CN104164587B - 一种致密的弥散强化铜基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种致密的弥散强化铜基复合材料及其制备方法，由铜合金基体及均匀弥散分布在所述铜合金基体内的Al2O3微粒组成。本发明在铜-氧化铝主合金中加入复合金属，采用真空感应热压炉或低压等静压烧结炉进行烧结，最大限度地消除合金内部残余孔隙和缺陷，使烧结坯基本达到理论密度。采用本发明方法制备的弥散强化铜制品具有高导电性、高抗软化温度以及高致密性，可达到99.5％以上理论密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种致密的弥散强化铜基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料科学技术领域。
背景技术
通过在铜基体中加入氧化物颗粒作为增强相，并使其均匀弥散的分布在铜基体中，可以提高铜基复合材料的力学性能及高温抗软化能力，同时导电性又不会降低太多。铜-氧化铝复合材料不仅室温强度高、导电和导热性能优良，而且具有良好的抗电弧浸蚀性、耐磨性及高温稳定性，是一种应用前景广阔的复合材料。由于铜-氧化铝复合材料的制造过程是一种粉末冶金过程，致密度很难达到100％，因此工件表面存在许多微细孔。在热加工加热过程中，易造成表面晶界氧化，造成晶界强度低，在热锻过程中造成开裂。由于热锻难题，目前基本局限在电阻焊材料领域及电子小型零件上，限制了该材料的应用。
但是传统的生产方法制备出的弥散强化铜基复合材料烧结坯普遍致密度不高，特别是断面大时，无法进一步实现大的变形比，一般只能达到97.5％左右理论密度，制品内部会有一定量的孔隙存在，使得最终产品的机械、物理性能不佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高导电性、高抗软化温度以及高致密性的弥散强化铜基复合材料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种致密的弥散强化铜基复合材料，由铜合金基体及均匀弥散分布在所述铜合金基体内的Al2O3微粒组成；其中，
所述铜合金基体为铜与以下一种或两种以上金属形成的合金：Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce单一稀土金属或混合稀土金属；
所述Al2O3的含量为0.1～1.5wt％；所述Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce单一稀土金属或混合稀土金属的一种或两种以上的含量总和＜2.0wt％，其余为Cu。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)在真空感应电炉内加入电解铜进行熔炼，熔清后加入铜-磷中间合金进行脱氧，再加入铜-铝中间合金继续进行熔炼,然后用5～15Mpa的氮气或者水雾进行雾化制粉，制得铜-铝合金粉末；
2)将步骤1)中制得的铜-铝合金粉末先在空气气氛下进行氧化，然后通入氮气再进行内氧化，得到内氧化后的粉末；
3)将步骤2)中得到的所述内氧化后的粉末通入氢气或氨分解气进行还原，还原完毕冷却到室温，得到铜-氧化铝合金粉末；
4)将步骤3)中得到的所述铜-氧化铝合金粉末与Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce中任意单一稀土金属或两种以上混合稀土金属或与Cu-Ag、Cu-Cd、Cu-Ca、Cu-Zr、Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ce的铜合金中的一种或几种粉末在混料机中混合均匀，得到混合后的粉末；
5)将步骤4)中得到的所述混合后的粉末进行压块，得到预压坯；
6)将步骤5)中得到的所述预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，得到铜合金基体上弥散分布Al2O3颗粒的烧结坯，即所述致密的弥散强化铜基复合材料。
本发明的有益效果是：
本发明在铜-氧化铝主合金中加入复合金属，采用真空感应热压炉或低压等静压烧结炉进行烧结，最大限度地消除合金内部残余孔隙和缺陷，使烧结坯基本达到理论密度。采用本发明方法制备的弥散强化铜制品具有高导电性、高抗软化温度以及高致密性，可达到99.5％以上理论密度。
采用本发明制备的铜-氧化铝复合材料导电率＞80％IACS，硬度＞126HB，密度＞99.5％理论密度，软化温度＞920℃。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在步骤1)中，所述进行脱氧的时间为3～5分钟。
