CN101284307A - 一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，首先，制备不同配比的反应薄片；然后，将上述反应薄片根据Cu含量梯度叠层，在模具中进行冷压得到反应预制块；最后，在砂型或金属型铸造模的型腔上部固定反应预制块，坩埚电阻炉将纯铜熔化并加热至1133～1183℃进行浇铸，即可得到在零件的表面Al2O3成分呈梯度分布的铜基复合材料。本发明利用高温液态Cu引燃Al粉、CuO粉和Cu粉组成的梯度叠层的反应预制块，实现零件表面梯度强化与零件成型一体化，降低了成本，增强了铜基复合材料的强度、高温抗蠕变及抗磨损性能，提高了零件的质量。

Description

一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法
技术领域
本发明涉及一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法。
背景技术
铜基复合材料具有优良的导电导热性、高温稳定性和较高的强度，在机电、宇航、微电子等高技术领域应用潜力巨大，已被广泛应用于大规模集成电路引线框架、电焊电极、转换开关、电触头等，是现代电子信息产业发展的关键材料。纯铜虽然有着很高的电导率、导热系数及良好的抗电弧侵蚀能力，但是纯铜的室温强度和高温强度均较低，难以满足某些特殊领域的实际应用需求。
传统的合金强化法虽然提高了合金的强度，但是合金的电导率也随之下降，而且合金元素含量较低，析出强化作用有限，难以实现高强度高电导率的“双高”性能。固溶在铜基体中的原子引起铜原子点阵畸变对电子的散射作用比第二相引起的散射作用更明显，所以颗粒复合强化不会显著降低铜基体的导电性，而且由于第二相的强化作用改善了基体的室温性能和高温性能，成为目前获得高强度高电导率铜合金的主要手段。制备原位内生颗粒增强金属基复合材料的常见方法主要有XD法(美国专利，U.S.Patent No.4710348)、接触反应法(中国专利，专利号：93104814)，这些方法技巧性较强，难度高，不易掌握，主要用来制造颗粒增强的Al基、Ti基、Zn基等复合材料，而且只能制备整体增强的复合材料。
自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis，缩写SHS)，是利用化学反应自身放热制备材料的新技术。其最显著的特点就是利用元素间形成化合物时发生高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外加能量，整个反应过程主要依靠物料自身的放热来维持。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，该方法利用高温液态Cu引燃Al粉、CuO粉、Cu粉组成的叠层梯度的反应预制块，零件在成型的同时，又实现了零件的表面梯度复合强化，即实现表面梯度强化与零件成型一体化，降低成本，提高铜基复合材料的强度、高温抗蠕变及抗磨损性，提高了零件的质量。
本发明的技术解决方案主要包括以下步骤：首先，制备不同配比的反应薄片，在行星式球磨机中将反应物和不同设计含量的铜粉分别球磨0.5～1小时，球磨后在成型模具中用≤0.5吨的压力将充分混合后的粉体压成厚度约1～3mm的反应薄片；其中Al粉和CuO粉为反应物，Cu粉为稀释剂，Al粉和CuO粉的摩尔比为1∶1.5，稀释剂Cu粉的加入量根据设计要求确定，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒径为25～150μm；然后，将上述反应薄片根据Cu粉含量的高低梯度叠层，再在模具中进行冷压成型得到厚度为2～15mm左右的反应预制块，压力机吨位为10～20吨；最后，在砂型或金属型铸造模的型腔上部固定反应预制块，反应预制块与外界保持良好的出气通道，将纯铜放入坩埚电阻炉加热熔化，并保证在1133～1183℃进行浇铸，即可在零件的表面得到Al2O3成分呈梯度分布的铜基复合材料。
本发明的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法中，在反应物中加入粘结剂纤维素，纤维素为反应物总量的0.1％。
本发明的基本原理是：CuO和Al在一定的温度下发生强烈的化学反应，生成Al2O3和Cu，该反应为放热反应，其产生的热量可维持反应的自发进行，无需再提供额外的热量，通过高温液态Cu提供的能量，可保证化学反应的发生，同时结合传统的铸造技术，一体化实现零件表面复合层原位合成反应及零件成型。
本发明与目前已有技术相比具有以下优点：①本发明通过CuO和Al在铜基体表层发生原位反应生成Al2O3硬质增强相，并与铜基体形成冶金结合，使铜基复合材料既有高导电导热性能，又提高了铜的强度、高温抗蠕变及抗磨损性能；②本发明制备的表面增强梯度铜基复合材料的方法不同于整体复合法，实现了材料的表面梯度强化与零件成型一体化，工艺简单，成本低廉，易于推广，可有效地解决由于整体强化带来的导电性能变差的问题；③现有颗粒增强技术大多是通过在铜液熔炼过程中形成，从而影响了铜液的流动性，易产生夹杂、浇不足等铸造缺陷，本发明的强化层中的Al2O3颗粒增强相是原位内生的，润湿性好，界面结合良好，分布弥散，解决了外加颗粒所产生的润湿性差、易污染、界面结合不好、颗粒偏聚等缺陷，不影响铜液的流动性，铸件质量不受影响；④复合材料的基体为铜，强化层中增强体为Al2O3相，Al2O3在强化层中的质量分数由表及里呈梯度分布，提高了复合材料的界面结合性能。⑤本发明获得的Al2O3颗粒增强铜基复合材料具有优良的物理性能和力学性能，可以用在大功率微波管结构材料、集成电路IC引线框架、转换开关触头、电阻焊电极头、高强度电力线、高级激光反射镜、电阻焊电极、连铸结晶器、炼钢用氧枪喷头、计算机引线框架等场合，在替代银基触头材料方面有着其他材料不可比拟的优点，具有广阔的应用前景；
具体实施方式
下面结合具体的实施例，进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
根据引线框表面耐磨性能要求，确定复合层表面Al2O3的含量在12.5％，复合层厚度为5mm，梯度叠层确定为5层，由表及里设计Cu粉质量分数分别为12.5％、10％、7.5％、5％和2.5％，反应薄片各层厚度均为1mm。
根据Al粉和CuO粉的摩尔比1∶1.5，每100g反应物中Al粉18.4g、CuO粉81.6g，另按100g反应物计算Cu粉的掺入量分别为177.6g、247g、362.7g、594g、1288g，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒径75μm。
首先，利用0.5吨压力机将反应物和不同量的Cu粉在成型模具中分别预压成约1.2mm厚的反应薄片；然后，将上述薄片按照Cu粉含量梯度叠层，在模具中进行冷压得反应预制块，压力机吨位选择为10吨；最后，在砂型铸造模的型腔上部固定反应预制块，坩埚电阻炉将纯铜熔化，并加热至1158℃进行浇铸，在零件的表面得到Al2O3成分呈梯度分布的铜基复合材料。
实施例2：
根据连铸结晶器表面耐磨性能要求，确定复合层表面Al2O3的含量在25％，复合层厚度为15mm，梯度叠层确定为5层，由表及里设计Cu粉质量分数分别为25％、20％、15％、10％和5％，反应薄片各层厚度为3mm。
根据Al粉和CuO粉的摩尔比1∶1.5，每100g反应物中Al粉18.4g、CuO粉81.6g，另按100g反应物计算Cu粉的掺入量分别为36.8g、73.5g、131g、247g、594g，纤维素含量0.1g，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒径150μm。
首先，利用0.5吨压力机将反应物和不同量的Cu粉在成型模具中分别预压成比设计厚度略厚的3.6mm反应薄片，然后，将上述薄片按照Cu粉含量梯度叠层，在模具中进行冷压得反应预制块，压力机吨位选择为20吨；最后，在金属型铸造模的型腔上部固定反应预制块，坩埚电阻炉将纯铜熔化，并加热至1183℃进行浇铸，在零件表面得到Al2O3成分呈梯度分布的铜基复合材料。
实施例3：
根据电极材料表面耐磨性能要求和电极材料的结构特点，确定复合层表面Al2O3的含量在25％，复合层厚度为2mm，梯度叠层确定为2层，由表及里设计Cu粉质量分数为25％和10％，反应薄片厚度为1.0mm。
根据Al粉和CuO粉的摩尔比1∶1.5，每100g反应物中Al粉18.4g、CuO粉81.6g，另按100g反应物计算Cu粉的掺入量分别为36.8g和247g，纤维素含量0.1g，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒径25μm。
首先，利用0.5吨压力机将反应物和不同量的Cu粉在成型模具中分别预压成比设计厚度略厚的1.5mm反应薄片，然后，将上述薄片按照Cu粉含量梯度叠层，在模具中进行冷压得2mm反应预制块，压力机吨位选择在15吨；最后，在砂型铸造模的型腔上部固定反应预制块，坩埚电阻炉将纯铜熔化，并加热至1133℃进行浇铸，在零件表面得到Al2O3成分呈梯度分布的铜基复合材料。

