CN101168806A - 多相氧化物颗粒增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相氧化物颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，其成分重量百分比为：Al₂O₃：0.1～2.0，La₂O₃：0.1～2.0，Y₂O₃：0.1～2.0，余量为Cu。其制备方法为：将Cu、Al、La、Y合金元素按合金设计成分比例配好，采用真空喷射成形技术和设备，制备CuAlLaY合金锭坯；通过控制氧分压，对铜合金进行原位化学反应处理，制备成CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃系复合材料；再经过锻造、挤压、轧制、拉拔、热处理等加工工艺，制备成棒材、板材、片材、丝材、异型材或触头等形状复杂的制品，实现均匀凝固、短流程、近成形加工；新材料不仅具有高的导电导热性、热稳定性和热强性，而且具有耐磨、耐蚀、耐电弧烧损和抗熔焊等电接触性能，还具有比常规熔铸法和粉末冶金法等技术制备的材料优异的强度和加工性能，生产成本大幅度降低。

Description

多相氧化物颗粒增强铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多相氧化物颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，属于新型铜基电工合金。

背景技术

氧化物颗粒增强铜基复合材料主要有：CuAl₂O₃、CuY₂O₃、CuZr₂O₃、CuSiO₂、CuMgO、CuTiO₂等，其中最常用的是CuAl₂O₃，其不仅导电导热性好，还具有较高的硬度、强度和软化温度等，在汽车、电子、电工、机电等领域应用广泛。

国外对CuAl₂O₃材料内氧化法制备的研究在20世纪50年代后进入实用阶段，70年代美国已成功地应用粉末内氧化法进行了工业化生产，如OMG公司生产的CA194和CA195弥散强化铜基复合材料，SCM公司生产的C15715和C15760铜基复合材料等，其软化温度为900℃，电导率为80％～90％IACS，抗拉强度达540MPa，已形成月产20吨的生产规模，其产品主要用作电阻焊电极、高强度电力线、灯丝引线、电工触头、连铸机结晶器等，同时，也用于取代传统熔铸法制备的CuCr系、CuCrZr系等电极材料。

日本松下电器公司生产的KLF-1、MF202弥散强化铜合金，德国SIEMENS公司、韩国LKENG公司生产的CuAl₂O₃已具有相当的规模，并制定了相应的产品技术标准。由于该类产品在国外仍被列为专利产品，生产工艺技术仍然保密，而CuAl合金粉末内氧化法仍是目前工业生产氧化物颗粒增强铜基复合材料的主要方法。

我国对氧化物颗粒增强铜基复合材料的研究起步较晚，20世纪70年代才开始正式立项，由洛阳铜加工厂和中南矿冶学院合作研制；到80年代末90年代中才有天津大学、哈尔滨工业大学、河北工业大学、沈阳工业大学、昆明冶金研究院等单位对该类材料的研究报道；至90年代末昆明贵金属研究所、北京有色金属研究总院等单位，采用快速凝固和冷等静压技术，相继开展了该类材料的研究和开发工作。但是，由于CuAl₂O₃组织均匀性差、致密度不高、制备工艺复杂、生产成本高等各种原因，国内有关单位仅仅建立了小规模的中试生产线，一直不能规模化生产；同时，CuAl₂O₃材料在力学性能、加工工艺及软化温度等方面还不稳定，加工的成品率低，导致制作成本较高；因此，各项技术性能指标均有待于进一步改善和提高。目前，国内使用的大多数CuAl₂O₃材料仍然依赖于进口，并且价格昂贵。

目前，国内氧化铝颗粒增强铜基复合材料的制备方法主要有：机械混粉法、化学共沉淀法、机械合金化法、粉末内氧化法、溶胶-凝胶法等制备合金粉末，再通过压制成形、烧结、挤压、拉拔、轧制及机械加工等工艺技术，最终得到产品所需要的形状尺寸。由于国内材料和生产工艺存在着：(1)氧化物颗粒粗大、增强相单一，材料的高温性能不稳定；(2)氧化物颗粒增强相形成困难，材料性能不稳定；(3)不能直接制备锭、板、轮等近成形构件，材料制备工艺技术复杂，产品质量难以控制，生产成本较高；(4)不能形成规模化生产等。导致CuAl₂O₃材料的制备水平及综合性能与国外相比存在着较大差距，规模化应用的CuAl₂O₃还依赖于进口的局面。

