球状粉，G为10μm的类球状粉末，各粉末纯度均≥99.9％；
步骤2，将称量好的Cu、Mo、G粉与乙醇按照9:1的质量比进行混合，在超声处理仪中超声分散40min，获得混合溶液；
步骤3，在混合溶液中按照磨球:粉末＝1.5:1的质量比加入直径为5mm的玛瑙球，再转移至加热搅拌装置上机械搅拌4h，温度为100℃，搅拌速率为300rpm；
步骤4，将上述混合物放入温度为55℃的烘箱中保温20min，得到Cu-Mo-G的混合粉末；
步骤5，将混合粉末装入石墨模具中预压，预压压力10MPa，保压时间10s。再在放电等离子烧结炉中烧结，炉内真空度不低于1×10-3Pa，以35℃/min的加热速度升温到700℃，在35MPa的压力下保温5min，最后随炉冷却后得到Cu-Mo-G电触头材料。
本例中触头材料的致密度、导电率和硬度分别为98.3％、87.1％IACS和80.8HV。
实施例5
步骤1，按质量百分比分别称取Cu：93.0％，Mo：6.0％，G：1.0％，对应的Cu、Mo、G质量分别为167.4g、10.8g和1.8g。其中，Cu为48μm的树枝状粉，Mo为2μm的类球状粉，G为10μm的类球状粉末，各粉末纯度≥99.9％；
步骤2，将称量好的Cu、Mo、G粉与乙醇按照8:1的质量比进行混合，在超声处理仪中超声分散60min，获得混合溶液；
步骤3，在混合溶液中按磨球:粉末＝2:1的质量比加入直径为5mm的玛瑙球，再转移至加热搅拌装置上机械搅拌5h，温度为100℃，搅拌速率为300rpm；
步骤4，将上述混合物放入温度为55℃的烘箱中保温20min，得到Cu-Mo-G的混合粉末；
步骤5，将混合粉末装入石墨模具中预压，预压压力10MPa，保压时间15s。再在放电等离子烧结炉中烧结，炉内真空度不低于1×10-3Pa，以35℃/min的加热速度升温到750℃，在35MPa的压力下保温5min，最后随炉冷却后得到Cu-Mo-G电触头材料。
本例中触头材料的致密度、导电率和硬度分别为98.6％、91.2％IACS和78.5HV。
上述各实施例所制备的Cu-Mo-G电触头材料，与相同方法制备的Cu-Mo材料(致密度96.8％，导电率91.6％IACS，硬度75.3HV)相比，其致密度和硬度均实现了提升，随着石墨含量的增加，硬度则呈现先增加后降低的趋势，其中Cu-10wt.％Mo-1wt.％G试样的电导率和硬度分别为88.0％IACS，硬度89.5HV，具有优异的综合性能。图2是本发明Cu-10wt.％Mo-1wt.％G电触头材料的显微组织照片，其中Mo相为灰色，G相为黑色，可以看出Mo和G在Cu基体中均匀分布，且各相之间无明显的孔洞，实现了材料的组织均匀性和致密化。
本发明的Cu-10wt.％Mo-1wt.％G与Cu-10wt.％Mo材料在DC24V/24A进行5000次电接触测试后，发现两种材料均呈现从阳极到阴极的材料转移，其中Cu-10wt.％Mo的材料转移为0.7mg，而Cu-10wt.％Mo-1wt.％G的材料转移为0.6mg，与未添加石墨的Cu-Mo材料相比，转移质量降低了14.3％。说明石墨的添加明显增强了抗材料转移性能。
图3和图4分别为本发明Cu-10wt.％Mo-1wt.％G电触头材料电接触测试后的阳极和阴极形貌照片。可以看出，阳极中心区域出现了较浅的凹坑，局部呈现孔洞结构，阳极侵蚀边缘存在熔融金属流动和材料喷溅的痕迹。阴极中心区域则有所凸起，侵蚀表面较为均匀，腐蚀程度较浅。值得注意的是，Cu-Mo-G电触头材料在电接触过程中，石墨增强相经高温氧化释放出CO2气体，一方面可以有效灭弧，提高材料的耐电弧侵蚀性能；另一方面气体逸出造成的孔洞结构，有利于防止触头材料熔焊的发生，从而延长触头对的使用寿命。
通过上述分析可知，本发明的一种Cu-Mo-G电触头材料组织均匀且致密，同时在低压负载工况下具有优异的耐电弧侵蚀和抗材料转移性能。
Claims (3)
1.一种Cu-Mo-G电触头材料，其特征在于，由以下组分组成：Cu 88.8~93.8wt.%；Mo 6.0~10.0wt.%；石墨0.2~1.0wt.%，以上各组分质量百分比之和为100%；Cu-Mo-G电触头材料具体制备方法如下：
步骤1，按照上述质量百分比分别称取材料；
步骤2，将上述粉末加入乙醇并超声处理40~60min，随后加入玛瑙球并移至加热搅拌装置中，经机械搅拌后得到混合溶液；其中乙醇与粉末的质量比为8:1~10:1，玛瑙球与粉末的质量比为1.5:1~2:1，玛瑙球直径为5mm，机械搅拌温度为90~110℃，时间为3~5h，搅拌速率为250~300rpm；
步骤3，将混合溶液放置烘箱至溶液完全蒸干，烘箱温度设置为50~60℃，时间为30~60min；得到Cu-Mo-G混合粉末；
步骤4，将Cu-Mo-G混合粉末装入石墨模具中预压，石墨模具预压压力为8~10MPa，保压时间10~30s；再移至放电等离子烧结炉中烧结，放电等离子烧结炉内的真空度不低于1×10-3Pa，升温速度为35~50℃/min，烧结压力为35~40MPa；烧结温度为700~750℃，烧结时间为5~8min；随炉冷却到室温即得到Cu-Mo-G电触头材料。
2.一种Cu-Mo-G电触头材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取如下材料：Cu粉88.8~93.8%、Mo粉6.0~10.0和石墨粉0.2~1.0wt.%，各组分质量百分比之和为100%；
步骤2，将上述粉末加入乙醇并超声处理40~60min，随后加入玛瑙球并移至加热搅拌装置中，经机械搅拌后得到混合溶液；其中乙醇与粉末的质量比为8:1~10:1，玛瑙球与粉末的质量比为1.5:1~2:1，玛瑙球直径为5mm，机械搅拌温度为90~110℃，时间为3~5h，搅拌速率为250~300rpm；
步骤3，将混合溶液放置烘箱至溶液完全蒸干，烘箱温度设置为50~60℃，时间为30~60min；得到Cu-Mo-G混合粉末；
步骤4，将Cu-Mo-G混合粉末装入石墨模具中预压，石墨模具预压压力为8~10MPa，保压时间10~30s；再移至放电等离子烧结炉中烧结，放电等离子烧结炉内的真空度不低于1×10-3Pa，升温速度为35~50℃/min，烧结压力为35~40MPa；烧结温度为700~750℃，烧结时间为5~8min；随炉冷却到室温即得到Cu-Mo-G电触头材料。
3.根据权利要求2所述的一种Cu-Mo-G电触头材料的制备方法，其特征在于，步骤1中Cu粉为30~55μm的树枝状，Mo粉为1~10μm的类球形，石墨粉为10~20μm的类球状，各粉末的纯度≥99.9%。
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