进一步，在步骤1)中，所述加入铜-铝中间合金进行熔炼的工艺条件为：在1200～1300℃的温度下熔炼5～10分钟。
进一步，在步骤2)中，所述在空气气氛下进行氧化的工艺条件为：在为300～400℃的温度下氧化60～180分钟。
进一步，在步骤2)中，所述进行内氧化的工艺条件为：在800～950℃的温度下进行内氧化，并保温90～180分钟。
进一步，在步骤3)中，所述进行还原的工艺条件为：在800～950℃的温度下进行还原，并保温90～180分钟。
进一步，在步骤5)中，所述预压坯的密度为70～90％理论密度。
进一步，在步骤6)中，所述进行烧结并合金化的工艺条件如下：烧结温度为950～1020℃，所述真空感应热压炉的真空度不低于5.0×10-1Mpa，所述低压等静压烧结炉的压力为25～35MPa，烧结时间1～3小时。
进一步，所述烧结坯的的密度大于99.5％理论密度。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种致密的弥散强化铜基复合材料，由铜合金基体及均匀弥散分布在所述铜合金基体内的Al2O3微粒组成；其中，
所述铜合金基体为铜与以下一种或两种以上金属形成的合金：Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce单一稀土金属或混合稀土金属；
所述Al2O3的含量为0.1～1.5wt％；所述Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce单一稀土金属或混合稀土金属的一种或两种以上的含量总和＜2.0wt％，其余为Cu。
一种致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)在真空感应电炉内加入电解铜进行熔炼，熔清后加入铜-磷中间合金进行脱氧3～5分钟，再加入铜-铝中间合金在1200～1300℃的温度下熔炼5～10分钟,然后用5～15Mpa的氮气或者水雾进行雾化制粉，制得铜-铝合金粉末；
2)将步骤1)中制得的铜-铝合金粉末先在空气气氛下，在300～400℃的温度下氧化60～180分钟，然后通入氮气在800～950℃的温度下进行内氧化，并保温90～180分钟，得到内氧化后的粉末；
3)将步骤2)中得到的所述内氧化后的粉末通入氢气或氨分解气在800～950℃的温度下进行还原，并保温90～180分钟，还原完毕冷却到室温，得到铜-氧化铝合金粉末；
4)将步骤3)中得到的所述铜-氧化铝合金粉末与Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce中任意单一稀土金属或两种以上混合稀土金属或与Cu-Ag、Cu-Cd、Cu-Ca、Cu-Zr、Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ce的铜合金中的一种或几种粉末在混料机中混合均匀，得到混合后的粉末；
5)将步骤4)中得到的所述混合后的粉末进行压块，得到预压坯，预压坯的密度为70～90％理论密度；
6)将步骤5)中得到的所述预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，烧结温度为950～1020℃，所述真空感应热压炉的真空度不低于5.0×10-1Mpa，所述低压等静压烧结炉的压力为25～35MPa，烧结时间1～3小时，得到铜合金基体上弥散分布Al2O3颗粒的烧结坯，所述烧结坯的的密度大于99.5％理论密度，即所述致密的弥散强化铜基复合材料。
以下通过几个具体的实施例以对本发明进行具体的说明。
实施例1
以铜基复合材料总重量的百分含量计：氧化铝占0.58％，银占2.0％，铜占97.42％，理论密度为8.864g/cm3。
上述致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)在真空感应电炉内加入电解铜进行熔炼，熔清后加入铜-磷中间合金进行脱氧3分钟，再加入铜-铝中间合金在1200℃的温度下熔炼10分钟,然后用5Mpa的氮气或者水雾进行雾化制粉，制得铜-铝合金粉末；
2)将步骤1)中制得的铜-铝合金粉末先在空气气氛下，在300℃的温度下氧化180分钟，然后通入氮气在800℃的温度下进行内氧化，并保温180分钟，得到内氧化后的粉末；
3)将步骤2)中得到的所述内氧化后的粉末通入氢气或氨分解气在800℃的温度下进行还原，并保温180分钟，还原完毕冷却到室温，得到铜-氧化铝合金粉末；
