一种镀铜石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种镀铜石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法，步骤为：石墨烯镀铜、铜熔炼、铜熔体中加入稀土与金属、镀铜石墨烯合金熔体、浇铸成型、去应力退火、加工成型。本发明在铜合金中加入稀土，提高铜合金电触头材料的抗氧化性和耐电弧烧损能力，镀铜石墨烯改善了石墨烯与金属间的界面润湿性，有利于获得良好界面结合，使复合材料导电性、导热性能、抗电弧侵蚀性进一步提高，更好地满足电触头的性能需求。

权利要求

1.一种镀铜石墨烯增强铜基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在石墨烯表面沉积金属铜制成镀铜石墨烯；

（2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，铜熔体中加入铜重量0.05-2.0%稀土与0.5-

5.0%金属X，充分搅拌，制成铜-稀土-X合金熔体，所述X选自锌、铝、镍、铋和锑中的一种或几种；

（3）镀铜石墨烯加入铜-稀土-X合金熔体中，镀铜石墨烯与铜-稀土-X合金熔体的重量比为1.0-5.0:95-99.0，充分搅拌后浇铸成型制成复合材料；

（4）复合材料去应力退火，挤压或轧制加工成型，制成镀铜石墨烯增强铜基电触头材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中石墨烯的层数为N层，N为1-10。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中直流磁控溅射的工艺参数为：靶材是纯度为99.99%的铜靶，在真空度达到0.1*10-3-1.0*10-3 Pa时，通入纯度

99.99%的氩气，工作气压为0.8-1.5Pa，溅射功率80-160W，沉积时间为5-30min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中稀土选自镧、铈、钇、镨和钕中的一种或几种，稀土采用铜箔包裹加入，采用石墨罩直接压入熔体液面以下，保持3-5分钟后充分搅拌。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中稀土选自镧、铈中的一种或两种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中退火温度为200-300℃，退火时间2小时。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）复合材料退火后轧制加工成型，轧制温度为600-850℃，轧制变形量80%-90%。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）复合材料退火后挤压加工成型，挤压温度600-850℃，挤压比50：1-150：1。

说明书

一种镀铜石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电触头材料的制备方法，尤其涉及一种镀铜石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法。

背景技术

[0002] 电触头材料是仪器仪表的关键部件，对仪器仪表的寿命和工作可靠性起着重要的作用。铜基触头材料由于价格低廉、导电、导热性能与银相近，近年来已部分代替银基触头，减少贵金属银的损耗。但是，由于铜触头材料极易氧化，生成具有低电阻率的氧化铜和氧化亚铜，增大了触头元件的接触电阻，使其在使用过程中容易发热，导致触头材料的可靠性和使用寿命降低。

[0003] 现有专利文献（公开号CN102385938A），公开了一种金属基石墨烯复合电接触材料及其制备方法，电接触材料，包含0.02-10wt%的石墨烯，其余为金属基体材料。由于石墨烯增强相的加入，使该复合电接触材料具有比其他增强相复合电接触材料更好的导电、导热性能和更高的硬度和耐磨性。但因使用有毒有害的水合肼为还原剂，难以满足环保要求。

[0004] 稀土在我国储量丰富，占世界稀土储量的80%，开发稀土元素添加的高品质有色合金是我国的独有优势。稀土元素比较活泼，添加到金属铜中，可以脱气除渣，细化晶粒，提高铜合金的耐腐蚀性能和耐磨损性能。

[0005] 公开号为CN105063413A，公开了一种铜基触头材料及制备工艺，铜基触头材料包含以下重量成份，0.2-0.6％的镁，0.05-0.3％的锑，0.05-0.4％的铋，0.05- 0.3％的锡，0.05-0.3％的铬，0.005-0.05％硼，0.02-0.1％镧，0.2-0.5％石墨和余量的铜，通过加入适量的硼、锡、锑粉末，提高电触头制成品的强度和耐磨性。

[0006] 公开号为CN101145450A的中国专利，公布了一种特种粉末铜合金电触头材料，其特征在于：所述材料的组合物，按重量百分比的组分为：稀土：0.1％～1％，硼：0.01％～0.1％，铝：0.1％～1％，银：0.1％～1％，导电陶瓷：0.2％～2％，金刚石粉：0.2％～2％，余量为铜和不可避免的杂质。

