一種致密的彌散強化銅基復合材料的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種致密的彌散強化銅基復合材料及其制備方法，由銅合金基體及均勻彌散分布在所述銅合金基體內的Al2O3微粒組成。本發明在銅-氧化鋁主合金中加入復合金屬，采用真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐進行燒結，最大限度地消除合金內部殘余孔隙和缺陷，使燒結坯基本達到理論密度。采用本發明方法制備的彌散強化銅制品具有高導電性、高抗軟化溫度以及高致密性，可達到99.5％以上理論密度。
【專利說明】一種致密的彌散強化銅基復合材料
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種致密的彌散強化銅基復合材料及其制備方法，屬于金屬基復合材料科學【技術領域】。
【背景技術】
[0002]通過在銅基體中加入氧化物顆粒作為增強相，并使其均勻彌散的分布在銅基體中，可以提高銅基復合材料的力學性能及高溫抗軟化能力，同時導電性又不會降低太多。銅-氧化鋁復合材料不僅室溫強度高、導電和導熱性能優良，而且具有良好的抗電弧浸蝕性、耐磨性及高溫穩定性，是一種應用前景廣闊的復合材料。由于銅-氧化鋁復合材料的制造過程是一種粉末冶金過程，致密度很難達到100%，因此工件表面存在許多微細孔。在熱加工加熱過程中，易造成表面晶界氧化，造成晶界強度低，在熱鍛過程中造成開裂。由于熱鍛難題，目前基本局限在電阻焊材料領域及電子小型零件上，限制了該材料的應用。
[0003]但是傳統的生產方法制備出的彌散強化銅基復合材料燒結坯普遍致密度不高，特別是斷面大時，無法進一步實現大的變形比，一般只能達到97.5%左右理論密度，制品內部會有一定量的孔隙存在，使得最終產品的機械、物理性能不佳。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是提供一種具有高導電性、高抗軟化溫度以及高致密性的彌散強化銅基復合材料及其制備方法。
[0005]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:
[0006]一種致密的彌散強化銅基復合材料，由銅合金基體及均勻彌散分布在所述銅合金基體內的Al2O3微粒組成；其中，
[0007]所述銅合金基體為銅與以下一種或兩種以上金屬形成的合金-Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce單一稀土金屬或混合稀土金屬；
[0008]所述Al2O3 的含量為 0.1 ~1.5wt% ;所述 Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce 單一稀土金屬或混合稀土金屬的一種或兩種以上的含量總和< 2.0wt%，其余為Cu。
[0009]本發明解決上述技術問題的另一技術方案如下:
[0010]一種致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)在真空感應電爐內加入電解銅進行熔煉，熔清后加入銅-磷中間合金進行脫氧，再加入銅-鋁中間合金繼續進行熔煉，然后用5~15Mpa的氮氣或者水霧進行霧化制粉，制得銅-鋁合金粉末；
[0012]2)將步驟I)中制得的銅-鋁合金粉末先在空氣氣氛下進行氧化，然后通入氮氣再進行內氧化，得到內氧化后的粉末；
[0013]3)將步驟2)中得到的所述內氧化后的粉末通入氫氣或氨分解氣進行還原，還原完畢冷卻到室溫，得到銅-氧化鋁合金粉末；
[0014]4)將步驟3)中得到的所述銅-氧化招合金粉末與Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce中任意單一稀土金屬或兩種以上混合稀土金屬或與Cu-Ag、Cu-Cd> Cu-Ca> Cu-Zr> Cu-Mg> Cu-La>Cu-Ce的銅合金中的一種或幾種粉末在混料機中混合均勻，得到混合后的粉末；
[0015]5)將步驟4)中得到的所述混合后的粉末進行壓塊，得到預壓坯；
[0016]6)將步驟5)中得到的所述預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結并合金化，得到銅合金基體上彌散分布Al2O3顆粒的燒結坯，即所述致密的彌散強化銅基復合材料。
[0017]本發明的有益效果是:
[0018]本發明在銅-氧化鋁主合金中加入復合金屬，采用真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐進行燒結，最大限度地消除合金內部殘余孔隙和缺陷，使燒結坯基本達到理論密度。采用本發明方法制備的彌散強化銅制品具有高導電性、高抗軟化溫度以及高致密性，可達到99.5%以上理論密度。
[0019]采用本發明制備的銅-氧化鋁復合材料導電率>80% IACS，硬度> 126HB，密度>99.5%理論密度，軟化溫度> 920°C。
[0020]在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
