一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨/銅復(fù)合材料集石墨良好的接觸潤(rùn)滑性、低的熱膨脹系數(shù)和低密度以及銅的 高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和良好的延展性為一體，因而具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、耐電弧燒蝕和 抗熔焊等性能，廣泛用作各種電焊電極、電器工程開關(guān)的觸頭、發(fā)電機(jī)的集電環(huán)、電樞、轉(zhuǎn) 子、電力機(jī)車受電弓滑板和空架接觸導(dǎo)線等材料。目前國(guó)內(nèi)用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)電刷材料：將 石墨粉末與銅粉混合、模壓、燒結(jié)而成，其耐磨性和強(qiáng)度由添加瀝青予以調(diào)節(jié)。然而傳統(tǒng)粉 末冶金法制備的石墨/銅復(fù)合材料存在以下問題：1)由于石墨與銅的比重相差較大，難以 混合均勻，容易出現(xiàn)成分偏析；2)銅和石墨即使在KKKTC時(shí)潤(rùn)濕角也高達(dá)140°，所以只 能靠機(jī)械互鎖結(jié)合的石墨/銅界面強(qiáng)度較低，限制了銅一石墨復(fù)合材料應(yīng)用。
[0003] 有研究人員通過石墨表面鍍銅后再進(jìn)行粉末冶金壓制燒結(jié)的方法來改善石墨/ 銅界面結(jié)合。但石墨表面鍍銅需增加粗化、敏化、活化等工藝步驟，不但提高了成本，而且沒 有從本質(zhì)上改善石墨/銅界面結(jié)合狀況。有研究者通過機(jī)械合金化制備過飽和固溶體合金 粉末后將其以不同配比與石墨粉混料，再壓制燒結(jié)技術(shù)制備C/Cu-Cr復(fù)合材料。也有研究 者以石墨纖維替代石墨顆粒制備石墨纖維/銅復(fù)合材料，并對(duì)石墨纖維表面進(jìn)行鍍Ti金 屬化改性，以改善石墨纖維與銅之間潤(rùn)濕性差及結(jié)合力弱的狀況。但以上方法工藝復(fù)雜，成 本較高。而且添加 Cr、Ti這樣的碳化物形成元素都不可避免的在石墨/Cu界面生成硬質(zhì)的 碳化物相。在此類石墨/銅復(fù)合材料使用過程中，界面處生成的硬質(zhì)碳化物相容易損傷與 之對(duì)磨的摩擦副材料，造成較嚴(yán)重的磨粒磨損。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的內(nèi)容是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中石墨/銅復(fù)合材料成分偏析、強(qiáng)度較低、工藝復(fù) 雜及對(duì)摩擦副材料損傷較大的缺陷，提供了一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方 法，可使其達(dá)到成分均勻、高強(qiáng)度、工藝簡(jiǎn)單及潤(rùn)滑性好的目的。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材 料的制備方法，按照如下的步驟進(jìn)行： 步驟一：稱取銅粉和鋯粉配置成混合粉末，充分?jǐn)嚢杌旌希?步驟二：將石墨塊置于剛玉坩堝中，用步驟一所述的混合粉末包埋(包裹掩埋）石墨塊， 混合粉末的量以能夠完成對(duì)石墨塊完全包裹掩埋為好； 步驟三：將步驟二的內(nèi)置有石墨塊和混合粉末的剛玉坩堝置于真空爐中，抽真空后升 溫至保溫溫度保溫； 步驟四：保溫結(jié)束后，將爐溫降至室溫，從爐中坩堝內(nèi)取出石墨塊，用機(jī)加工方法去除 石墨塊表面的銅合金即得石墨/銅復(fù)合材料。
[0006] 傳統(tǒng)石墨/銅復(fù)合材料的制備方法是粉末冶金法，但由于銅和石墨密度相差大， 銅和石墨兩相分布不均勻，易出現(xiàn)分層。本發(fā)明將銅鋯合金在真空條件下無壓滲入到石墨 基體中，銅和石墨兩相不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。由于采用熔滲方法制備石墨/銅復(fù)合材料，銅相 呈聯(lián)通結(jié)構(gòu)，對(duì)電子傳輸?shù)淖璧K作用減少，電阻率比傳統(tǒng)石墨/銅材料電刷有顯著降低。