[0007] 上述两项专利都通过稀土或者稀土氧化物的添加来提高铜合金的耐蚀性、抗氧化性，但同时由于陶瓷颗粒、铬等低导电性的材料添加，在一定程度上降低了铜触头材料的导电、导热性能，因此难以获得综合性能优异的铜基触头材料。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种导电性能好、接触电阻低且稳定、抗熔焊性能佳、硬度高及易制备的镀铜石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法。

[0009] 本发明是通过下面的技术方案来实现的。

[0010] 一种镀铜石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

[0011] （1）采用直流磁控溅射法在石墨烯表面沉积金属铜制成镀铜石墨烯；

[0012] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，铜熔体中加入铜重量0.05-2.0%稀土与0.5-5.0%金属X，充分搅拌，制成铜-稀土-X合金熔体，所述X选自锌、铝、镍、铋和锑中的一种或几种；

[0013] （3）镀铜石墨烯加入铜-稀土-X合金熔体中，镀铜石墨烯与铜-稀土-X合金熔体的重量比为1.0-5.0:95-99.0，充分搅拌后浇铸成型制成复合材料；

[0014] （4）复合材料去应力退火，挤压或轧制加工成型，制成镀铜石墨烯增强铜基电触头材料。

[0015] 优选地，所述步骤（1）中石墨烯的层数为N层，N为1-10。

[0016] 所述步骤（1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数1-10）表面沉积金属铜制备成镀铜石墨烯。纯度为99.99%的铜靶材安装前先用细砂纸进行研磨去除表面氧化膜，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。直流磁控溅射的工艺参数为：靶材是纯度为-3 -399.99%的铜靶，在真空度达到0.1*10 -1.0*10 Pa时，通入纯度99.99%的氩气，工作气压为
0.8-1.5Pa，溅射功率80-160W，沉积时间为5-30min。

[0017] 优选地，所述步骤（2）中稀土选自镧、铈、钇、镨和钕中的一种或几种，稀土采用铜箔包裹加入，采用石墨罩直接压入熔体液面以下，保持3-5分钟后充分搅拌。

[0018] 更优选地，步骤（2）中稀土选自镧、铈中的一种或两种。

[0019] 优选地，步骤（4）中退火温度为200-300℃，退火时间2小时。

[0020] 优选地，步骤（4）中复合材料退火后轧制加工成型，轧制温度为600-850℃，轧制变形量80%-90%。

[0021] 优选地，步骤（4）中复合材料退火后挤压加工成型，挤压温度600-850℃，挤压比50：1-150：1。

[0022] 本发明的有益成果是：

[0023] （1）本发明在铜合金中添加石墨烯增强体作为骨架，使材料具有高硬度、高耐磨性、抗机械冲击性能、抗电弧烧蚀性能。

[0024] （2）通过直流磁控溅射法在石墨烯表面沉积铜，可避免了石墨烯作为纳米颗粒在混粉过程中团聚。同时，镀铜石墨烯改善了石墨烯与金属间的界面润湿性，有利于获得良好界面结合，使复合材料导电性、导热性能、抗电弧侵蚀性进一步提高，更好地满足电触头的性能需求。

[0025] （3）稀土金属的加入，提高铜合金电触头材料的抗氧化性和耐电弧烧损能力。

[0026] （4）普通铸造工艺，工艺简单，有利于工业化大生产。

具体实施方式

[0027] 实施例1

[0028] （1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数1-10）表面沉积金属铜制备成镀铜石墨烯。纯度为99.99%的铜靶材安装前先用细砂纸进行研磨去除表面氧化膜，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-3后续石墨烯表面沉积铜膜的纯度。直流磁控溅射的工艺参数为：在真空度达到0.1*10  Pa时，通入纯度99.99%的氩气，工作气压0.8Pa，溅射功率80W，沉积时间为30min。

[0029] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，铜熔体中加入铜重量含量0.05%稀土铈与0.5%金属锌，稀土铈采用铜箔包裹加入，采用石墨罩直接压入熔体液面以下，保持3-5分钟后充分搅拌，制成铜-铈-锌合金熔体。