[0021]進一步，在步驟I)中，所述進行脫氧的時間為3~5分鐘。
[0022]進一步，在步驟I)中，所述加入銅-鋁中間合金進行熔煉的工藝條件為:在1200~1300°C的溫度下熔煉5~10分鐘。
[0023]進一步，在步驟2)中，所述在空氣氣氛下進行氧化的工藝條件為:在為300~400°C的溫度下氧化60~180分鐘。
[0024]進一步，在步驟2)中，所述進行內氧化的工藝條件為:在800~950°C的溫度下進行內氧化，并保溫90~180分鐘。
[0025]進一步，在步驟3)中，所述進行還原的工藝條件為:在800~950°C的溫度下進行還原，并保溫90~180分鐘。
[0026]進一步，在步驟5)中，所述預壓坯的密度為70~90%理論密度。
[0027]進一步，在步驟6)中，所述進行燒結并合金化的工藝條件如下:燒結溫度為950~1020°C，所述真空感應熱壓爐的真空度不低于5.0 X 1-1Mpa,所述低壓等靜壓燒結爐的壓力為25~35MPa，燒結時間I~3小時。
[0028]進一步，所述燒結坯的的密度大于99.5%理論密度。
【具體實施方式】
[0029]以下對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
[0030]一種致密的彌散強化銅基復合材料，由銅合金基體及均勻彌散分布在所述銅合金基體內的Al2O3微粒組成；其中，
[0031]所述銅合金基體為銅與以下一種或兩種以上金屬形成的合金-Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce單一稀土金屬或混合稀土金屬；
[0032]所述Al2O3 的含量為 0.1 ~1.5wt% ;所述 Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce 單一稀土金屬或混合稀土金屬的一種或兩種以上的含量總和< 2.0wt%，其余為Cu。
[0033]一種致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0034]I)在真空感應電爐內加入電解銅進行熔煉，熔清后加入銅-磷中間合金進行脫氧3~5分鐘，再加入銅-鋁中間合金在1200~1300°C的溫度下熔煉5~10分鐘，然后用5~15Mpa的氮氣或者水霧進行霧化制粉，制得銅-鋁合金粉末；
[0035]2)將步驟I)中制得的銅-鋁合金粉末先在空氣氣氛下，在300~400°C的溫度下氧化60~180分鐘，然后通入氮氣在800~950°C的溫度下進行內氧化，并保溫90~180分鐘，得到內氧化后的粉末；
[0036]3)將步驟2)中得到的所述內氧化后的粉末通入氫氣或氨分解氣在800~950°C的溫度下進行還原，并保溫90~180分鐘，還原完畢冷卻到室溫，得到銅-氧化鋁合金粉末；
[0037]4)將步驟3)中得到的所述銅-氧化招合金粉末與Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce中任意單一稀土金屬或兩種以上混合稀土金屬或與Cu-Ag、Cu-Cd> Cu-Ca> Cu-Zr> Cu-Mg> Cu-La>Cu-Ce的銅合金中的一種或幾種粉末在混料機中混合均勻，得到混合后的粉末；
[0038]5)將步驟4)中得到的所述混合后的粉末進行壓塊，得到預壓坯，預壓坯的密度為70~90%理論密度；
[0039]6)將步驟5)中得到的所述預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結并合金化，燒結溫度為950~1020°C，所述真空感應熱壓爐的真空度不低于
5.0X KT1Mpa,所述低壓等靜壓燒結爐的壓力為25~35MPa，燒結時間I~3小時，得到銅合金基體上彌散分布Al2O3顆粒的燒結坯，所述燒結坯的的密度大于99.5%理論密度，即所述致密的彌散強化銅基復合材料。
[0040]以下通過幾個具體的實施例以對本發明進行具體的說明。
[0041]實施例1
[0042]以銅基復合材料總重量的百分含量計:氧化鋁占0.58%，銀占2.0%，銅占
97.42%，理論密度為 8.864g/cm3。
[0043]上述致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0044]I)在真空感應電爐內加入電解銅進行熔煉，熔清后加入銅-磷中間合金進行脫氧3分鐘，再加入銅-鋁中間合金在1200°C的溫度下熔煉10分鐘，然后用5Mpa的氮氣或者水霧進行霧化制粉，制得銅-鋁合金粉末；
[0045]2)將步驟I)中制得的銅-鋁合金粉末先在空氣氣氛下，在300°C的溫度下氧化180分鐘，然后通入氮氣在800°C的溫度下進行內氧化，并保溫180分鐘，得到內氧化后的粉末；
[0046]3)將步驟2)中得到的所述內氧化后的粉末通入氫氣或氨分解氣在800°C的溫度下進行還原，并保溫180分鐘，還原完畢冷卻到室溫，得到銅-氧化鋁合金粉末；
[0047]4)將銅-氧化鋁合金粉末與占粉末總質量2.0%銀粉在混料機中混合均勻，得到混合后的粉末；