[0007] 粉末冶金法制備的傳統(tǒng)石墨/銅復(fù)合材料，但由于銅和石墨潤(rùn)濕性差的問題，銅 和石墨兩相界面結(jié)合為機(jī)械鎖合。本發(fā)明將銅鋯合金在真空條件下無壓滲入到銅基體中， 銅和石墨兩相分布相對(duì)均勻，界面結(jié)合強(qiáng)度高。表1所示通過本發(fā)明方法得到的石墨/銅 復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)粉末冶金法制備得到的石墨/銅復(fù)合電刷。
[0008] 表1石墨/銅復(fù)合材料與J102銅-石墨電刷的性能比較
粉末冶金法制備石墨/銅復(fù)合材料要改善界面結(jié)合，需在石墨表面鍍銅，即增加粗化、 敏化、活化等工藝步驟，提高了成本。本發(fā)明通過自發(fā)熔滲的方法制備石墨/銅復(fù)合材料， 工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。
[0009] 有研究者通過添加 Ti這樣的碳化物形成元素來改善炭/銅界面的潤(rùn)濕性，進(jìn)而通 過熔滲方法制備炭/銅復(fù)合材料。石墨/銅復(fù)合材料是炭/銅復(fù)合材料的一種類型。本發(fā) 明研究發(fā)現(xiàn)添加 Zr元素也可以改善石墨/銅界面的潤(rùn)濕性，且更有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閆r元素的 密度為6. 49g/cm3,而Ti元素密度為4. 5g/cm3,若添加同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)10wt%的Zr粉或Ti粉 在銅基體中，則Zr的摩爾分?jǐn)?shù)為12%，而Ti的摩爾分?jǐn)?shù)為18%。添加的碳化物形成元素的 摩爾分?jǐn)?shù)越大，界面上生成的碳化物就越多。在石墨/銅復(fù)合材料使用過程中，界面處生成 的硬質(zhì)碳化物相容易損傷與之對(duì)磨的摩擦副材料，因此選用Zr元素來減少碳化物的生成 有助于保護(hù)摩擦副材料。
[0010] 作為一種優(yōu)選方式：步驟一中，混合粉末中鋯粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5°/p15%。采用本比 例的混合能夠增強(qiáng)銅鋯合金在真空條件下無壓滲入到石墨基體中的效率。
[0011] 作為一種優(yōu)選方式：步驟二中，石墨塊采用模壓或擠壓方式得到，石墨顆粒度為 0. 8mm，密度為I. 6~2. 2g/cm3,抗彎強(qiáng)度15~35MPa，本優(yōu)選條件可以有效提高滑動(dòng)導(dǎo)電用石 墨/銅復(fù)合材料的性能，與本優(yōu)選條件差別越大，完成后的滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料性
[0012] 作為一種優(yōu)選方式：步驟三中，真空爐的真空度為10 3~20Pa，保溫溫度為 1150~1400°C，保溫時(shí)間20~60分鐘，此條件為最佳熔滲的條件。
[0013]
【具體實(shí)施方式】： 實(shí)施例1 : 本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)材料是密度為I. 6g/cm3模壓石墨塊，抗彎強(qiáng)度18MPa，石墨坯料的尺寸 為10*10*50mm3。具體實(shí)施方法：第一步，稱取銅粉和鋯粉配置成30g混合粉末，鋯粉的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為5wt.%，坩堝中充分?jǐn)嚢杌旌希坏诙?，將石墨塊置于剛玉坩堝中，用混合粉末完全 包埋石墨塊；第三步，將裝有石墨塊和混合粉末的剛玉坩堝置于真空爐中，抽真空至15Pa 后升溫至1300°C，保溫60min后停止加熱；第四步，爐溫降至室溫后，從爐中坩堝內(nèi)取出石 墨塊，將石墨塊表面的銅合金銑去即得石墨/銅復(fù)合材料。其彎曲強(qiáng)度多50MPa，沖擊韌性 彡2. 8J/cm2,電阻率彡ΙιιΩπι，摩擦系數(shù)彡〇· 3。
