一種銅鉻電觸頭材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種銅鉻電觸頭材料及其制備方法，尤其涉及一種鍍銅石墨烯增強銅 基電觸頭材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 目前，銅-鉻合金具有抗電弧燒蝕性、抗熔焊性能及好的分段電流能力，已成為中 壓(5_38kV)大電流開關的首選觸頭材料。銅鉻合金中第二相鉻粒子的平均尺寸細化，使銅 鉻合金獲得更高的電接觸性能，如截斷電流減小，絕緣強度增高，抗熔焊性進一步增強。
[0003] 對于CuCr合金細化，公開號為CN104946915A，采用甩帶法或水冷旋轉霧化法制備 細晶CuCr合金，球磨后再冷壓燒結制成合金。公開號為CN104889401A，公布了一種采用真空 自耗電弧熔煉工藝制備CuCr25電觸頭的方法。兩項專利探討了通過制備工藝細化鉻晶粒， 獲得高性能的CuCr合金觸頭材料。目前，電觸頭材料性能具有進一步提升的空間。
【發明內容】
[0004]本發明涉及一種銅鉻電觸頭材料，鍍銅石墨烯作為第二相添加到銅鉻合金組織 中，提高CuCr合金耐磨性、絕緣強度和抗熔焊性，同時提高導電、導熱性。
[0005]此外本發明還提供了上述銅鉻電觸頭材料的制備方法。
[0006]本發明為解決上述問題提出的技術方案： 一種銅鉻電觸頭材料，其特征在于，由重量比為〇 . 1-3 .Owt. %鍍銅石墨烯和97.0_ 99 · 9wt· %銅合金組成，銅合金的重量成分為10-30wt· %的鉻、0 · 1-2 ·Owt· %的X、余量為銅，X 選自銻、鉍、碲中一種或幾種。
[0007] 優選地，石墨烯為N層，N為1-10。
[0008]上述銅鉻電觸頭材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1)采用直流磁控濺射法將金屬銅沉積在石墨烯表面，制成鍍銅石墨烯。直流磁控濺射 沉積設備的具體工藝為：真空度達到0.1*1(T3-1. 〇*l(T3Pa時，通入高純氬氣，真空室氣壓 0.5-1.2Pa，濺射功率 100-150W，沉積時間為 5-30min，優選 10-30min。
[0009] (2)銅合金采用霧化法制成200-300目的銅合金粉末。
[0010] (3)鍍銅石墨稀和銅合金裝入球磨機球磨，制成鍍銅石墨稀和銅合金均勾混合的 粉末。球磨機工作狀態為:轉速100_250r/min，球磨15-20分鐘，停止5分鐘，順時針、逆時針 交替運行，混粉時間為2-6小時。
[0011] (4)將步驟(3)混合后的粉末放入模具中進行致密化處理。
[0012] (5)熱壓燒結，工藝為:采用氬氣保護，燒結溫度700-900°C，燒結壓力30-60MPa，時 間2-4h。塑性加工成型，制成石墨烯增強銅鉻的電觸頭材料。
[0013]本發明的有益成果是： (1)這種銅鉻電觸頭材料，石墨烯作為第二相添加，可細化晶粒，抑制晶粒長大，提高耐 磨性，抗熔焊性進一步增強。此外，鍍銅石墨烯改善了石墨烯與金屬間的界面結合力，獲得 良好界面結合，解決了石墨烯與基體間界面潤濕的問題，使復合材料導電性、導熱性能、抗 電弧侵蝕性進一步提尚。
[0014](2)銅鉻電觸頭的制備方法，采用直流磁控濺射法在石墨烯表面沉積銅，形成的結 構，減少石墨烯作為納米顆粒在混粉過程中的團聚。
【具體實施方式】 [0015] 實施例1 (1)采用直流磁控濺射法在石墨烯(層數為1-10層)表面沉積金屬銅制備成鍍銅石墨 烯。純度為99.99%的銅靶安裝前先用細砂紙進行打磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘 干。直流磁控濺射沉積前進行5分鐘預濺射，去除靶材表面的金屬氧化物及其它雜質，保證 后續石墨烯表面沉積銅膜的純度。濺射參數如下:真空度達到0.l*l〇_3Pa時，通入高純氬氣， 真空室氣壓0.5Pa，濺射功率100W，沉積時間為30min。