[0048]5)將步驟4)中得到的所述混合后的粉末進行壓塊，得到預壓坯，預壓坯的密度為7.868g/cm3理論密度；
[0049]6)將步驟5)中得到的所述預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結并合金化，燒結溫度為950°C，所述真空感應熱壓爐的真空度不低于5.0XKT1Mpa,所述低壓等靜壓燒結爐的壓力為25MPa，燒結時間3小時，得到銅合金基體上彌散分布Al2O3顆粒的燒結還，所述燒結還的制還規格Φ 150 X 300mm,燒結還的密度為8.829g/cm3。
[0050]實施例2
[0051]以銅基復合材料總重量的百分含量計:氧化鋁占0.58%，銀占0.36%，銅占99.06%，合金理論密度為8.841g/cm3。
[0052]上述致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0053]I)在真空感應電爐內加入電解銅進行熔煉，熔清后加入銅-磷中間合金進行脫氧5分鐘，再加入銅-鋁中間合金在1300°C的溫度下熔煉5分鐘，然后用15Mpa的氮氣或者水霧進行霧化制粉，制得銅-鋁合金粉末；
[0054]2)將步驟I)中制得的銅-鋁合金粉末先在空氣氣氛下，在400°C的溫度下氧化60分鐘，然后通入氮氣在950°C的溫度下進行內氧化，并保溫90分鐘，得到內氧化后的粉末；
[0055]3)將步驟2)中得到的所述內氧化后的粉末通入氫氣或氨分解氣在950°C的溫度下進行還原，并保溫90分鐘，還原完畢冷卻到室溫，得到銅-氧化鋁合金粉末；
[0056]4)將銅-氧化鋁合金粉末與占粉末總質量6 %的銅_6wt %銀粉末在混料機中混合均勻，得到混合后的粉末；
[0057]5)將步驟4)中得到的所述混合后的粉末進行壓塊，得到預壓坯，預壓坯的密度為
7.871g/cm3 ；
[0058]6)將步驟5)中得到的所述預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結并合金化，燒結溫度為1020°C，所述真空感應熱壓爐的真空度不低于5.0XKT1Mpa,所述低壓等靜壓燒結爐的壓力為35MPa，燒結時間I小時，得到銅合金基體上彌散分布Al2O3顆粒的燒結坯，所述燒結坯的制坯規格Φ 150 X 300mm，燒結坯的密度為8.797g/cm3。
[0059]實施例3
[0060]以銅基復合材料總重量的百分含量計:氧化鋁占0.72%，鑭占0.42%，銅占
98.86%，合金理論密度為8.805g/cm3。
[0061]上述致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0062]I)在真空感應電爐內加入電解銅進行熔煉，熔清后加入銅-磷中間合金進行脫氧4分鐘，再加入銅-鋁中間合金在1250°C的溫度下熔煉7分鐘，然后用1Mpa的氮氣或者水霧進行霧化制粉，制得銅-鋁合金粉末；
[0063]2)將步驟I)中制得的銅-鋁合金粉末先在空氣氣氛下，在350°C的溫度下氧化100分鐘，然后通入氮氣在850°C的溫度下進行內氧化，并保溫100分鐘，得到內氧化后的粉末；
[0064]3)將步驟2)中得到的所述內氧化后的粉末通入氫氣或氨分解氣在850°C的溫度下進行還原，并保溫120分鐘，還原完畢冷卻到室溫，得到銅-氧化鋁合金粉末；
[0065]4)將銅-氧化鋁合金粉末與占粉末總質量7 %的銅_6wt %鑭粉末在混料機中混合均勻，得到混合后的粉末；
[0066]5)將步驟4)中得到的所述混合后的粉末進行壓塊，得到預壓坯，預壓坯的密度為
7.925g/cm3 ；
[0067]6)將步驟5)中得到的所述預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結并合金化，燒結溫度為970°C，所述真空感應熱壓爐的真空度不低于5.0XlO-1Mpa,所述低壓等靜壓燒結爐的壓力為30MPa，燒結時間2小時，得到銅合金基體上彌散分布Al2O3顆粒的燒結還，所述燒結還的制還規格Φ 300 X 600mm,燒結還的密度為8.770g/cm3。
[0068]實施例4
[0069]以銅基復合材料總重量的百分含量計:氧化鋁占1.05%，銀占0.24%，鈰占
0.12%，銅占98.59%，合金理論密度為8.785g/cm3。
[0070]上述致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0071]I)在真空感應電爐內加入電解銅進行熔煉，熔清后加入銅-磷中間合金進行脫氧4分鐘，再加入銅-鋁中間合金在1250°C的溫度下熔煉8分鐘，然后用12Mpa的氮氣或者水霧進行霧化制粉，制得銅-鋁合金粉末；
[0072]2)將步驟I)中制得的銅-鋁合金粉末先在空氣氣氛下，在370°C的溫度下氧化120分鐘，然后通入氮氣在900°C的溫度下進行內氧化，并保溫140分鐘，得到內氧化后的粉末；
[0073]3)將步驟2)中得到的所述內氧化后的粉末通入氫氣或氨分解氣在900°C的溫度下進行還原，并保溫150分鐘，還原完畢冷卻到室溫，得到銅-氧化鋁合金粉末；