Claims (8)

1.一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：首先，Al粉、Cu粉和不同含量的Cu粉制备不同配比反应薄片；然后，将上述反应薄片根据Cu粉含量梯度叠层，在模具中进行冷压得到反应预制块；最后，在砂型或金属型铸造模的型腔上部固定反应预制块，利用坩埚电阻炉将纯铜熔化并浇铸，即可得到零件表面Al2O3成分呈梯度分布的铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于：Al粉和CuO粉为反应物，Cu粉为稀释剂，Al粉和CuO粉摩尔比为1∶1.5，稀释剂Cu粉的加入量根据设计要求确定，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒径为25～150μm。
3.根据权利要求1所述的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于：反应薄片在球磨机中制得，在行星式球磨机中反应物和不同含量的铜粉球磨0.5～1小时，充分混合后的粉体在成型模具中≤0.5吨的压力机预压成的反应薄片。
4.根据权利要求1所述的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于：反应薄片厚1-3mm。
5.根据权利要求1所述的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于：将反应薄片根据Cu粉含量的高低进行叠层，在模具中冷压得反应预制块，反应预制块的冷压压力10～20吨。
6.根据权利要求1所述的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于：反应预制块厚度为2～15mm。
7.根据权利要求1所述的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于：纯铜的浇铸温度为1133～1183℃。
8.根据权利要求1所述的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于：在反应物中加入粘结剂纤维素，纤维素为反应物总量的0.1％。
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