一种石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种石墨烯增强铜基电触头材料的制备方法。制备方法为：将重量含量为1.0‑5.0%的石墨烯与95.0‑99.0%的铜粉球磨混粉、冷压成型、铜在中频炉中熔炼、铜熔体中稀土与铜‑石墨烯中间合金，浇铸工艺制成复合材料、去应力退火、加工成型。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、抗熔焊性。稀土的加入，提高铜合金电触头材料的抗氧化性和耐电弧烧损能力。

权利要求

1.一种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）将重量含量为1.0-5.0%的石墨烯、95.0-99.0%的铜粉装入球磨机混粉，冷压成型制成铜-石墨烯中间合金；球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速150-

350r/min，球磨15-20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间2-4h；

（2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼；

（3）在铜熔体中加入铜重量0.03-2.0%的稀土，充分搅拌制成铜-稀土合金熔体，再加入铜-稀土合金重量10-30%的铜-石墨烯中间合金，浇铸工艺制成复合材料；

（4）步骤（3）的复合材料去应力退火，退火后挤压或轧制加工成型，制成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，步骤（1）中石墨烯的层数为N层，N为1-

10，所述铜粉纯度为99.9%，粒度为150-300目。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述冷压成型压力为200-

400MPa，保压时间3-5分钟。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）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，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后进行搅拌。

5.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2-6小时。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中退火时间4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）中复合材料退火后轧制加工成型，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）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。

说明书

一种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102385938A），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105063413A，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101145450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）将重量含量为1.0-5.0%的石墨烯、95.0-99.0%的铜粉装入球磨机混粉，冷压成型制成铜-石墨烯中间合金；

[0012] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，采用玻璃或硼砂覆盖，防止铜熔体氧化，玻璃或硼砂质量为炉料重量的0.8-1.2%；

[0013] （3）在铜熔体中加入铜重量0.03-2.0%的稀土，充分搅拌制成铜-稀土合金熔体，再加入铜-稀土合金重量10-30%的铜-石墨烯中间合金，浇铸工艺制成复合材料；

[0014] （4）步骤（3）的复合材料去应力退火，退火后挤压或轧制加工成形，制成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，所述铜粉纯度为99.9%，粒度为150-300目。

[0016] 优选地，所述步骤（1）中球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速150-350r/min，球磨15-20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间2-4h。为防止铜的氧化，球磨前球磨罐需抽真空，并通入氩气保护。在本发明的球磨参数范围内，可很好的控制石墨烯与金属合金混合粉末的分布状态。

[0017] 优选地，步骤（1）中所述冷压成型压力为200-400MPa，保压时间3-5分钟。

[0018] 优选地，步骤（3）中稀土选自镧、铈、钇、镨和钕中的一种或几种。添加的稀土金属为镧、铈、镨和钕的混合时，称为混合稀土金属。常见的有：富镧混合稀土金属和富铈混合稀土金属。富镧混合稀土金属中，镧占稀土总量的40％～45％，含铈、镨、钕分别低于5％、11％～13％和33％～37％。富铈混合稀土金属中，铈占稀土总量的50％～60％，含镧18％～28％、镨4％～6％和钕12％～20％。稀土采用铜箔包裹，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后进行搅拌。

[0019] 优选地，步骤（4）中退火温度为200℃-300℃，退火时间2-6小时。更优选地，退火时间为4小时。

[0020] 优选地，所述步骤（4）中将冷压烧结坯料进行轧制，温度为600-850℃，轧制变形量80%-90%。

[0021] 优选地，所述步骤（4）中将冷压烧结坯料进行挤压，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。石墨烯以铜-石墨烯中间合金形式加入，球磨过程使石墨烯镶入铜颗粒中，避免了石墨烯在熔体中上浮，有利于石墨烯的均匀分布。

[0024] （2）稀土的加入，提高了铜合金电触头材料的抗氧化性和耐电弧烧损能力。

[0025] （3）普通铸造工艺生产，铜以中间合金形式加入，工艺简单，有利于大规模连续生产。

具体实施方式

[0026] 实施例1

[0027] （1）将重量含量为1.0%石墨烯、99.0%的铜粉装入球磨机混粉，球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速150r/min，球磨20分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间4h。混粉后冷压成型制成铜-石墨烯中间合金，压力为200MPa，保压时间5分钟，石墨烯为1-10层，所述铜粉纯度为99.9%，粒度为150目。

[0028] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，采用玻璃或硼砂覆盖，防止铜熔体氧化，玻璃或硼砂质量为炉料重量的0.8-1.2%。

[0029] （3）在铜熔体中加入铜重量0.03%的稀土钇，稀土采用铜箔包裹，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后，充分搅拌制成铜-钇合金，再将铜-石墨烯中间合金加入铜-钇合金中，加入量为铜-钇合金的10wt%，浇铸工艺制成复合材料。

[0030] （4）步骤（3）的复合材料去应力退火，退火温度为200℃，退火时间2小时。退火后挤压成型，挤压温度600℃，挤压比50:1，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0031] 实施例2

[0032] （1）将重量含量为5.0%石墨烯、95.0%的铜粉装入球磨机混粉，球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速350r/min，球磨15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间2h。混粉后冷压成型制成铜-石墨烯中间合金，压力为400MPa，保压时间3分钟，石墨烯为1-10层，所述铜粉纯度为99.9%，粒度为300目。