[0016] (2)將含有10%鉻、0.2%鋪、89.8%銅的合金粉采用氣體霧化法制成300目銅合金粉 末。
[0017](3)鍍銅石墨烯與銅-10%鉻-0.2%銻合金粉按0.1:99.9的重量比裝入球磨機中，球 磨罐先抽真空再通入氬氣保護，轉速l〇〇r/min，球磨混粉過程中，順時針球磨15分鐘，停止5 分鐘，逆時針球磨15分鐘，停止5分鐘，依此交替工作，球磨時間6小時，獲得鍍銅石墨烯和銅 合金均勾混合的粉末。
[0018](4)將混合后粉末放入模具中進行致密化處理，壓力350MPa。
[0019 ] (5 )制成的塊坯放入熱壓燒結爐中進行燒結，采用氬氣保護，燒結溫度700°C，燒結 壓力30MPa，時間4h，采用擠壓或者乳制等工藝加工成型，制備出石墨烯增強銅鉻電觸頭材 料。
[0020] 實施例2 (1)采用直流磁控濺射法在石墨烯(層數為1-10層)表面沉積金屬銅制備成鍍銅石墨 烯。純度為99.99%的銅靶安裝前先用細砂紙進行打磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘 干。直流磁控濺射沉積前進行5分鐘預濺射，去除靶材表面的金屬氧化物及其它雜質，保證 后續石墨烯表面沉積銅膜的純度。濺射參數如下:真空度達到1. 〇*l〇_3Pa時，通入高純氬氣， 真空室氣壓1.2Pa，濺射功率150W，沉積時間為lOmin。
[0021 ] (2)將含有30%絡、2.0%鋪、68%銅的合金粉采用氣體霧化法制成200目銅合金粉末。 [0022] (3)鍍銅石墨烯與銅-30%鉻-2.0%銻的合金粉按3.0:97.0的重量比裝入球磨機中， 球磨罐先抽真空再通入氬氣保護，轉速250r/min，球磨混粉過程中，順時針球磨20分鐘，停 止5分鐘，逆時針球磨20分鐘，停止5分鐘，依此交替工作，球磨時間2小時，獲得鍍銅石墨烯 和銅合金均勻混合的粉末。
[0023](4)將混合后粉末放入模具中進行致密化處理，壓力300MPa。
[0024](5)制成的塊坯放入熱壓燒結爐中進行燒結，采用氬氣保護，燒結溫度900°C，燒結 壓力60MPa，時間2h，采用擠壓或者乳制等工藝加工成型，制備出石墨烯增強銅鉻電觸頭材 料。
[0025]實施例3 (1)采用直流磁控濺射法在石墨烯(層數為1-10層)表面沉積金屬銅制備成鍍銅石墨 烯。純度為99.99%的靶材安裝前先用細砂紙進行打磨去除表面氧化膜，再用丙酮清洗，烘 干。直流磁控濺射沉積前進行5分鐘預濺射，去除靶材表面的金屬氧化物及其它雜質，保證 后續石墨烯表面沉積銅膜的純度。濺射參數如下:真空度達到0.2*l(T3Pa時，通入高純氬氣， 真空室氣壓1.OPa，濺射功率140W，沉積時間為5min。
[0026] (2)將含有20%鉻、0.2%銻、79.8%銅的合金粉采用氣體霧化法制成200目銅合金粉 末。
[0027] (3)將鍍銅石墨烯：銅-20%鉻-0.2%銻的合金粉按1.0: 99.0的重量比裝入球磨機 中，球磨罐先抽真空再通入氬氣保護，轉速250r/min，球磨混粉過程中，順時針球磨20分鐘， 停止5分鐘，逆時針球磨20分鐘，停止5分鐘，依此循環工作，總計混粉時間4h，獲得鍍銅石墨 烯和銅合金均勻混合的粉末。
[0028] (4)將混合后粉末放入模具中進行致密化處理，壓力300MPa。
[0029] (5)將處理后的塊坯放入熱壓燒結爐中進行燒結，采用氬氣保護，燒結溫度850°C， 燒結壓力40MPa，時間2h，采用擠壓或者乳制等工藝加工成型，制備出石墨烯增強銅鉻電觸 頭材料。
[0030] 實施例4 鍍銅石墨烯與銅-25%絡-0.5%銻的合金粉按0.5:99.5的重量比裝入球磨機，其他條件 同實施例3,制備出石墨烯增強銅鉻電觸頭材料。