4)将铜-氧化铝合金粉末与占粉末总质量2.0％银粉在混料机中混合均匀，得到混合后的粉末；
5)将步骤4)中得到的所述混合后的粉末进行压块，得到预压坯，预压坯的密度为7.868g/cm3理论密度；
6)将步骤5)中得到的所述预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，烧结温度为950℃，所述真空感应热压炉的真空度不低于5.0×10-1Mpa，所述低压等静压烧结炉的压力为25MPa，烧结时间3小时，得到铜合金基体上弥散分布Al2O3颗粒的烧结坯，所述烧结坯的制坯规格φ150×300mm，烧结坯的密度为8.829g/cm3。
实施例2
以铜基复合材料总重量的百分含量计：氧化铝占0.58％，银占0.36％，铜占99.06％，合金理论密度为8.841g/cm3。
上述致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)在真空感应电炉内加入电解铜进行熔炼，熔清后加入铜-磷中间合金进行脱氧5分钟，再加入铜-铝中间合金在1300℃的温度下熔炼5分钟,然后用15Mpa的氮气或者水雾进行雾化制粉，制得铜-铝合金粉末；
2)将步骤1)中制得的铜-铝合金粉末先在空气气氛下，在400℃的温度下氧化60分钟，然后通入氮气在950℃的温度下进行内氧化，并保温90分钟，得到内氧化后的粉末；
3)将步骤2)中得到的所述内氧化后的粉末通入氢气或氨分解气在950℃的温度下进行还原，并保温90分钟，还原完毕冷却到室温，得到铜-氧化铝合金粉末；
4)将铜-氧化铝合金粉末与占粉末总质量6％的铜-6wt％银粉末在混料机中混合均匀，得到混合后的粉末；
5)将步骤4)中得到的所述混合后的粉末进行压块，得到预压坯，预压坯的密度为7.871g/cm3；
6)将步骤5)中得到的所述预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，烧结温度为1020℃，所述真空感应热压炉的真空度不低于5.0×10-1Mpa，所述低压等静压烧结炉的压力为35MPa，烧结时间1小时，得到铜合金基体上弥散分布Al2O3颗粒的烧结坯，所述烧结坯的制坯规格φ150×300mm，烧结坯的密度为8.797g/cm3。
实施例3
以铜基复合材料总重量的百分含量计：氧化铝占0.72％，镧占0.42％，铜占98.86％，合金理论密度为8.805g/cm3。
上述致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)在真空感应电炉内加入电解铜进行熔炼，熔清后加入铜-磷中间合金进行脱氧4分钟，再加入铜-铝中间合金在1250℃的温度下熔炼7分钟,然后用10Mpa的氮气或者水雾进行雾化制粉，制得铜-铝合金粉末；
2)将步骤1)中制得的铜-铝合金粉末先在空气气氛下，在350℃的温度下氧化100分钟，然后通入氮气在850℃的温度下进行内氧化，并保温100分钟，得到内氧化后的粉末；
3)将步骤2)中得到的所述内氧化后的粉末通入氢气或氨分解气在850℃的温度下进行还原，并保温120分钟，还原完毕冷却到室温，得到铜-氧化铝合金粉末；
4)将铜-氧化铝合金粉末与占粉末总质量7％的铜-6wt％镧粉末在混料机中混合均匀，得到混合后的粉末；
5)将步骤4)中得到的所述混合后的粉末进行压块，得到预压坯，预压坯的密度为7.925g/cm3；
6)将步骤5)中得到的所述预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，烧结温度为970℃，所述真空感应热压炉的真空度不低于5.0×10-1Mpa，所述低压等静压烧结炉的压力为30MPa，烧结时间2小时，得到铜合金基体上弥散分布Al2O3颗粒的烧结坯，所述烧结坯的制坯规格φ300×600mm，烧结坯的密度为8.770g/cm3。
实施例4
以铜基复合材料总重量的百分含量计：氧化铝占1.05％，银占0.24％，铈占0.12％，铜占98.59％，合金理论密度为8.785g/cm3。
上述致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)在真空感应电炉内加入电解铜进行熔炼，熔清后加入铜-磷中间合金进行脱氧4分钟，再加入铜-铝中间合金在1250℃的温度下熔炼8分钟,然后用12Mpa的氮气或者水雾进行雾化制粉，制得铜-铝合金粉末；
2)将步骤1)中制得的铜-铝合金粉末先在空气气氛下，在370℃的温度下氧化120分钟，然后通入氮气在900℃的温度下进行内氧化，并保温140分钟，得到内氧化后的粉末；