[0014] 實(shí)施例2 : 本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)材料是密度為I. 8g/cm3模壓石墨塊，抗折強(qiáng)度21MPa，石墨坯料的尺寸 為10*10*50mm3。具體實(shí)施方法：第一步，稱取銅粉和鋯粉配置成30g混合粉末，Zr粉的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為8wt.%，坩堝中充分?jǐn)嚢杌旌?；第二步，將石墨塊置于陶瓷坩堝中，用混合粉末包 埋石墨塊；第三步，將內(nèi)置有石墨塊和混合粉末的剛玉坩堝置于真空爐中，抽真空至0.1 Pa 后升溫至1200°C，保溫30min后停止加熱；第四步，爐溫降至室溫后，從爐中坩堝內(nèi)取出石 墨塊，將石墨塊表面的銅合金銑去即得石墨/銅復(fù)合材料。其彎曲強(qiáng)度多45MPa，沖擊韌性 彡2. 3J/cm2,電阻率彡4· 5ιιΩηι，摩擦系數(shù)彡〇· 2。
[0015] 實(shí)施例3: 本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)材料是密度為I. 8 g/cm3模壓石墨塊，抗折強(qiáng)度21MPa，石墨坯料的尺 寸為10*10*50mm3。具體實(shí)施方法：第一步，稱取銅粉和鋯粉配置成30g混合粉末，鋯粉的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為15wt.%，坩堝中充分?jǐn)嚢杌旌?；第二步，將石墨塊置于剛玉坩堝中，用混合粉末包 埋石墨塊；第三步，將內(nèi)置有石墨塊和混合粉末的陶瓷坩堝置于真空爐中，抽真空至15Pa 后升溫至1300°C，保溫60min后停止加熱；第四步，爐溫降至室溫后，從爐中坩堝內(nèi)取出石 墨塊，將石墨塊表面的銅合金銑去即得石墨/銅復(fù)合材料。其彎曲強(qiáng)度多50MPa，沖擊韌性 彡2. 7J/cm2,電阻率彡3· 5ιιΩηι，摩擦系數(shù)彡〇· 3。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于按照如下的步驟進(jìn)行： 步驟一：稱取銅粉和鋯粉配置成混合粉末，充分?jǐn)嚢杌旌希? 步驟二：將石墨塊置于剛玉坩堝中，用步驟一所述的混合粉末包埋石墨塊； 步驟三：將步驟二的內(nèi)置有石墨塊和混合粉末的剛玉坩堝置于真空爐中，抽真空后升 溫至保溫溫度保溫； 步驟四：保溫結(jié)束后，將爐溫降至室溫，從爐中坩堝內(nèi)取出石墨塊，用機(jī)加工方法去除 石墨塊表面的銅合金即得石墨/銅復(fù)合材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于： 步驟一中，混合粉末中鋯粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~15%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于： 步驟二中，石墨塊采用模壓或擠壓方式得到，石墨顆粒度為0. 8mm，密度為I. 6~2. 2g/cm3,抗 彎強(qiáng)度15~35MPa。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于： 步驟三中，真空爐的真空度為10 3~20Pa，保溫溫度為1150~1400°C，保溫時(shí)間20~60分鐘。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法。一種滑動(dòng)導(dǎo)電用石墨/銅復(fù)合材料的制備方法，用銅粉和鋯粉配置成混合粉末包裹石墨塊，在坩堝中進(jìn)行真空高溫熔滲，獲得石墨/銅復(fù)合材料。本發(fā)明將銅鋯合金在真空條件下無壓滲入到石墨基體中，銅和石墨兩相不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。由于采用熔滲方法制備石墨/銅復(fù)合材料，銅相呈聯(lián)通結(jié)構(gòu)，對(duì)電子傳輸?shù)淖璧K作用減少，電阻率比傳統(tǒng)石墨/銅材料電刷有顯著降低。
【IPC分類】C22C1/10, C22C9/00
【公開號(hào)】CN105018775
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510384336
【發(fā)明人】楊琳, 喬力, 鄧世岐
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日