CN105018775A - 一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法。一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法，用铜粉和锆粉配置成混合粉末包裹石墨块，在坩埚中进行真空高温熔渗，获得石墨/铜复合材料。本发明将铜锆合金在真空条件下无压渗入到石墨基体中，铜和石墨两相不会出现分层现象。由于采用熔渗方法制备石墨/铜复合材料，铜相呈联通结构，对电子传输的阻碍作用减少，电阻率比传统石墨/铜材料电刷有显著降低。

Description

一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法
技术领域
    本发明涉及一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法。
背景技术
    石墨/铜复合材料集石墨良好的接触润滑性、低的热膨胀系数和低密度以及铜的高电导率、热导率和良好的延展性为一体，因而具有良好的导电、导热、耐磨、耐电弧烧蚀和抗熔焊等性能，广泛用作各种电焊电极、电器工程开关的触头、发电机的集电环、电枢、转子、电力机车受电弓滑板和空架接触导线等材料。目前国内用传统方法生产电刷材料:将石墨粉末与铜粉混合、模压、烧结而成，其耐磨性和强度由添加沥青予以调节。然而传统粉末冶金法制备的石墨/铜复合材料存在以下问题：1）由于石墨与铜的比重相差较大,难以混合均匀,容易出现成分偏析；2）铜和石墨即使在1000℃时润湿角也高达140°,所以只能靠机械互锁结合的石墨/铜界面强度较低，限制了铜一石墨复合材料应用。
    有研究人员通过石墨表面镀铜后再进行粉末冶金压制烧结的方法来改善石墨/铜界面结合。但石墨表面镀铜需增加粗化、敏化、活化等工艺步骤，不但提高了成本，而且没有从本质上改善石墨/铜界面结合状况。有研究者通过机械合金化制备过饱和固溶体合金粉末后将其以不同配比与石墨粉混料，再压制烧结技术制备C/Cu-Cr复合材料。也有研究者以石墨纤维替代石墨颗粒制备石墨纤维/铜复合材料，并对石墨纤维表面进行镀 Ti 金属化改性，以改善石墨纤维与铜之间润湿性差及结合力弱的状况。但以上方法工艺复杂，成本较高。而且添加Cr、Ti这样的碳化物形成元素都不可避免的在石墨/Cu界面生成硬质的碳化物相。在此类石墨/铜复合材料使用过程中，界面处生成的硬质碳化物相容易损伤与之对磨的摩擦副材料，造成较严重的磨粒磨损。
发明内容
    本发明的内容是针对现有技术中石墨/铜复合材料成分偏析、强度较低、工艺复杂及对摩擦副材料损伤较大的缺陷，提供了一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法，可使其达到成分均匀、高强度、工艺简单及润滑性好的目的。
    为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法，按照如下的步骤进行：
步骤一：称取铜粉和锆粉配置成混合粉末，充分搅拌混合；
步骤二：将石墨块置于刚玉坩埚中，用步骤一所述的混合粉末包埋（包裹掩埋）石墨块，混合粉末的量以能够完成对石墨块完全包裹掩埋为好；
步骤三：将步骤二的内置有石墨块和混合粉末的刚玉坩埚置于真空炉中，抽真空后升温至保温温度保温；
步骤四：保温结束后，将炉温降至室温，从炉中坩埚内取出石墨块，用机加工方法去除石墨块表面的铜合金即得石墨/铜复合材料。
传统石墨/铜复合材料的制备方法是粉末冶金法，但由于铜和石墨密度相差大，铜和石墨两相分布不均匀，易出现分层。本发明将铜锆合金在真空条件下无压渗入到石墨基体中，铜和石墨两相不会出现分层现象。由于采用熔渗方法制备石墨/铜复合材料，铜相呈联通结构，对电子传输的阻碍作用减少，电阻率比传统石墨/铜材料电刷有显著降低。
粉末冶金法制备的传统石墨/铜复合材料，但由于铜和石墨润湿性差的问题，铜和石墨两相界面结合为机械锁合。本发明将铜锆合金在真空条件下无压渗入到铜基体中，铜和石墨两相分布相对均匀，界面结合强度高。表1所示通过本发明方法得到的石墨/铜复合材料各项力学性能指标均优于传统粉末冶金法制备得到的石墨/铜复合电刷。
表1 石墨/铜复合材料与J102铜-石墨电刷的性能比较
  密度/(g·cm-3) 冲击韧性/(J·cm-2) 抗弯强度/(MPa) 电阻率 /(μΩ·m) 摩擦系数
石墨/铜复合材料 2.7~3.5 2.5~4.5 40~55 0.8~3.5 0.14~0.3
J201 2.9 1.2 38 5.3 0.18
粉末冶金法制备石墨/铜复合材料要改善界面结合，需在石墨表面镀铜，即增加粗化、敏化、活化等工艺步骤，提高了成本。本发明通过自发熔渗的方法制备石墨/铜复合材料，工艺简单，成本低廉。
