专利名称：一种新型Cu－C电刷材料及其制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合Cu-C电刷材料及其制造工艺，特别涉及新型的微米/纳米复合Cu-C电刷材料的组织结构和制备工艺。
Cu-C复合材料，由于具有良好的导电、导热、耐磨性能以及良好的经济性而被广泛用作中低压电器产品中的电刷材料和点触头材料。这种材料是在Cu的基体中均匀分布着石墨粒子，Cu基体主要起支撑和导电作用。石墨在铜基体中的均匀分布，不仅对材料具有保护作用，而且还能够起润滑和抗熔焊作用。但石墨的存在也降低材料的力学性能，尤其是当石墨粒子尺寸较大时，对力学性能、润滑作用和抗熔焊作用的负面影响越大。商用Cu-C电刷材料组织中的石墨尺寸较大，普遍采用粉末冶金法制备。但这种方法还存在一些不足之处，如力学性能不够好，断裂韧性和延展性通常较差，在使用中易发生早期脆性断裂；由于石墨粒子的粒度较大，材料的抗熔焊能力较差；成本高，工艺设备复杂；零件的结构尺寸受到限制，难以制备形状和结构较为复杂的零件；材料致密度较低等。这种材料用途广泛，同时传统工艺又存在一定局限性。目前，在不改变石墨含量的条件下，通过改变石墨的粒度、分布均匀性及提高材料的密度来提高材料的综合性能目前还没有人研究。本发明在吸取传统方法优点的基础上，并依据粉末冶金理论、区熔理论、快速凝固理论、粒子漂浮等理论，通过区熔工艺制备成铜-石墨复合材料，研制成高导电率、长使用寿命的电刷材料。
本发明的目的在于提供一种在组织结构上具有石墨粒子细小、均匀分布、密度高等特点的新型亚微米-纳米复合Cu-C电刷材料产品及其制造工艺。
本发明的技术解决方案是这样实现的一种新型Cu-C电刷材料，该材料主要由铜(Cu)、石墨(C)和微量添加元素铬(Cr)或镍(Ni)组分构成，铜的含量为90～99％(重量)，石墨的含量为0.4～10％(重量)，铬或镍的含量为0.1～0.4％(重量)。石墨粒子均匀弥散分布于Cu基体中，主要是亚微米或纳米尺度，石墨粒子的尺寸均小于0.8μm，部分小于100nm。
一种新型Cu-C电刷材料的制造工艺，将铜粉(Cu)、石墨粉(C)和微量添加元素铬(Cr)或镍(Ni)三种粉未，经配料、高能球磨、冷压、抽真空、快速区域熔炼等工艺制成。
配料时，铜粉粒度为50～60μm、石墨粉粒度小于40μm；在配料时，加入润湿剂丙酮，其含量3.0～6.0％(重量)。
将冷压成型后的Cu-C电刷材料的压坯，在外面涂敷一层支持膜，该支持膜由水玻璃和细石英粉构成。支持膜的厚度一般为0.5～0.8mm；配制支持膜所用的石英粉的粒度一般应为300～500目。
在上述工艺中，区域熔炼专用设备主要是由真空室(9)、电机(13)、导架(12)、高频感应线圈(7)和石墨辅助加热器(6)组成，真空室的内壁(5)和外壁(4)之间通有循环水，高频感应线圈(7)保持水冷。
真空室内的真空度应保持在真空度高于5×10-3pa。高频感应线圈和石墨辅助加热器的高度相等，高度为3～5mm。
压坯的相对密度＞85％。压坯在真空室内保持一定的速度自上而下运动，运动速度一般为1.0～2.0mm/s。