发明内容

本发明通过喷射成形、原位化学反应等先进加工技术集成，可实现短流程、近成形、强制均匀凝固制备CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃新型复合材料，一次性制备锭、板、轮等形状构件，具有生产效率高，加工成本低，产品质量稳定等特点，产品在国内外的技术和经济优势明显，具有国际市场竞争实力。

本发明的铜基复合材料的化学成份重量百分比(wt％)为：Al₂O₃：0.1～2.0，La₂O₃：0.1～2.0，Y₂O₃：0.1～2.0，余量为Cu。

本发明铜基复合材料的制备方法为：将Cu、Al、La、Y合金元素按合金设计成分比例配好，采用真空喷射成形技术和设备，制备CuAlLaY合金锭坯；通过控制氧分压，对铜合金进行原位化学反应处理，制备成CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃系复合材料；再经过锻造、挤压、轧制、拉拔、热处理等加工工艺，制备成棒材、板材、片材、丝材、异型材或触头等形状复杂的制品，实现均匀凝固、短流程、近成形加工。

本发明的材料不仅具有高的导电导热性、热稳定性和热强性，而且具有耐磨、耐蚀、耐电弧烧损和抗熔焊等电接触性能，还具有比常规熔铸法和粉末冶金法等技术制备的材料优异的强度和加工性能，生产成本大幅度降低。材料可用于电力、电工、电子、机电、汽车等有关行业，如电力工程高压开关触子、大功率触头材料、集成电路散热板、大型高速涡轮发电机转子导线、替代银的电接触材料、电气开关触桥等领域。

多相氧化物颗粒增强铜基复合材料在汽车、电力、电子、电工、机电、航空航天等有关行业获得应用推广。

喷射成形技术的优点在于把金属熔体的雾化与沉积凝固成形一次完成，可直接从液态金属强制均匀凝固制备具有快速凝固组织特征、整体致密、接近零件实际形状的高性能材料。喷射成形原位化学反应CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃第二相颗粒微细、均匀，分布于铜基体的晶内和晶界上，使材料的热稳定性和热强性明显改善。因此，本发明利用稀土氧化物颗粒容易形成、硬度高、热稳定性好、与基体金属不相溶等特点，结合喷射成形、原位化学反应等材料先进制备加工技术的集成，稳定生产工艺，降低生产成本，实现了氧化物颗粒增强铜基复合材料的产业升级改造。

具体实施方式

本发明的铜基复合材料的化学成份重量百分比(wt％)为：Al₂O₃：0.1～2.0，La₂O₃：0.1～2.0，Y₂O₃：0.1～2.0，余量为Cu。

本发明的铜基复合材料的制备方法，其具体工艺步骤过程为：

(1)将纯度＞99.9％的Al、La、Y、Cu元素按合金设计成分比例配好，采用真空喷射沉积设备，制备CuAlLaY合金的锭、板、轮等近成形构件。

(2)控制氧分压，对CuAlLaY合金进行原位化学反应处理，制备CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃系复合材料，原位反应温度为：800℃～1000℃。

(3)将CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃复合材料进行锻造、挤压、轧制、拉拔等加工，最终根据应用要求再加工成为棒材、板材、片材、丝材、异型材或触头等形状的制品。锻造挤压温度为：700℃～900℃，轧制、拉拔变形量为30％～50％，热处理温度为600℃～800℃。

CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃系列复合材料的物理、力学性能如表1所示。

CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃系列复合材料的导热性能及高温性能指标如表2所示。

表1.CuAl₂2O₃La₂O₃Y₂O₃系列复合材料的物理、力学性能

表2.CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃系列复合材料的导热性能及高温性能

Claims (2)

1.一种多相氧化物颗粒增强铜基复合材料，其特征在于这种材料的化学成份重量百分比(wt％)为：Al₂O₃：0.1～2.0，La₂O₃：0.1～2.0，Y₂O₃：0.1～2.0，余量为Cu。

2.权利要求1中的多相氧化物颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于这种方法的具体过程为：

(1)将纯度＞99.9％的Al、La、Y、Cu元素按合金设计成分比例配好，采用真空喷射沉积设备，制备CuAlLaY合金的锭、板、轮等近成形构件，

(2)控制氧分压，对CuAlLaY合金进行原位化学反应处理，制备CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃系复合材料，原位反应温度为：800℃～1000℃，

(3)将CuAl₂O₃La₂O₃Y₂O₃复合材料进行锻造、挤压、轧制、拉拔等加工，最终根据应用要求再加工成为棒材、板材、片材、丝材、异型材或触头等形状的制品。锻造挤压温度为：700℃～900℃，轧制、拉拔变形量为30％～50％，热处理温度为600℃～800℃。