[0033] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，采用玻璃或硼砂覆盖，防止铜熔体氧化，玻璃或硼砂质量为炉料重量的0.8-1.2%。

[0034] （3）在铜熔体中加入铜重量2%的富镧混合稀土金属，稀土采用铜箔包裹，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后，充分搅拌制成铜-稀土合金。再将铜-石墨烯中间合金加入铜-稀土合金中，加入量为铜-稀土合金的30wt%，浇铸工艺制成复合材料。

[0035] （4）步骤（3）的复合材料去应力退火，退火温度为300℃，退火时间4小时。退火后挤压，挤压温度850℃，挤压比150:1，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0036] 实施例3

[0037] （1）将重量含量为2.0%石墨烯、98.0%的铜粉装入球磨机混粉，球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速200r/min，球磨15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间3h。混粉后冷压成型制成铜-石墨烯中间合金，压力为300MPa，保压时间4分钟，石墨烯为1-10层，所述铜粉的纯度为99.9%，粒度为200目。

[0038] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，采用玻璃或硼砂覆盖，防止铜熔体氧化，玻璃或硼砂质量为炉料重量的0.8-1.2%。

[0039] （3）在铜熔体中加入铜重量1.0%的富镧混合稀土金属，稀土采用铜箔包裹，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后，充分搅拌制成铜-稀土合金。再将铜-石墨烯中间合金加入铜-稀土合金中，加入量为铜-稀土合金的20wt%，浇铸工艺制成复合材料。

[0040] （4）步骤（3）的复合材料去应力退火，退火温度为200℃，退火时间6小时。退火后轧制，温度为850℃，变形率为90%，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0041] 实施例4

[0042] （1）将重量含量为3.0%石墨烯、97.0%的铜粉装入球磨机混粉，球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速200r/min，球磨15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间3h。混粉后冷压成型制成铜-石墨烯中间合金，压力为300MPa，保压时间4分钟，石墨烯为1-10层，所述铜粉的纯度为99.9%，粒度为200目。

[0043] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，采用玻璃或硼砂覆盖，防止铜熔体氧化，玻璃或硼砂质量为炉料重量的0.8-1.2%。

[0044] （3）在铜熔体中加入铜重量0.5%的富铈混合稀土金属，稀土采用铜箔包裹，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后，充分搅拌制成铜-稀土合金。再将铜-石墨烯中间合金加入铜-稀土合金中，加入量为铜-稀土合金的20wt%，浇铸工艺制成复合材料。

[0045] （4）步骤（3）的复合材料去应力退火，退火温度为200℃，退火时间3小时。退火后轧制，温度为600℃，变形率为80%，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0046] 实施例5

[0047] （1）将重量含量为4.0%石墨烯、96.0%的铜粉装入球磨机混粉，球磨机的工艺参数为：球磨罐先抽真空再通入氩气保护，转速200r/min，球磨15分钟，停止5分钟，顺时针、逆时针交替转动，总计混粉时间3h。混粉后冷压成型制成铜-石墨烯中间合金，压力为300MPa，保压时间4分钟，石墨烯为1-10层，所述铜粉的纯度为99.9%，粒度为200目。

[0048] （2）纯度为99.9%的铜在中频炉中熔炼，采用玻璃或硼砂覆盖，防止铜熔体氧化，玻璃或硼砂质量为炉料重量的0.8-1.2%。

[0049] （3）在铜熔体中加入铜重量1.0%的富铈混合稀土金属，稀土采用铜箔包裹，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后，充分搅拌制成铜-稀土合金。再将铜-石墨烯中间合金加入铜-稀土合金中，加入量为铜-稀土合金的20wt%，浇铸工艺制成复合材料。

[0050] （4）步骤（3）的复合材料去应力退火，退火温度为200℃，退火时间2小时。退火后轧制，温度为700℃，变形率为90%，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0051] 对比例1

[0052] 将重量含量为2.0%石墨烯、98.0%的铜粉装入球磨机混粉，制成铜-石墨烯中间合金。铜-石墨烯中间合金在中频炉中熔炼，浇铸工艺制成复合材料。复合材料去应力退火，退火温度为200℃，退火时间2小时。退火后轧制，温度为700℃，变形率为90%，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0053] 对比例2

[0054] 未添加石墨烯，在铜熔体中加入铜重量1.0%的富铈混合稀土，稀土采用铜箔包裹，直接压入铜熔体液面以下，保持3-5分钟后，充分搅拌制成铜-稀土合金，浇铸工艺制成复合材料。复合材料去应力退火，退火温度为200℃，退火时间6小时。退火后轧制，温度为700℃，变形率为90%，制成石墨烯增强铜基电触头材料。

[0055] 制成的复合材料各项参数如下表：

[0056]

[0057] 实施例中，加入石墨烯制成的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，未加入稀土制成的电触头材料相比，硬度有一定的提高；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。

[0058] 本发明通过添加石墨烯提高电触头的硬度、电导率及耐电弧烧蚀性，通过添加稀土提高电触头材料的抗氧化性，得到综合性能良好的电触头材料。