[0074]4)將銅-氧化鋁合金粉末與占粉末總質量4%的銅_6?七％銀粉末和2%的銅_6wt%鈰粉末在混料機中混合均勻，得到混合后的粉末；
[0075]5)將步驟4) 中得到的所述混合后的粉末進行壓塊，得到預壓坯，預壓坯的密度為
7.730g/cm3 ；
[0076]6)將步驟5)中得到的所述預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結并合金化，燒結溫度為1000°c，所述真空感應熱壓爐的真空度不低于S.0XK^Mpa，所述低壓等靜壓燒結爐的壓力為32MPa，燒結時間2小時，得到銅合金基體上彌散分布Al2O3顆粒的燒結坯，所述燒結坯的制坯規格Φ400X800mm，燒結坯的密度為8.749g/cm3。
[0077]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種致密的彌散強化銅基復合材料，其特征在于，由銅合金基體及均勻彌散分布在所述銅合金基體內的Al2O3微粒組成；其中， 所述銅合金基體為銅與以下一種或兩種以上金屬形成的合金:Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce單一稀土金屬或混合稀土金屬； 所述Al2O3的含量為0.1~1.5wt% ;所述Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce單一稀土金屬或混合稀土金屬的一種或兩種以上的含量總和< 2.0wt其余為Cu。
2.一種致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在真空感應電爐內加入電解銅進行熔煉，熔清后加入銅-磷中間合金進行脫氧，再加入銅-鋁中間合金繼續進行熔煉，然后用5~15Mpa的氮氣或者水霧進行霧化制粉，制得銅-鋁合金粉末； 2)將步驟I)中制得的銅-鋁合金粉末先在空氣氣氛下進行氧化，然后通入氮氣再進行內氧化，得到內氧化后的粉末； 3)將步驟2)中得到的所述內氧化后的粉末通入氫氣或氨分解氣進行還原，還原完畢冷卻到室溫，得到銅-氧化鋁合金粉末； 4)將步驟3)中得到的所述銅-氧化招合金粉末與Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce中任意單一稀土金屬或兩種以上混合稀土金屬或與Cu-Ag、Cu-Cd、Cu-Ca、Cu-Zr、Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ce的銅合金中的一種或幾種粉末在混料機中混合均勻，得到混合后的粉末； 5)將步驟4)中得到的所述混合后的粉末進行壓塊，得到預壓坯； 6)將步驟5)中得到的所述預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結并合金化，得到銅合金基體上彌散分布Al2O3顆粒的燒結坯，即所述致密的彌散強化銅基復合材料。
3.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟I)中，所述進行脫氧的時間為3~5分鐘。
4.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟I)中，所述加入銅-鋁中間合金進行熔煉的工藝條件為:在1200~1300°C的溫度下熔煉5~10分鐘。
5.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述在空氣氣氛下進行氧化的工藝條件為:在300~400°C的溫度下氧化60~180分鐘。
6.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述進行內氧化的工藝條件為:在800~950°C的溫度下進行內氧化，并保溫90~180分鐘。
7.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，所述進行還原的工藝條件為:在800~950°C的溫度下進行還原，并保溫90~180分鐘。
8.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟5)中，所述預壓坯的密度為70~90%理論密度。
9.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟6)中，所述進行燒結并合金化的工藝條件如下:燒結溫度為950~1020°C，所述真空感應熱壓爐的真空度不低于5.0X KT1Mpa,所述低壓等靜壓燒結爐的壓力為25~35MPa，燒結時間I~3小時。
10.根據權利要求2所述的致密的彌散強化銅基復合材料的制備方法，其特征在于，所述燒結坯的的密度大于99.5%理論密度。
【文檔編號】C22C1/05GK104164587SQ201410378099
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】王風德, 周舟, 王肇飛, 張宗寧, 唐明明 申請人:煙臺萬隆真空冶金股份有限公司