压坯在支持膜的保护下进行快速区域熔炼，加热温度控制在基体材料熔点+10～30℃范围内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点1、由于石墨粒子得到大幅度细化，亚微米-纳米尺度的石墨粒子均匀弥散的分布于改性的铜基体中，并经过区域快速熔炼凝固。因此，Cu-C的界面间隙得到消除，材料的密度提高，相对密度接近100％。材料的导电、导热和抗烧蚀性能好。导电、导热、密度和耐磨性显著提高，与国内同成分商用Cu-C电刷相比，电阻率可降低30％。
2、石墨细小且分布均匀，又经熔炼，石墨粒子与Cu基体之间的界面结合得到改善，其断裂韧性得到大大提高，断裂韧性较国内同规格商用Cu-C电刷提高38％。
3、材料力学性能好、使用安全可靠，寿命长。
4、采用快速区域熔炼，工艺过程加快，生产效率大幅度提高。
5、制备工艺上具有成本低、制备工艺简单可靠等优点。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明
图1是本发明实施例1的工艺流程图；图2是本发明实施例2的工艺流程图；图3是本发明区域熔炼专用设备结构示意图。
实施例1本发明的亚微米/纳米复合Cu-C电刷材料其制造工艺过程如下(参见图1)(1)备料准备配制的原料。
(2)配料按一定规格(国家标准)要求进行配料。基本材料铜粉(Cu)，含量为95.4％(重量)，粒度50～60μm；石墨(C)，含量为4.5％(重量)，粒度小于40μm；微量添加元素铬(Cr)，含量为0.1％(重量)。
(3)高能球磨将上述已配制的原料加入润湿剂丙酮进行混合并细化，丙酮的加入量为3.0～6.0％(重量)。在丙酮的保护下，在高能球磨机中进行球磨，通过控制高能球磨的球料比(5∶1)、球磨时间(一般为1小时左右)来控制石墨的粒度，使石墨粒子细化，其粒度平均尺寸小于0.8μm，部分尺寸可小于100nm。
(4)冷压球磨后的细粉经过烘干后，在室温下压制成型，压坯的原始密度控制在相对密度大于85％。
(5)区域熔炼a、涂敷支持膜在压坯的外层涂敷一层厚0.5～0.8mm的支持膜，作为保护层，并烘干。支持膜由水玻璃和细石英粉构成，所用的石英粉的粒度一般为300～500目，支持膜涂料的配比为石英粉占35～45％(重量)。
b、区域熔炼设备(参见图3)区域熔炼专用设备主要是由真空室9、电机13、支架12、高频感应线圈7和石墨辅助加热器6组成。真空室由顶盖1、外壁4、内壁5、进水口8、出水口10和抽真空口2构成；在内壁5和外壁4之间通有循环水。
在真空室9内设有导架12，该导架由电机带动。电机13放置在真空室9之外。
在真空室9内设有高频感应线圈7和石墨辅助加热器6；两者高度相等，其高度为5mm左右。高频感应线圈7保持水冷。
c、区域熔炼先将带有支持膜的压坯11的下端放入高频感应线圈7和石墨辅助加热器6中，上端卡在支架12内。然后抽真空，并进行设备预热调试，使真空度保持在大于5×10-3Pa条件下进行快速区域熔炼。压坯11在真空室9内的运动应保持平稳、不震动，其速度保持在1.0～2.0mm/s。区域熔炼温度控制在1083+10～30℃。
(6)制成样品制成的亚微米-纳米复合Cu-C电刷材料的坯料。该坯料中石墨粒子均匀弥散分布于Cu基体中，石墨粒子的尺寸小于0.8μm。该坯料经机械加工后制成所需尺寸的电刷材料产品。
该发明可根据需要生产不同规格(石墨含量)的亚微米/纳米复合Cu-C电刷材料产品，石墨的含量从0.5％到10％，产品的直径从φ6mm～φ35mm。
实施例2本发明的亚微米/纳米复合Cu-C电刷材料其制造工艺过程如下(参见图2)(1)备料准备配制的原料。
