一种铜铬电触头材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铜铬电触头材料及其制备方法，尤其涉及一种镀铜石墨烯增强铜 基电触头材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前，铜-铬合金具有抗电弧烧蚀性、抗熔焊性能及好的分段电流能力，已成为中 压(5_38kV)大电流开关的首选触头材料。铜铬合金中第二相铬粒子的平均尺寸细化，使铜 铬合金获得更高的电接触性能，如截断电流减小，绝缘强度增高，抗熔焊性进一步增强。
[0003] 对于CuCr合金细化，公开号为CN104946915A，采用甩带法或水冷旋转雾化法制备 细晶CuCr合金，球磨后再冷压烧结制成合金。公开号为CN104889401A，公布了一种采用真空 自耗电弧熔炼工艺制备CuCr25电触头的方法。两项专利探讨了通过制备工艺细化铬晶粒， 获得高性能的CuCr合金触头材料。目前，电触头材料性能具有进一步提升的空间。
【发明内容】
[0004]本发明涉及一种铜铬电触头材料，镀铜石墨烯作为第二相添加到铜铬合金组织 中，提高CuCr合金耐磨性、绝缘强度和抗熔焊性，同时提高导电、导热性。
[0005]此外本发明还提供了上述铜铬电触头材料的制备方法。
[0006]本发明为解决上述问题提出的技术方案： 一种铜铬电触头材料，其特征在于，由重量比为〇 . 1-3 .Owt. %镀铜石墨烯和97.0_ 99 · 9wt· %铜合金组成，铜合金的重量成分为10-30wt· %的铬、0 · 1-2 ·Owt· %的X、余量为铜，X 选自锑、铋、碲中一种或几种。
[0007] 优选地，石墨烯为N层，N为1-10。
[0008]上述铜铬电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1)采用直流磁控溅射法将金属铜沉积在石墨烯表面，制成镀铜石墨烯。直流磁控溅射 沉积设备的具体工艺为：真空度达到0.1*1(T3-1. 〇*l(T3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压 0.5-1.2Pa，溅射功率 100-150W，沉积时间为 5-30min，优选 10-30min。
[0009] (2)铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末。
[0010] (3)镀铜石墨稀和铜合金装入球磨机球磨，制成镀铜石墨稀和铜合金均勾混合的 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] (4)将步骤(3)混合后的粉末放入模具中进行致密化处理。
[0012] (5)热压烧结，工艺为:采用氩气保护，烧结温度700-900°C，烧结压力30-60MPa，时 间2-4h。塑性加工成型，制成石墨烯增强铜铬的电触头材料。
[0013]本发明的有益成果是： (1)这种铜铬电触头材料，石墨烯作为第二相添加，可细化晶粒，抑制晶粒长大，提高耐 磨性，抗熔焊性进一步增强。此外，镀铜石墨烯改善了石墨烯与金属间的界面结合力，获得 良好界面结合，解决了石墨烯与基体间界面润湿的问题，使复合材料导电性、导热性能、抗 电弧侵蚀性进一步提尚。
[0014](2)铜铬电触头的制备方法，采用直流磁控溅射法在石墨烯表面沉积铜，形成的结 构，减少石墨烯作为纳米颗粒在混粉过程中的团聚。
【具体实施方式】 [0015] 实施例1 (1)采用直流磁控溅射法在石墨烯(层数为1-10层)表面沉积金属铜制备成镀铜石墨 烯。纯度为99.99%的铜靶安装前先用细砂纸进行打磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘 干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射，去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质，保证 后续石墨烯表面沉积铜膜的纯度。溅射参数如下:真空度达到0.l*l〇_3Pa时，通入高纯氩气， 真空室气压0.5Pa，溅射功率100W，沉积时间为30min。
[0016] (2)将含有10%铬、0.2%铺、89.8%铜的合金粉采用气体雾化法制成300目铜合金粉 末。
[0017](3)镀铜石墨烯与铜-10%铬-0.2%锑合金粉按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，顺时针球磨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，获得镀铜石墨烯和铜 合金均勾混合的粉末。
[0018](4)将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力350MPa。
[0019 ] (5 )制成的块坯放入热压烧结炉中进行烧结，采用氩气保护，烧结温度700°C，烧结 压力30MPa，时间4h，采用挤压或者乳制等工艺加工成型，制备出石墨烯增强铜铬电触头材 料。
[0020] 实施例2 (1)采用直流磁控溅射法在石墨烯(层数为1-10层)表面沉积金属铜制备成镀铜石墨 烯。纯度为99.99%的铜靶安装前先用细砂纸进行打磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘 干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射，去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质，保证 后续石墨烯表面沉积铜膜的纯度。溅射参数如下:真空度达到1. 〇*l〇_3Pa时，通入高纯氩气， 真空室气压1.2Pa，溅射功率150W，沉积时间为lOmin。
[0021 ] (2)将含有30%络、2.0%铺、68%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。 [0022] (3)镀铜石墨烯与铜-30%铬-2.0%锑的合金粉按3.0:97.0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250r/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，依此交替工作，球磨时间2小时，获得镀铜石墨烯 和铜合金均匀混合的粉末。
