一种新型铜基电接触自润滑复合材料及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明公开了一种新型铜基电接触自润滑复合材料及其制备方法和应用，该复合材料包括铜的质量百分比为50％?70％，铬的质量百分比为5％?25％，二硒化钛的质量百分比为10％?30％，经过混合、球磨、热压、烧结方法步骤将混合均匀的粉末材料制成适用于不同工作环境的新型电接触复合材料，具有层状结构的过渡族金属硒化物二硒化钛作为电接触复合材料中的润滑相，铬的添加能提高电接触复合材料强度、硬度和抗氧化能力。该复合材料具有优异的机械性能、摩擦学性能和电学性能。本发明工艺简单、生产过程对环境无污染，可操作性强，生产成本相对较低，成品作为电接触材料广泛应用钢铁、冶金、造船、机械、电力、航空等领域。
【专利说明】
一种新型铜基电接触自润滑复合材料及其制备方法和应用
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种新型铜基电接触自润滑复合材料及其制 备方法和应用，属于电导材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，电接触材料在各个工程方面的应用，如电机、发电机、航天飞机、飞机、汽车 等，要求电接触材料具有优良的性能，具有高导电性和导热性，高熔点，高抗氧化性和抗环 境反应，特别是高耐磨性以保持电接触的完整性。目前，铜、银合金是最广泛使用的接触材 料，然而，银合金的应用受到低硬度、低强度、高成本的限制，铜合金由于其高导电性和导热 性，易于生产，成本低廉，一直吸引着大量的关注。
[0003] 近几十年来，不同的研究小组尝试提高铜合金的摩擦系数、机械和电气性能，通过 加入过渡族金属硫化物(MX2，M指Ti，Nb，Ta等，X指S))和强化相如Cr、SiC和Cr 2Nb来提高电接 触材料的机械、摩檫学和电性能。
[0004] 对于电接触材料，电流通过时产生的高温会使得润滑油/脂的性能劣化。因此只能 考虑采用固体润滑，常用的固体润滑剂石墨和M 〇S2,为六方层状结构，层间原子结合力很 弱，层内原子的结合力很强；易于沿层间滑移，产生低摩擦，同时其化学稳定性较好，在大气 中450°C以下摩擦性能稳定。对于电接触材料，要求它们具有低的接触电阻以减少电功率损 耗;高抗氧化能力能使得该材料在相当长的期间能保持低的接触电阻；同时又希望其具有 低摩擦系数，以减少摩擦磨损。Ag/Cu-M 〇S2 -石墨是典型的电接触材料，它依靠 Ag、Cu来改 善材料的导电、导热能力，依靠石墨、M〇S2在摩擦过程中表面形成一层固体润滑膜，来提高 材料的耐磨性。虽然石墨的导电性好，但是其只是在大气中和有水分存在的情况下才具有 好的摩檫学性能;M 〇S2虽然具有很低的摩擦系数，但是其导电性能差。铜基含过渡族金属硒 化物(MSe2，Μ指Ti，Nb，Ta等）电接触复合材料具有好的摩檫学性能和电导率，但材料的机械 性能略差，因此添加 Cr、SiC和Cr2Nb等硬相可以改善铜基电接触材料的机械性能。
[0005] 此外，没有相关报道铜基含铬和二硒化钛的电接触复合材料，二硒化钛作为固体 润滑剂，铬作为强化相。
【发明内容】
[0006] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型铜基电接触自润滑复合 材料，适用于不同环境下的高电导率的铜基固体自润滑复合材料。
[0007] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0008] 一种新型铜基电接触自润滑复合材料，其特征在于包括铜的质量百分比为50%-70%，络的质量百分比为5%-25%，二硒化钛的质量百分比为10%-30%。
[0009] 上述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步 骤：
[0010] S1、将铜粉、铬粉、纳米二硒化钛按质量百分比配比制得混合材料；
[0011] S2、将上述混合材料和不锈钢磨球按质量比配比，密封放入行星球磨混料机的不 锈钢球磨罐内；将不锈钢球磨罐抽真空，充入惰性气体，球磨制得混合粉末；
[0012] S3、将步骤S2中混合粉末放入模具中，热压制得复合材料压胚；
[0013] S4、将步骤S3中的复合材料压胚放入管式炉中，充入惰性气体，烧结制得复合材 料。
[0014] 上述步骤S1中铜粉的纯度大于99%，粒径为l-75um，所述铬粉的纯度大于99%，粒 径为l-75um，所述纳米二硒化钛纯度大于99%，粒径小于1 · 5um，厚度小于200nm〇
[0015] 上述步骤S2中混合材料和不锈钢磨球的质量比配比为1:10,所述惰性气体为氩 气。
[0016] 上述步骤S2中所述球磨机转速为200r/min，球磨时间为20h，每球磨30min，球磨机 停止工作lOmin。
[0017] 上述步骤S3中的复合材料压胚为圆柱形，直径为20mm，厚度为5mm。
[0018] 上述步骤S3中热压的温度为130°C_150°C，压力为600MPa-800Mpa，时间为10-15min；
[0019] 上述步骤S4中烧结温度为700°c-850°c，保温时间为lh。
[0020] 上述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料应用领域包括钢铁、冶金、造船、机 械、电力、航空。
[0021] 本发明的有益之处在于：
[0022] 本发明提供了一种新型铜基电接触自润滑复合材料，适用于较宽温度范围的不同 工作环境，通过二硒化钛作为固体润滑剂改善了电接触材料的摩擦学性能，降低了摩擦系 数，通过铬提高了铜基电接触材料的硬度、强度和耐磨性，通过TiSe 2与金属基体Cu在高温 烧结时发生了Cu原子插入到TiSe2的Se-Se层中，生成CuxTi^Ses化合物，使得TiSe 2层间的 Se-Se链接成为Se-Cu-Se链接，从而提高导电性能，少部分过量的Se与Cr发生反应生成 CrSe2，CrSe2在高温下也是极好的固体润滑剂。因此本发明所述的一种新型铜基电接触自润 滑复合材料具有优异的机械性能、摩檫学性能和电学性能。本发明工艺简单、生产过程对环 境无污染，可操作性强，生产成本相对较低，成品作为电接触材料广泛应用钢铁、冶金、造 船、机械、电力、航空等领域。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的实施案例4的电镜图片。图 2为本发明的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的实施案例的摩擦系数图。图3为本发明 的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的实施案例的电阻率图。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合附图和具体实施案例对本发明作具体的介绍。
[0025] 本发明中各主要原料/设备的来源(购买厂家)/型号为：
[0026] 铜粉:济南鑫森源化工有限公司，型号为200目；
[0027] 铬粉:济南鑫森源化工有限公司，型号为200目；
[0028] 二硒化钛：自制，参考文献为：陈、陶、李等.TiSe2纳米管/纳米线的合成[J].先进 的材料.2003,15( 16): 1379-1382;
[0029] (Chen J,Tao Z L,Li S L,et al. Synthesis of TiSe2nanotubes/nanowires [J].Adv anced Materials,2003,15(16):1379-1382.)