(2)高能球磨先对石墨粉(C)进行高能球磨，使石墨粉细化到0.8um以下(通过控制球料比5∶1，充填系数0.4，球磨时间1小时左右)；(3)配料按一定规格(国家标准)要求进行配料。基本材料铜粉(Cu)，含量为90.4％(重量)，粒度50～60μm；石墨(C)，含量为9.3％(重量)，粒度小于0.8mm；微量添加元素镍(Ni)250目，含量为0.3％(重量)。
(4)混粉将上述所配制的原料加入润湿剂丙酮进行混合，丙酮的加入量为3.0～6.0％(重量)。在丙酮的保护下高能球磨5分钟。
(5)冷压混合好的粉在室温下压制成型，压坯的原始密度控制在相对密度大于85％。
其它工艺过程同实施例1。
权利要求
1.一种新型Cu-C电刷材料，其特征在于该材料主要由铜(Cu)、石墨(C)和微量添加元素铬(Cr)或镍(Ni)组分构成，铜的含量为90～99％(重量)，石墨的含量为0.4～10％(重量)，铬或镍的含量为0.1～0.4％(重量)。
2.一种新型Cu-C电刷材料的制造工艺，其特征在于将铜粉(Cu)、石墨粉(C)和微量添加元素铬(Cr)或镍(Ni)三种粉末，经配料、高能球磨、冷压、抽真空、快速区域熔炼工艺制成。
3.根据权利要求1所述的Cu-C电刷材料，其特征在于石墨粒子均匀弥散分布于Cu基体中，主要是亚微米或纳米尺度，石墨粒子的尺寸均小于0.8μm，部分小于100nm。
4.根据权利要求2所述的制造工艺，其特征在于将冷压成型后的Cu-C电刷材料的压坯，在外面涂敷一层支持膜，该支持膜由水玻璃和细石英粉构成；支持膜的厚度一般为0.5～0.8mm；配制支持膜所用的石英粉的粒度一般应为300～500目。
5.根据权利要求2或4所述的制造工艺，其特征在于压坯的相对密度＞85％。
6.根据权利要求2所述的制造工艺，其特征在于真空室内的真空度应高于5×10-3Pa。
7.根据权利要求2述的制造工艺，其特征在于区域熔炼专用设备主要由真空室(9)、电机(13)、导架(12)、高频感应线圈(7)和石墨辅助加热器(6)组成，真空室的内壁(5)和外壁(4)之间通有循环水，高频感应线圈(7)保持水冷。
8.根据权利要求2或7所述的制造工艺，其特征在于高频感应线圈和石墨辅助加热器的高度相等，高度为3～5mm。
9.根据权利要求2所述的制造工艺，其特征在于压坯在真空室内保持一定的速度自下而上运动，运动速度一般为1.0～2.0mm/s。
10.根据权利要求2所述的制造工艺，其特征在于压坯在支持膜的保护下进行快速区域熔炼，加热温度控制在基体材料熔点+10～30℃范围内。
11.根据权利要求2所述的制造工艺，其特征在于在配料时，加入润湿剂丙酮，其含量为3.0～6.0％(重量)。
全文摘要
本发明公开了一种新型Cu－C电刷材料及其制造工艺。该材料主要由铜(Cu)、亚微米/纳米尺度的石墨粒子(C)和微量添加元素(Cr)三种组分构成；经配料、高能球磨、冷压、抽真空、快速区域熔炼工艺制成。本发明的优点是导电、导热、密度和耐磨性显著提高，电阻率可降低30%；材料的组织致密，相对密度接近100%；石墨细小且分布均匀，断裂韧性提高38%；使用安全可靠、使用寿命长。该工艺生产效率高、生产时间短、节约能源。
文档编号H01R39/00GK1317591SQ01115208
公开日2001年10月17日 申请日期2001年3月29日 优先权日2001年3月29日
发明者王发展, 范志康, 许云华, 付永红, 王永平 申请人:西安建筑科技大学