3)将步骤2)中得到的所述内氧化后的粉末通入氢气或氨分解气在900℃的温度下进行还原，并保温150分钟，还原完毕冷却到室温，得到铜-氧化铝合金粉末；
4)将铜-氧化铝合金粉末与占粉末总质量4％的铜-6wt％银粉末和2％的铜-6wt％铈粉末在混料机中混合均匀，得到混合后的粉末；
5)将步骤4)中得到的所述混合后的粉末进行压块，得到预压坯，预压坯的密度为7.730g/cm3；
6)将步骤5)中得到的所述预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，烧结温度为1000℃，所述真空感应热压炉的真空度不低于5.0×10-1Mpa，所述低压等静压烧结炉的压力为32MPa，烧结时间2小时，得到铜合金基体上弥散分布Al2O3颗粒的烧结坯，所述烧结坯的制坯规格φ400×800mm，烧结坯的密度为8.749g/cm3。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所述致密的弥散强化铜基复合材料，由铜合金基体及均匀弥散分布在所述铜合金基体内的Al2O3微粒组成；其中，
所述铜合金基体为铜与以下一种或两种以上金属形成的合金：Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce单一金属或混合金属；
所述Al2O3的含量为0.1-1.5wt％；所述Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce单一金属或混合金属的一种或两种以上的含量总和＜2.0wt％，其余为Cu；
在真空感应电炉内加入电解铜进行熔炼，熔清后加入铜-磷中间合金进行脱氧，再加入铜-铝中间合金继续进行熔炼,然后用5～15MPa的氮气或者水雾进行雾化制粉，制得铜-铝合金粉末；
2)将步骤1)中制得的铜-铝合金粉末先在空气气氛下进行氧化，然后通入氮气再进行内氧化，得到内氧化后的粉末；
3)将步骤2)中得到的所述内氧化后的粉末通入氢气或氨分解气进行还原，还原完毕冷却到室温，得到铜-氧化铝合金粉末；
4)将步骤3)中得到的所述铜-氧化铝合金粉末与Ag、Cd、Ca、Zr、Mg、La、Ce中任意单一金属或两种以上混合金属或与Cu-Ag、Cu-Cd、Cu-Ca、Cu-Zr、Cu-Mg、Cu-La、Cu-Ce的铜合金中的一种或几种粉末在混料机中混合均匀，得到混合后的粉末；
5)将步骤4)中得到的所述混合后的粉末进行压块，得到预压坯；
6)将步骤5)中得到的所述预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，得到铜合金基体上弥散分布Al2O3颗粒的烧结坯，即所述致密的弥散强化铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述进行脱氧的时间为3～5分钟。
3.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述加入铜-铝中间合金进行熔炼的工艺条件为：在1200～1300℃的温度下熔炼5～10分钟。
4.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述在空气气氛下进行氧化的工艺条件为：在300～400℃的温度下氧化60～180分钟。
5.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述进行内氧化的工艺条件为：在800～950℃的温度下进行内氧化，并保温90～180分钟。
6.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，所述进行还原的工艺条件为：在800～950℃的温度下进行还原，并保温90～180分钟。
7.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，所述预压坯的密度为70～90％理论密度。
8.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，所述进行烧结并合金化的工艺条件如下：烧结温度为950～1020℃，所述真空感应热压炉的真空度不低于5.0×10-1MPa，所述低压等静压烧结炉的压力为25～35MPa，烧结时间1～3小时。
9.根据权利要求1所述的致密的弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述烧结坯的的密度大于99.5％理论密度。
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