CN110016583B - 一种金-陶瓷电接触复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金‑陶瓷电接触复合材料及其制备方法，复合材料成分(重量％)为：陶瓷(Ti3SiC2)为：1％～5％，氧化锌(ZnO)为：0.1％～5.0％，稀土氧化物(Sm2O3)为：0.1％～5.0％，稀土氧化物(Gd2O3)为：0.1％～5.0％，余量为金。其制备方法包括：将电解法制备的金粉与陶瓷粉按重量百分比配好，放入高能搅拌式球磨机中混合均匀，再采用冷等静压、真空烧结、热挤压、拉拔、轧制等加工。本发明的特点在于：制备工艺简单，对环境无污染，复合材料的综合性能优异且稳定，适合于制备换向器、滑环、电刷、电极等电接触材料等。

Description

一种金-陶瓷电接触复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金-陶瓷电接触复合材料及其制备方法，属于金基电工材料领域。
背景技术
金基电工材料主要有AuNi、AuCu、AuAg、AuAgCu、AuPd、AuAgNi、AuLa2O3、AuY2O3等，主要用作机器人、无人机、电动汽车等的机电领域中的电刷、换向器、滑环、电极等材料。然而，现在传统用的金基电工材料存在的主要问题是：(1)耐磨性差，噪音大；(2)硬度、强度高，与导电率不匹配；(3)综合性能不稳定，工作寿命短等。为了解决这一矛盾，通常采用多元合金化和金基材料的复合化等来解决，然而，随着新型工业对材料在苛刻条件下的使用性能和稳定性要求的提高，需要使金基电工材料具有更加优良的硬度、强度、耐磨性和导电性能。
国内外有关行业机构进行了大量的研究和开发工作。国际上如，比利时的优美科公司(Umicore)、荷兰的麦特龙公司(Metalor)、德国的德格萨公司(Degussao)、美国的大都克公司(Doduco)、日本的田中公司(Tanaka)等；国内，如昆明贵金属研究所、北京有色金属研究院、西北有色金属研究院、佛山精密电工合金有限公司、桂林金格电工有限公司、天津大都克电工合金有限公司等单位，进行了大量的研究工作。
在金-陶瓷系列电接触复合材料中，Ti3AlC2、ZnO材料是较理想的一种自润滑材料，其具有优良的导电、导热性能，较大的长径比和比表面积等特点，与有色金属基体润湿性能好，受到电工合金行业的广泛关注，将Ti3AlC2、ZnO材料作为增强体，添加到贵金属基体中，利用其优良的性能，制备出高强高导耐磨的金-陶瓷电接触复合材料。
尽管金-陶瓷电接触复合材料表现出了较好的导电、导热、耐磨及力学性能，但是因为纳米稀土氧化物(Sm2O3、Gd2O3)相难于分散，以及与金基体的润湿性差，导致稀土氧化物颗粒在金基体中容易团聚，界面结合力弱，复合材料致密度较低等问题，从而使金-陶瓷基复合材料的性能没能得到较好的发挥。因此，结合高能搅拌球磨、冷等静压、真空烧结等先进制备工艺，目的在于发挥金-陶瓷电接触复合材料的高强高导耐磨性能，从制备工艺入手，解决金-陶瓷电接触复合材料制备中的技术问题，以实现金-陶瓷电接触复合材料的规模化应用。
贵研铂业股份有限公司在长期从事贵金属电工触头材料研究和开发的基础上，选择Ti3SiC2、ZnO、Sm2O3、Gd2O3等纳米级陶瓷颗粒作为自润滑相和强化相，发现混合陶瓷的加入会有效地提高金基电接触材料的抗电弧烧蚀能力、改善材料的抗熔焊性，促进材料电接触性能的提高。同时，高能搅拌式球磨技术，还形成纳米级等轴晶粒组织，陶瓷、稀土氧化物等颗粒，均匀分布于金基体的晶内和晶界上，改善了材料的组织均匀性，提高了材料的物理、力学、电学和电接触性能等，同时对复合材料的塑性和电阻率影响较小。
另外，利用添加陶瓷混合物制备复合材料，冷等静压、真空烧结、热挤压加工等先进加工技术的优化集成，为金-陶瓷电接触复合材料的规模化制备提供了新途径。
发明内容
本发明的金-陶瓷电接触复合材料其化学成份(重量％)为：：陶瓷(Ti3SiC2)为：1％～5％，氧化锌(ZnO)为：0.1％～5.0％，稀土氧化物(Sm2O3)为：0.1％～5.0％，稀土氧化物(Gd2O3)为：0.1％～5.0％，余量为金。
本发明的金-陶瓷电接触复合材料的制备方法如下：
(1)将电解法制备的-100目Au粉末与-300目的Ti3AlC2陶瓷、稀土氧化物、氧化锌粉末，按重量百分比的材料成分要求配比好，放入高能搅拌式球磨罐体中，以转速100r/min-1000r/min，交变时间为1min-2min，球料比为(3-5):1，球磨5-20小时后，得到混合均匀的金-陶瓷复合粉体材料。
(2)将过程(1)中混合均匀的金-陶瓷复合粉体材料放于真空退火炉中进行净化退火处理，以消除球磨加工过程产生的硬化现象，热处理温度为100℃-300℃，时间为2-5小时。
(3)将过程(2)中获得的金-陶瓷复合粉体材料装入直径为Φ10mm-Φ30mm的橡胶模中，进行人等静压致密化成型加工，具体工艺为：冷等静压压力为100MPa-200MPa，保压时间10min-30min，获得相对密度在85％以上的致密金-陶瓷复合材料。
(4)再将金-陶瓷复合材料锭坯进行真空烧结，预抽真空度为<1×10-3Pa，升温速率10℃/min-20℃/min，烧结温度为700℃-900℃，保温时间1-5小时，获得相对密度在99％以上的高致密金-陶瓷复合材料。
(5)再将金-陶瓷复合材料锭坯挤压为板材、丝材，挤压比>30:1，挤压温度为500℃-800℃。
(6)挤压材料再经过轧制、拉拔、热处理等加工，制备成丝材、板材、异型材等制品；轧制、拉拔变形量为5％-30％，热处理温度为500℃-750℃。
具体实施方式
本发明的金-陶瓷电接触复合材料的具体实施列为：
(1)金-陶瓷电接触复合材料的物理、力学性能如表1所示。
表1.金-陶瓷电接触复合材料的性能指标
Figure BDA0001974991150000041
(2)本发明的金-陶瓷电接触复合材料在摩擦磨损试验机上进行电接触磨损性能实验，具体结果如表2所示。
表2.金-陶瓷电接触复合材料电接触性能指标
实施例 材料名称 试验条件 磨损量/mg
1 Au-0.5Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>0.5ZnO0.5Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>0.5Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 直流:24V,3A；运行5万转。 35.64
2 Au-1.0Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>1.0ZnO1.0Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>1.0Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 直流:24V,3A；运行5万转。 26.15
3 Au-2.0Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>2.0ZnO2.0Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>2.0Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 直流:24V,3A；运行5万转。 15.71
4 Au-3.0Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>3.0ZnO3.0Sm<sub>2</sub>O<sub>3</sub>3.0Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 直流:24V,3A；运行5万转。 8.22

