CN105525130B - 一种铜铬电触头材料及其制备方法 - Google Patents

一种铜铬电触头材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

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。电触头材料由重量为0.2‑3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0‑99.9wt.%铜合金组成。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、真空电弧熔炼。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。真空电弧熔炼，熔炼时间短，避免了石墨烯颗粒的偏聚，有效避免铜基体氧化。

Description

一种铜铬电触头材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜铬电触头材料及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯增强铜基电触头复合材料及其制备方法。
背景技术
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。
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
本发明目的在于提供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，降低截断电流，同时提高导电、导热性。
此外本发明还提供了上述电触头材料的制备方法。
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，一种电触头材料，其特征在于，由括重量比为0.2-3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0-99.8wt.%铜合金组成，铜合金的重量成分为10-30wt.%的铬、0.2-2.0wt.%的X、余量为铜，X选自锑、铋、碲中一种或几种。
优选地，石墨烯为N层，N为1-10。
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*10-3-1.0*10-3Pa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。
（2）铜合金采用雾化法制成200-300目的铜合金粉末。
（3）镀铜石墨烯和铜合金装入球磨机混粉，制成镀铜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。
（4）将步骤（3）混合后的粉末放入模具中进行致密化处理。
（5）真空电弧熔炼，熔炼工艺：真空度1.0*10-3 -3.0*10-3Pa，工作气体为氩气，工作气压为0.01-0.1Pa，熔炼时间1-2分钟，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
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高。
（2）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。真空电弧熔炼，熔炼时间短，避免了石墨烯颗粒的偏聚，有效避免铜基体氧化。
具体实施方式
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0.1*10-3Pa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。
（2）将含有10%铬、0.2%锑、89.8%铜的合金粉采用气体雾化法制成300目铜合金粉末。
（3）镀铜石墨烯与铜-10%铬-0.2%锑合金粉按0.2:99.8的重量比装入球磨机中，球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速100r/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匀混合的粉末。
（4）将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力400MPa。
（5）制成的块坯放入真空电弧熔炼，真空度1.0*10-3Pa，工作气体为高纯氩气，工作气压为0.01Pa，熔炼时间2分钟，制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
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1.0*10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压1.2Pa，溅射功率150W，沉积时间为10min。
（2）将含有30%铬、2.0%锑、68%铜的合金粉采用气体雾化法制成200目铜合金粉末。
（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，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。
（4）将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力300MPa。
（5）制成的块坯放入真空电弧熔炼，真空度1.0*10-3Pa，工作气体为高纯氩气，工作气压为0.1Pa，熔炼时间1分钟，制备出石墨烯增强铜基电触头复合材料。
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*10-3Pa时，通入高纯氩气，真空室气压1.0Pa，溅射功率140W，沉积时间为5min。
（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。
（3）将镀铜石墨烯：铜-20%铬-0.2%锑的合金粉按1.0:99.0的重量比例装入球磨机中，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，获得镀铜石墨烯和铜合金均匀混合的粉末。
（4）将混合后粉末放入模具中进行致密化处理，压力300MPa。
（5）制成的块坯放入真空电弧熔炼，真空度1.0*10-3Pa，工作气体为高纯氩气，工作气压为0.05Pa，熔炼时间1分钟，制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
实施例4
镀铜石墨烯：铜-25%铬-0.5%锑的合金粉按0.5:99.5的重量比例装入球磨机，其他条件同实施例3，制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
实施例5
镀铜石墨烯：铜-25%铬-0.5%锑的合金粉按1.0:99.0的重量比例装入球磨机中,其他参数同实施例3，制备出石墨烯增强铜基电触头材料。
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混粉，其它参数同实施例3，制成铜铬电触头材料。
对比例2
添加2.0wt.%石墨烯的铜粉装入球磨机混粉，其它参数同实施例3，制成铜基电触头材料。
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基电触头材料，与对比例1中的铜合金制成的铜铬电触头材料相比，硬度明显提高，电导率也有一定的提高；与对比例2中加入石墨烯的铜相比，硬度明显提高，电导率也有一定的下降，综合性能良好。

Claims (6)

1.一种铜铬电触头材料的制备方法，其特征在于，电触头材料，由重量比为0.2-3.0wt.%镀铜石墨烯和97.0-99.8wt.%铜合金组成，铜合金的重量成分为10-30wt.%的铬、0.2-2.0wt.%的X、余量为铜，X选自锑、铋、碲中一种或几种；
制备方法包括以下步骤：
（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）镀铜石墨烯和铜合金装入球磨机混粉，制成镀铜石墨烯和铜合金均匀混合的粉末；
（4）将步骤（3）混合后的粉末放入模具中进行致密化处理；
（5）真空电弧熔炼，制成石墨烯增强铜基的电触头材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜铬电触头材料的制备方法，其特征在于，石墨烯为N层，N为1-10。
3.根据权利要求1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*10-3-1.0*10-3Pa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。
4.根据权利要求1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时间为10-30min。
5.根据权利要求1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1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）中熔炼工艺：真空度1.0*10-3 -3.0*10-3Pa，工作气体为氩气，工作气压为0.01-0.1Pa，熔炼时间1-2分钟。
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