CN101775513A - 利用机械合金化制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用机械合金化制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法：以粒度均小于100目，纯度均大于99％的Cu粉、Ti粉和B4C粉为原料，先将Ti粉和B4C粉按3∶1(mole)混合后在室温下高能球磨2～20小时；然后向球磨后的混合粉末中添加一定比例的Cu粉，使Ti+B4C粉与Cu粉的质量比为1∶99～20∶80；把添加了Cu粉后的新混合粉末在室温下继续进行高能球磨2～10小时；将球磨后的混合粉末冷压成型；最后将压坯在800～1000℃温度下的氩气保护气氛电阻炉中烧结1～3小时，得到平均粒径为5～10μm的TiB2+TiC弥散强化的铜基复合材料。本发明采用简单的高能球磨机械合金化方法，使纯Cu粉、Ti粉和B4C粉合成制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料，具有工艺简单、生产成本低、产品产量和质量高等优点。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，提供了一种制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，可用于电力产业、国防工业、集成电路、焊接设备等领域广泛应用的高强高导铜基复合材料的生产制备。
背景技术
高强高导铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，在众多工业领域中有着不可替代的作用，广泛应用于集成电路的引线框架口、各类点焊和滚焊机的电极、大功率异步牵引电动机转子、电气化铁路接触导线、热核实验反应堆(ITER)偏滤器垂直靶散热片等电力、电工、机械制造领域。但是，铜合金中的强度和导电性一直是一对相矛盾的特性，此消彼涨，一般只能在牺牲电导率和热导率的前提下改善铜的力学性能，以获得高的强度。如何解决这一矛盾，一直是高强高导铜合金研究的关键课题。
目前获得高强高导铜合金的途径主要有两种：一是合金化途径，即向铜中引入合金元素以形成铜合金来进行强化；二是复合化途径，即向铜基体中引入第二强化相以形成复合材料来进行强化。
合金化法是在铜中添加合金元素，溶质原子溶入晶格后会引起晶格点阵畸变，造成应力场，从而使强度提高。传统的合金化法主要通过固溶强化和析出强化等手段来强化铜基体。根据合金固溶强化原理，铜合金中常用的固溶合金元素有Sn、Cd、Ag等。根据析出强化原理，目前已开发的该类铜合金有Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Ti、Cu-Fe等。合金化法的优点在于技术较成熟、工艺简单、成本较低，适宜规模化生产。其缺点是晶体中畸变的点阵对运动电子的散射作用相应加剧，降低了导电性。一般只能在牺牲电导率的前提下改善铜的力学性能。合金化法制备的铜合金强度在350～650MPa之间，电导率一般不超过90％IACS，难以满足新一代电器件对性能的要求。
根据导电理论，第二相在铜基体中的引起的电子的散射作用比固溶原子在铜基体中引起的散射作用弱得多，故复合强化不会引起铜基体导电性的明显降低，且增强相还能改善基体的机械性能，成为获得高强度高导电性铜合金的主要手段。研究资料表明，利用材料复合化制备的Cu-Ta、Cu-Nd等复合材料强度大于1400MPa，导电率达90％IACS以上，并已得到工程应用。复合化途径根据强化相引入方式的不同可以分为人工复合法和原位复合法。
人工复合法通过人为地向铜中加入第二相的晶须或纤维对铜基体进行强化，或依靠强化相本身来增大材料强度的方法，例如氧化强化法、机械合金化法以及碳纤维复合法等。人工复合法的特点是部分方法比较成熟，其产品已获得工程应用，但工艺复杂，生产成本高。原位复合法是向铜中加入一定量合金元素，通过一定工艺，使铜内部原位生成增强相，而不是加工前就存在增强体与基体铜两种材料，包括塑性变形复合法、原位反应复合法和原位生长复合法。对比人工复合法，原位复合法所获得的产品中基体和第二相界面相容性更好，制备工艺步骤减少，生产成本降低。