有研究者通过添加Ti这样的碳化物形成元素来改善炭/铜界面的润湿性，进而通过熔渗方法制备炭/铜复合材料。石墨/铜复合材料是炭/铜复合材料的一种类型。本发明研究发现添加Zr元素也可以改善石墨/铜界面的润湿性，且更有优势。因为Zr元素的密度为6.49g/cm3，而Ti元素密度为4.5g/cm3，若添加同样质量分数10wt%的Zr粉或Ti粉在铜基体中，则Zr的摩尔分数为12%，而Ti的摩尔分数为18%。添加的碳化物形成元素的摩尔分数越大，界面上生成的碳化物就越多。在石墨/铜复合材料使用过程中，界面处生成的硬质碳化物相容易损伤与之对磨的摩擦副材料，因此选用Zr元素来减少碳化物的生成有助于保护摩擦副材料。
作为一种优选方式：步骤一中，混合粉末中锆粉的质量分数为5%~15%。采用本比例的混合能够增强铜锆合金在真空条件下无压渗入到石墨基体中的效率。
作为一种优选方式：步骤二中，石墨块采用模压或挤压方式得到，石墨颗粒度为0.8mm，密度为1.6~2.2g/cm3，抗弯强度15~35MPa，本优选条件可以有效提高滑动导电用石墨/铜复合材料的性能，与本优选条件差别越大，完成后的滑动导电用石墨/铜复合材料性能越差。
作为一种优选方式：步骤三中，真空炉的真空度为10-3~20Pa，保温温度为1150~1400℃，保温时间20~60分钟，此条件为最佳熔渗的条件。
具体实施方式：
实施例1：
本实施例的实验材料是密度为1.6g/cm3模压石墨块，抗弯强度18MPa，石墨坯料的尺寸为10*10*50mm3。具体实施方法：第一步，称取铜粉和锆粉配置成30g混合粉末，锆粉的质量分数为5wt.%，坩埚中充分搅拌混合；第二步，将石墨块置于刚玉坩埚中，用混合粉末完全包埋石墨块；第三步，将装有石墨块和混合粉末的刚玉坩埚置于真空炉中，抽真空至15Pa后升温至1300℃，保温60min后停止加热；第四步，炉温降至室温后，从炉中坩埚内取出石墨块，将石墨块表面的铜合金铣去即得石墨/铜复合材料。其弯曲强度≥50MPa，冲击韧性≥2.8J/cm2，电阻率≤1uΩm，摩擦系数≤0.3。
实施例2：
本实施例的实验材料是密度为1.8g/cm3模压石墨块，抗折强度21MPa，石墨坯料的尺寸为10*10*50mm3。具体实施方法：第一步，称取铜粉和锆粉配置成30g混合粉末，Zr粉的质量分数为8wt.%，坩埚中充分搅拌混合；第二步，将石墨块置于陶瓷坩埚中，用混合粉末包埋石墨块；第三步，将内置有石墨块和混合粉末的刚玉坩埚置于真空炉中，抽真空至0.1Pa后升温至1200℃，保温30min后停止加热；第四步，炉温降至室温后，从炉中坩埚内取出石墨块，将石墨块表面的铜合金铣去即得石墨/铜复合材料。其弯曲强度≥45MPa，冲击韧性≥2.3J/cm2，电阻率≤4.5uΩm，摩擦系数≤0.2。
实施例3：
本实施例的实验材料是密度为1.8 g/cm3模压石墨块，抗折强度21MPa，石墨坯料的尺寸为10*10*50mm3。具体实施方法：第一步，称取铜粉和锆粉配置成30g混合粉末，锆粉的质量分数为15wt.%，坩埚中充分搅拌混合；第二步，将石墨块置于刚玉坩埚中，用混合粉末包埋石墨块；第三步，将内置有石墨块和混合粉末的陶瓷坩埚置于真空炉中，抽真空至15Pa后升温至1300℃，保温60min后停止加热；第四步，炉温降至室温后，从炉中坩埚内取出石墨块，将石墨块表面的铜合金铣去即得石墨/铜复合材料。其弯曲强度≥50MPa，冲击韧性≥2.7J/cm2，电阻率≤3.5uΩm，摩擦系数≤0.3。

Claims (4)

1.一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法，其特征在于按照如下的步骤进行：
步骤一：称取铜粉和锆粉配置成混合粉末，充分搅拌混合；
步骤二：将石墨块置于刚玉坩埚中，用步骤一所述的混合粉末包埋石墨块；
步骤三：将步骤二的内置有石墨块和混合粉末的刚玉坩埚置于真空炉中，抽真空后升温至保温温度保温；
步骤四：保温结束后，将炉温降至室温，从炉中坩埚内取出石墨块，用机加工方法去除石墨块表面的铜合金即得石墨/铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，混合粉末中锆粉的质量分数为5%~15%。
3.根据权利要求1所述的一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，石墨块采用模压或挤压方式得到，石墨颗粒度为0.8mm，密度为1.6~2.2g/cm3，抗弯强度15~35MPa。
4.根据权利要求1所述的一种滑动导电用石墨/铜复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，真空炉的真空度为10-3~20Pa，保温温度为1150~1400℃，保温时间20~60分钟。
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