[0031 ] 實施例5 鍍銅石墨烯與銅-25%絡-0.5%銻的合金粉按1.0:99.0的重量比裝入球磨機中，其他參 數同實施例3,制備出石墨烯增強銅鉻電觸頭材料。
[0032] 對比例1 未添加鍍銅石墨烯的銅-20%鉻-0.2%銻的合金粉裝入球磨機研磨，其它參數同實施例 3,制成銅鉻電觸頭材料。
[0033] 對比例2 添加0.lwt. %石墨稀的銅粉裝入球磨機研磨，其它參數同實施例3，制成電觸頭材料。
[0034] 制成的復合材料各項參數如下表：
加入鍍銅石墨烯的制成石墨烯增強銅鉻電觸頭材料，與對比例1中的銅合金制成的電 觸頭材料相比，硬度明顯提尚，電導率也有一定的提尚；與對比例2加入石墨稀制成的銅基 電觸頭材料相比，電導率有一定下降，但硬度提高顯著，提高率可達130%。
【主權項】
1. 一種銅鉻電觸頭材料，其特征在于，由重量為ο. 1-3 .Owt. %鍍銅石墨烯和97.0-99 · 9wt· %銅合金組成，銅合金的重量成分為10-30wt· %的鉻、0 · 1-2 ·Owt· %的X、余量為銅，X 選自銻、鉍、碲中一種或幾種。2. 根據權利要求1所述的一種銅鉻電觸頭材料，其特征在于，石墨烯為N層，N為1-10。3. -種權利要求1所述銅鉻電觸頭材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 采用直流磁控濺射法將金屬銅沉積在石墨烯表面，制成鍍銅石墨烯； (2) 銅合金采用霧化法制成200-300目的銅合金粉末； (3) 鍍銅石墨稀和銅合金裝入球磨機球磨，制成鍍銅石墨稀和銅合金均勾混合的粉末； (4) 將步驟(3)混合后的粉末放入模具中進行致密化處理； (5) 熱壓燒結，塑性加工成型，制成石墨烯增強銅基的電觸頭材料。4. 根據權利要求3所述的一種銅鉻電觸頭材料的制備方法，其特征在于，所述步驟（1) 中直流磁控濺射沉積設備的具體工藝為:真空度達到0.1*1(T3-1 .〇*l(T3Pa時，通入高純氬 氣，真空室氣壓0.5-1.2Pa，濺射功率100-150W，沉積時間為5-30min，優選10-30min。5. 根據權利要求3所述的一種銅鉻電觸頭材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3) 中球磨機工作狀態為:轉速100_250r/min，球磨15-20分鐘，停止5分鐘，順時針、逆時針交替 運行，混粉時間為2-6小時。6. 根據權利要求4所述的一種銅鉻電觸頭材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(5) 中熱壓燒結工藝為:采用氬氣保護，燒結溫度700-900°C，燒結壓力30-60MPa，時間2-4h。
【專利摘要】本發明涉及一種銅鉻電觸頭材料，尤其涉及一種石墨烯增強銅鉻電觸頭材料，以及這種材料的制備方法。電觸頭材料由重量為0.1-3.0wt.%鍍銅石墨烯和97.0-99.9wt.%銅合金組成，銅合金的重量成分為10-30wt.%的鉻、0.1-2.0wt.%的X、余量為銅，X選自銻、鉍、碲中一種或幾種。其制備方法為：石墨烯鍍銅、銅合金制粉、球磨混粉、致密化處理、燒結、加工成型。本發明的銅鉻電觸頭材料，在銅鉻合金中添加鍍銅石墨烯作為骨架，使材料具有高硬度、抗機械沖擊性能與抗電弧燒蝕性能的同時，避免了導電性、導熱性的降低。
【IPC分類】B22F3/14, C22C1/05, B22F9/04, C23C14/18, C22C9/00, C23C14/35
【公開號】CN105463238
【申請號】CN201510983358
【發明人】冷金鳳, 周慶波
【申請人】濟南大學
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月24日