Claims (2)

1.一种金-陶瓷电接触复合材料，其特征在于：该材料以Ti 3 SiC 2陶瓷、稀土氧化物、氧化锌为增强相，以重量百分比计，以金为基体，材料化学成分为：陶瓷即Ti 3 SiC 2为：1％-5％，氧化锌即ZnO为：0.1％-5.0％，稀土氧化物即Sm 2 O 3为：0.1％-5.0％，Gd 2 O 3为：0.1％-5.0％，余量为金。
2.一种金-陶瓷新型电接触复合材料的制备方法，其特征在于：该材料以Ti 3 SiC 2陶瓷、稀土氧化物、氧化锌为增强相，以重量百分比计，以金为基体，材料化学成分为：陶瓷即Ti 3 SiC 2为：1％-5％，氧化锌即ZnO为：0.1％-5.0％，稀土氧化物即Sm 2 O 3为：0.1％-5.0％，Gd 2 O 3为：0.1％-5.0％，余量为金，
制备包括以下工艺过程：
(1)将电解法制备的-100目Au粉末与-300目的Ti 3 AlC 2陶瓷、稀土氧化物、氧化锌粉末，按重量百分比的材料成分要求配比好，放入高能搅拌式球磨罐体中，以转速100r/min-1000r/min，交变时间为1min-2min，球料比为3-5:1，球磨5-20小时后，得到混合均匀的金-陶瓷复合粉体材料；
(2)将过程(1)中混合均匀的金-陶瓷复合粉体材料放于真空退火炉中进行净化退火处理，以消除球磨加工过程产生的硬化现象，热处理温度为100℃-300℃，时间为2-5小时；
(3)将过程(2)中获得的金-陶瓷复合粉体材料装入直径为Φ10mm-Φ30mm的橡胶模中，进行静压致密化成型加工，具体工艺为：静压压力为100MPa-200MPa，保压时间10min-30min，获得相对密度在85％以上的致密金-陶瓷复合材料；
(4)再将金-陶瓷复合材料锭坯进行真空烧结，预抽真空度为<1×10-3 Pa，升温速率10℃/min-20℃/min，烧结温度为700℃-900℃，保温时间1-5小时，获得相对密度在99％以上的高致密金-陶瓷复合材料；
(5)再将金-陶瓷复合材料锭坯挤压为板材、丝材，挤压比>30:1，挤压温度为500℃-800℃；
(6)挤压材料再经过轧制、拉拔、热处理加工，制备成丝材、板材、异型材制品；轧制、拉拔变形量为5％-30％，热处理温度为500℃-750℃。
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