[0030] （3）镀铜石墨烯加入铜-铈-锌合金熔体中，镀铜石墨烯与铜-铈-锌合金熔体的重量比为1.0: 99.0，充分搅拌后浇铸成型制成复合材料。

[0031] （4）复合材料去应力退火，退火温度为200℃，退火时间2小时。退火后材料挤压成型，挤压温度600℃，挤压比50：1，制成镀铜石墨烯增强铜基电触头材料。

[0032] 实施例2

[0033] （1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数1-10）表面沉积金属铜制成镀铜石墨烯。纯度为99.99%的铜靶材安装前先用细砂纸进行研磨去除表面氧化膜，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。直流磁控溅射的工艺参数为：在真空度达到1*10-3 Pa时，通入纯度99.99%的氩气，工作气压在1.5Pa，溅射功率在160W，沉积时间为5min。

[0034] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，铜熔体中加入铜重量含量2.0%稀土镧与5.0%金属锌，稀土镧采用铜箔包裹加入，采用石墨罩直接压入熔体液面以下，保持3-5分钟后充分搅拌，制成铜-镧-锌合金熔体。

[0035] （3）镀铜石墨烯加入铜-镧-锌合金熔体中，镀铜石墨烯与铜-镧-锌合金熔体的重量比为5.0: 95.0，充分搅拌后浇铸成型制成复合材料。

[0036] （4）复合材料去应力退火，退火温度为300℃，退火时间2小时。退火后材料挤压成型，挤压温度850℃，挤压比150：1，制成镀铜石墨烯增强铜基电触头材料。

[0037] 实施例3

[0038] （1）采用直流磁控溅射法在石墨烯（层数1-10）表面沉积金属铜制成镀铜石墨烯。纯度为99.99%的铜靶材安装前先用细砂纸进行研磨去除表面氧化膜，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。直流磁控溅射的工艺参数为：在真空度达到0.3*10-3 Pa时，通入纯度99.99%的氩气，工作气压在1.0Pa，溅射功率在100W，沉积时间为15min。

[0039] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，铜熔体中加入铜重量含量0.5%稀土镧与1.0%金属锌，稀土镧采用铜箔包裹加入，采用石墨罩直接压入熔体液面以下，保持3-5分钟后充分搅拌，制成铜-镧-锌合金熔体。

[0040] （3）镀铜石墨烯加入铜-镧-锌合金熔体中，镀铜石墨烯与铜-镧-锌合金熔体的重量比为2.0: 98.0，充分搅拌后浇铸成型制成复合材料。

[0041] （4）复合材料去应力退火，退火温度为300℃，退火时间2小时。退火后复合材料轧制成型，轧制温度600-850℃，变形量为80-90%，制成镀铜石墨烯增强铜基电触头材料。

[0042] 实施例4

[0043] 镀铜石墨烯加入铜-1.0%镧-2.0%锌合金熔体中，镀铜石墨烯与铜-镧-锌合金熔体的重量比为3.0: 97.0，其他参数同实施例3，制成镀铜石墨烯增强铜基电触头材料。

[0044] 实施例5

[0045] 镀铜石墨烯加入铜-1.0%铈-1.0%锌合金熔体中，镀铜石墨烯与铜-铈-锌合金熔体的重量比为2.0: 98.0，其他参数同实施例3，制成镀铜石墨烯增强铜基电触头材料。

[0046] 对比例1

[0047] 未镀铜的石墨烯加入铜熔体中，石墨烯与铜重量比为2.0: 98.0，其他参数同实施例3，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0048] 对比例2

[0049] 未加石墨烯，铜-1.0%铈-1.0%锌合金熔体按照实施例3工艺制成铜基电触头材料。

[0050] 制成的复合材料各项参数如下表：

[0051]

[0052] 实施例中，加入镀铜石墨烯制成的镀铜石墨烯增强铜基电触头材料，与对比例1中的只加入石墨烯，未加入稀土金属制成的电触头材料相比，硬度、电导率都有一定的提高；与对比例2中只加入稀土金属，未加入石墨烯制成的电触头材料相比，硬度明显提高，电导率也有一定的提高。

[0053] 本发明通过添加镀铜石墨烯提高电触头的硬度、电导率及耐电弧烧蚀性，通过添加稀土金属提高了电触头材料的抗氧化性，得到综合性能良好的电触头材料。