[0030] 行星球磨混料机:型号:QM-3SP2，南京大学仪器厂；
[0031]模具:镇江市金山石化厂；
[0032] 管式炉:GSL1600X，合肥科晶；
[0033]惰性气体:Ar气，江苏镇江索普集团。
[0034] 实施案例：
[0035]
[0037]性能检测结果
[0038]
LUWU」 田囹i n」见，狄Η n的荆垂评，咼焭巴的定cr，狄黒巴的定11加2，?柙柯科辺芥结甘 良好，说明了铜基中均匀分布着润滑相TiSe2和强化相Cr。
[0041] 由图2可见，实施案例1-5制得的复合材料在不同温度下，其摩擦系数是不一样的。 200 °C-250 °C，摩擦系数均有所下降，250 °C-400 °C，摩擦系数均上升，且上升的幅度不一致， 实施案例4和实施案例5的摩擦系数上升的幅度较为明显。由此可见，实施案例1-5在250°C 温度下摩擦系数最低，其中实施案例2摩擦学性能最佳。
[0042] 由图3可见，添加了 Cr和TiSe2的铜基电接触材料，由于Cr是导电性能极佳的金属， 因此添加 Cr不会对复合材料的电学性能有影响，同时作为强化相还提高了材料的机械性 能，实施案例1-5的电阻率随着TiSe2增多先增大后减小，原因是TiSe 2是半金属，相比于铜、 铬这一类的导电材料，其导电性能略差，因此TiSe2的增多使得铜基电接触材料电阻率变 大;然而，当TiSe 2的含量高于25%时，突然出现电阻率下降的现象，是因为在高温烧结时， 由于存在高含量的TiSe2，增大了 TiSe2与金属基体Cu发生高温反应的几率，生成CuxTh-xSes 金属化合物，使得原来TiSe2层间的Se-Se链接变成了 Se-Cu-Se链接，从而提高了导电性能。
[0043] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该 了解，上述实施案例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得 的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种新型铜基电接触自润滑复合材料，其特征在于包括铜的质量百分比为50%-70%，络的质量百分比为5%-25%，二硒化钛的质量百分比为10%-30%。2. 根据权利要求1所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在 于包括如下步骤： 51、 将铜粉、铬粉、纳米二硒化钛按质量百分比配比制得混合材料； 52、 将上述混合材料和不锈钢磨球按质量比配比，密封放入行星球磨混料机的不锈钢 球磨罐内；将不锈钢球磨罐抽真空，充入惰性气体，球磨制得混合粉末； 53、 将步骤S2中混合粉末放入模具中，热压制得复合材料压胚； 54、 将步骤S3中的复合材料压胚放入管式炉中，充入惰性气体，烧结制得复合材料。3. 根据权利要求2所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在 于所述步骤Sl中铜粉的纯度大于99%，粒径为l-75um，所述铬粉的纯度大于99%，粒径为1-75um，所述纳米二硒化钛纯度大于99%，粒径小于1.5um，厚度小于200nm。4. 根据权利要求2所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在 于所述步骤S2中混合材料和不锈钢磨球的质量比配比为1:10,所述惰性气体为氩气。5. 根据权利要求2所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在 于所述步骤S2中所述球磨机转速为200r/min，球磨时间为20h，每球磨30min，球磨机停止工 作IOmin〇6. 根据权利要求2所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在 于所述步骤S3中的复合材料压胚为圆柱形，直径为20_，厚度为5_。7. 根据权利要求2所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在 于所述步骤S3中热压的温度为130°C_150°C，压力为600MPa-800Mpa，时间为10-15min。8. 根据权利要求2所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料的制备方法，其特征在 于所述步骤S4中烧结温度为700°C-850°C，保温时间为lh。9. 根据权利要求1所述的一种新型铜基电接触自润滑复合材料应用领域包括钢铁、冶 金、造船、机械、电力、航空。
【文档编号】C22C9/00GK105908006SQ201610280278
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】施琴, 李长生, 朱和军, 赵光霞, 陈俊
【申请人】镇江中孚复合材料有限公司, 镇江高等职业技术学校