一种电触头材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电触头材料及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯增强铜基电触头 复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 真空触头材料是影响真空开关开断性能的重要因素，要求触头材料具有高导电 率、高导热系数、高的机械强度及低的接触电阻。真空开关不需检修，触头需要最少耐受 8-12次，多则30-50次的开合额定短路电流对触头的烧损，因此触头材料应具有良好的耐 弧性、抗熔焊性。目前常用的铜铋合金具有良好的抗熔焊性、较低的载流值，一定的开断能 力，但强度较低，电弧侵蚀大，降低了触头材料的寿命。
[0003] 现有（公开号105063413A)，公开了"一种铜基电触头材料及其制备工艺"，铜基 触头材料包含以下重量百分比成份：〇. 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% 的硼、0· 02-0. 1 % 的镧以及 0· 2-0. 5% 的 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，但一 定程度上降低了材料导电性。
[0004] 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. %的石墨稀，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。但电触头材料性能具有进一步提升的空间。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种电触头材料，通过在铜合金材料中加入石墨烯增强体，在不降 低其导电性、导热性的同时，提高铜合金的硬度、耐磨性和耐电弧侵蚀性。
[0006] 此外本发明还提供了上述电触头材料的制备方法。
[0007] 本发明为解决上述问题提出的技术方案： 一种电触头材料，其特征在于，由重量比为〇. 1-1. 〇%石墨烯和99. 0-99. 9%铜合金组 成，铜合金的重量成分为〇. 15-0. 5%的铋、0. 1-3. 0%的金属X、余量为铜，X选自锌、锡、铝、 镍和银中一种或几种。
[0008] 优选地，石墨烯为N层，N为1-10。
[0009] 上述电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1)将铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末。
[0010] (2)将石墨烯和铜合金装入球磨机球磨，制成石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。球 磨机工作状态为：转速100-250r/min，球磨15-20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替运 行，混粉时间为2-6小时。
[0011] (3)将步骤（2)混合后粉末放入模具中冷压一次成型，压力400_600MPa，保压时间 3-5分钟。烧结，真空度为1. 0*10 3-5. 0*10 1Pa,烧结温度700-900°C，保温时间2-4小时。
[0012] (4)将坯件二次成型，压力为200-500MPa，保压时间3-5分钟。烧结，真空度为 1. 0*10 3-5. 0*10 1Pa,烧结温度700-900°C，保温时间2-4小时，制成石墨烯增强铜基的电触 头复合材料。
[0013] 本发明的有益成果是： (1)电触头材料，在铜合金中添加具有超高强度、硬度且具有化学稳定性的石墨烯增强 体作为骨架，使材料具有高硬度、高耐磨性、抗机械冲击性能、抗电弧烧蚀性能的同时，具有 较高导电性、导热性。
[0014] (2)制备方法中，铜合金雾化法制粉，避免了粉末冶金过程中合金元素分布不均， 同时合金化元素的存在提高了触头材料耐磨、耐熔焊性。
[0015] (3)冷压成型烧结制备工艺，降低生产成本，适合大规模工业化生产。
【具体实施方式】
[0016] 实施例1 (1)将含有〇. 15%铋、0. 1%锌、99. 75%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉 末。
[0017] (2)层数为1-5层的石墨烯与铜-0. 15%铋-0. 1%锌合金粉按0. 1:99. 9的重量比 装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速l〇〇r/min，球磨混粉过程中，正向球 磨15分钟，停止5分钟，逆时针球磨15分钟，停止5分钟，依此交替工作，球磨时间6小时， 获得石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
[0018] (3)将混合后粉末放入模具中进行冷压成型，压力600MPa，保压时间3分钟。将冷 压后块坯放入真空烧结炉(真空度：1. 0*10 3Pa)中进行烧结，烧结温度700°C，保温时间4小 时。
[0019] (4)将坯件二次成型，压力为200MPa，保压时间5分钟。在真空(真空度： 1. 0*10 3Pa)下烧结，烧结温度700°C，保温时间4小时，制备出石墨烯增强铜基的电触头复 合材料。
[0020] 实施例2 (1)将含有〇. 5%铋、3. 0%锌、96. 5%铜的合金粉采用气体雾化法制成300目铜合金粉 末。
[0021] (2)层数为1-10层的石墨烯与铜-0· 5%铋-3. 0%铝合金粉按0· 2:99. 8的重量比 例装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速250r/min，球磨混粉过程中，正向 球磨20分钟，停止5分钟，逆时针球磨20分钟，停止5分钟，依此交替工作，球磨时间2小 时，获得石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