[0023](4)将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力300MPa。
[0024](5)制成的块坯放入热压烧结炉中进行烧结，采用氩气保护，烧结温度900°C，烧结 压力60MPa，时间2h，采用挤压或者乳制等工艺加工成型，制备出石墨烯增强铜铬电触头材 料。
[0025]实施例3 (1)采用直流磁控溅射法在石墨烯(层数为1-10层)表面沉积金属铜制备成镀铜石墨 烯。纯度为99.99%的靶材安装前先用细砂纸进行打磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘 干。直流磁控溅射沉积前进行5分钟预溅射，去除靶材表面的金属氧化物及其它杂质，保证 后续石墨烯表面沉积铜膜的纯度。溅射参数如下:真空度达到0.2*l(T3Pa时，通入高纯氩气， 真空室气压1.OPa，溅射功率140W，沉积时间为5min。
[0026] (2)将含有20%铬、0.2%锑、79.8%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉 末。
[0027] (3)将镀铜石墨烯：铜-20%铬-0.2%锑的合金粉按1.0: 99.0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250r/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4h，获得镀铜石墨 烯和铜合金均匀混合的粉末。
[0028] (4)将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力300MPa。
[0029] (5)将处理后的块坯放入热压烧结炉中进行烧结，采用氩气保护，烧结温度850°C， 烧结压力40MPa，时间2h，采用挤压或者乳制等工艺加工成型，制备出石墨烯增强铜铬电触 头材料。
[0030] 实施例4 镀铜石墨烯与铜-25%络-0.5%锑的合金粉按0.5:99.5的重量比装入球磨机，其他条件 同实施例3,制备出石墨烯增强铜铬电触头材料。
[0031 ] 实施例5 镀铜石墨烯与铜-25%络-0.5%锑的合金粉按1.0:99.0的重量比装入球磨机中，其他参 数同实施例3,制备出石墨烯增强铜铬电触头材料。
[0032] 对比例1 未添加镀铜石墨烯的铜-20%铬-0.2%锑的合金粉装入球磨机研磨，其它参数同实施例 3,制成铜铬电触头材料。
[0033] 对比例2 添加0.lwt. %石墨稀的铜粉装入球磨机研磨，其它参数同实施例3，制成电触头材料。
[0034] 制成的复合材料各项参数如下表：
加入镀铜石墨烯的制成石墨烯增强铜铬电触头材料，与对比例1中的铜合金制成的电 触头材料相比，硬度明显提尚，电导率也有一定的提尚；与对比例2加入石墨稀制成的铜基 电触头材料相比，电导率有一定下降，但硬度提高显著，提高率可达130%。
【主权项】
1. 一种铜铬电触头材料，其特征在于，由重量为ο. 1-3 .Owt. %镀铜石墨烯和97.0-99 · 9wt· %铜合金组成，铜合金的重量成分为10-30wt· %的铬、0 · 1-2 ·Owt· %的X、余量为铜，X 选自锑、铋、碲中一种或几种。2. 根据权利要求1所述的一种铜铬电触头材料，其特征在于，石墨烯为N层，N为1-10。3. -种权利要求1所述铜铬电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 采用直流磁控溅射法将金属铜沉积在石墨烯表面，制成镀铜石墨烯； (2) 铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末； (3) 镀铜石墨稀和铜合金装入球磨机球磨，制成镀铜石墨稀和铜合金均勾混合的粉末； (4) 将步骤(3)混合后的粉末放入模具中进行致密化处理； (5) 热压烧结，塑性加工成型，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。4. 根据权利要求3所述的一种铜铬电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1) 中直流磁控溅射沉积设备的具体工艺为:真空度达到0.1*1(T3-1 .〇*l(T3Pa时，通入高纯氩 气，真空室气压0.5-1.2Pa，溅射功率100-150W，沉积时间为5-30min，优选10-30min。5. 根据权利要求3所述的一种铜铬电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3) 中球磨机工作状态为: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。6. 根据权利要求4所述的一种铜铬电触头材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5) 中热压烧结工艺为:采用氩气保护，烧结温度700-900°C，烧结压力30-60MPa，时间2-4h。
【专利摘要】本发明涉及一种铜铬电触头材料，尤其涉及一种石墨烯增强铜铬电触头材料，以及这种材料的制备方法。电触头材料由重量为0.1-3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0-99.9wt.%铜合金组成，铜合金的重量成分为10-30wt.%的铬、0.1-2.0wt.%的X、余量为铜，X选自锑、铋、碲中一种或几种。其制备方法为：石墨烯镀铜、铜合金制粉、球磨混粉、致密化处理、烧结、加工成型。本发明的铜铬电触头材料，在铜铬合金中添加镀铜石墨烯作为骨架，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。
【IPC分类】B22F3/14, C22C1/05, B22F9/04, C23C14/18, C22C9/00, C23C14/35
【公开号】CN105463238
【申请号】CN201510983358
【发明人】冷金凤, 周庆波
【申请人】济南大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月24日