[0022] (3)将混合后粉末放入模具中进行冷压成型，压力400MPa，保压时间3分钟。将冷 压后块坯放入真空烧结炉(真空度：5. 0*10 1Pa)中烧结，烧结温度900°C，保温时间2小时。
[0023] (4)将坯件二次成型，压力500MPa，保压时间5分钟。在真空(真空度：5· 0*10 1Pa) 下烧结，烧结温度900°C，保温时间2小时，制备出石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
[0024] 实施例3 (1)将含有〇. 4%铋、1. 0%锌、98. 6%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉 末。
[0025] (2)将层数为1-10层的石墨烯与铜-0· 4%铋-I. 0%锌合金粉按0· 2:99. 8的重量 比装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入惰性气体保护，转速200r/min，球磨混粉过程中， 顺时针球磨20分钟，停止5分钟，逆时针球磨20分钟，停止5分钟，依此循环工作，总计混 粉时间3h，获得石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
[0026] (3)将混合后粉末放入模具中进行冷压成型，压力400MPa，保压时间3分钟。将冷 压后块坯放入真空烧结炉(真空度：1. 0*10 1Pa)中进行烧结，烧结温度750°C，保温时间2小 时。
[0027] (4)将坯件二次成型，压力为400MPa，保压时间5分钟。在真空(真空度： 1. 0*10 1Pa)下烧结，烧结温度750°C，保温时间2小时，制备出石墨烯增强铜基的电触头复 合材料。
[0028] 实施例4 石墨烯与铜-0. 2%铋-3. 0%铝合金粉按0. 5:99. 5的重量比装入球磨机，其他条件同实 施例3,制成石墨稀增强铜基的电触头复合材料。
[0029] 实施例5 石墨烯与铜-0. 2%铋-3. 0%铝合金粉按1. 0:99. 0的重量比装入机械球磨机中，其他 参数同实施例3,制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。
[0030] 对比例1 石墨烯与铜按重量比0. 2:99. 8装入球磨机混粉，其它参数同实施例3,制成铜基的电 触头复合材料。
[0031] 对比例2 将铜-0. 2%铋-3. 0%铝装入球磨机混粉，其它参数同实施例3,制成铜基电触头材料。
[0032] 制成的复合材料各项参数如下表：
实施例与对比例1相比，金属基体不同：实施例中铜基为铜合金，加入铋元素与其他金 属元素，而对比例1仅为铜金属。制成的电触头材料，实施例的硬度显著提高，电导率变化 不大。实施例与对比例2相比，添加石墨烯增强体，硬度、电阻率都显著提高。
【主权项】
1. 一种电触头材料，其特征在于，由重量比为0. 1-1. 0%石墨烯和99. 0-99. 9%铜合金组 成，铜合金的重量成分为〇. 15-0. 5%的铋、0. 1-3. 0%的金属X、余量为铜，X选自锌、锡、铝、 镍和银中一种或几种。2. 根据权利要求1所述的一种电触头材料，其特征在于，石墨烯为N层，N为1-10。3. -种权利要求1所述电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 将铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末； (2) 将石墨稀和铜合金装入球磨机球磨，制成石墨稀和铜合金均勾混合的粉末； (3) 将步骤（2)混合后粉末放入模具中冷压一次成型，烧结； (4) 将坯件二次成型，烧结，制成石墨烯增强铜基的电触头复合材料。4. 根据权利要求3所述的一种电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2冲球 磨机工作状态为：转速100-250r/min，球磨15-20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替运 行，混粉时间为2-6小时。5. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3)中冷压一次成型，压力 400-600MPa，保压时间3-5分钟。6. 根据权利要求3所述的一种电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3)烧结 过程中的真空度为1. 0*10 3_5. 0*10ta，烧结温度700-900°C，保温时间2-4小时。7. 根据权利要求3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。8. 根据权利要求3所述的一种电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4)烧结 过程中的真空度为1. 0*10 3_5. 0*10ta，烧结温度700-900°C，保温时间2-4小时。
【专利摘要】本发明涉及一种电触头材料，尤其涉及一种石墨烯增强铜基电触头复合材料，以及这种材料的制备方法。电触头材料由重量比为0.1-1.0%石墨烯和99.0-99.9%铜合金组成。其制备方法为：铜合金雾化、球磨混粉、一次成型、烧结、二次成型、烧结。本发明的电触头材料，在铜合金中添加石墨烯作为骨架，使材料具有高硬度、抗机械冲击性能与抗电弧烧蚀性能的同时，避免了导电性、导热性的降低。制备方法中，冷压成型烧结制备工艺，降低生产成本，适合大规模工业化生产。
【IPC分类】C22C9/04, C22C9/01, C22C9/00, B22F9/04, B22F3/16, C22C1/05
【公开号】CN105385884
【申请号】CN201510983327
【发明人】冷金凤, 刘易, 时传霞, 李志伟, 纪霞
【申请人】济南大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年12月24日