二硼化钛(TiB2)具有高熔点、低密度、优良的导热和导电性等诸多优点，在导电陶瓷材料、复合陶瓷材料等领域被广泛使用。碳化钛(TiC)是一种FCC结构的间隙化合物，具有高硬度、高熔点、低电阻率等诸多优点，广泛应用于粉末冶金等领域。在Al、Fe、Cu等金属材料中添加TiB2和TiC，可以充分发挥金属基体和TiB2和TiC增强相各自的优势，获得高性能的金属基复合材料。传统的(TiB2+TiC)弥散强化金属基复合材料制备需要先分别得到TiB2和TiC超细粉体，然后通过一定的方法把TiB2和TiC分散到Cu基体中。但TiB2和TiC超细粉体的制备工艺较为复杂，导致(TiB2+TiC)弥散强化金属基复合材料的制备工序较多，生产成本较高。
高能球磨(high-energy ball milling)原位反应机械合金化法是利用机械能来诱发化学反应或诱导材料组织、结构和性能的变化，已成为制备超细材料和新型复合材料的一种重要途径。作为一种新技术，高能球磨机械合金化法具有明显降低反应活化能、细化晶粒、极大提高粉末活性和改善颗粒分布均匀性及增强体与基体之间界面的结合，促进固态离子扩散，诱发低温化学反应，从而提高了材料的密实度、电、热学等性能，是一种节能、高效的材料制备技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术之不足，提供一种制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，缩短工艺路线，降低生产成本，提高产品质量。
本发明制备碳化钛弥散强化铜基复合材料的技术方案是：以粒度均小于100目，纯度均大于99％的Cu粉、Ti粉和B4C粉为原料，先将Ti粉和B4C粉按3∶1(mole)的比例进行均匀混合，把球料比为10∶1～100∶1的钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐内腔体积的10～50％；在室温下以1000～2000转/分的转速进行高能球磨2～20小时；然后，在手套箱中向球磨后的混合粉末中添加一定比例的Cu粉，使Ti+B4C粉与Cu粉的质量比为1∶99～20∶80；把添加了Cu粉后的新混合粉末在室温下以1000～2000转/分的转速进行高能球磨2～10小时；将球磨后的Cu、Ti、B4C混合粉末冷压成圆柱体；最后在800～1000℃温度下的氩气保护气氛电阻炉中烧结1～3小时，得到平均粒径为5～10μm的(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料。
本发明系简单的高能球磨合金化方法，制备过程中不加过程控制剂，使纯Cu粉、Ti粉和B4C粉反应合成制备(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料，具有工艺简单、生产成本低、产品产量和质量高等优点。本发明通过对球磨工艺参数的控制，利用纯Cu粉、Ti粉和B4C粉在室温下反应合成制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料，缩短工艺路线，降低生产成本，提高产品质量，以实现(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的大规模广泛应用。
具体实施方式
下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
实施例1：以粒度均为150目，纯度均为99.9％的Cu粉、Ti粉和B4C粉为原料，将Ti粉和B4C粉按3∶1摩尔(mole)的进行均匀混合；把球料比为20∶1的钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入高能球磨机球磨罐中，使球料混合物占球磨罐内腔体积的15％；在室温下以1000转/分的转速对球料混合物进行6小时高能球磨；在氩气气氛的手套箱中向球磨罐中添加一定量的Cu粉，使Ti粉+C粉与Cu粉之间的质量比达到5∶95；将添加了Cu粉的混合粉末继续以1000转/分的转速高能球磨3小时；取出粉末后冷压成圆柱体；在800℃温度下的氩气气氛电阻炉中烧结3小时，得到平均粒径为9.5μm左右的(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料。
实施例2：以粒度均为200目，纯度均为99.9％的Cu粉、Ti粉和B4C粉为原料，将Ti粉和B4C粉按3∶1(mole)的进行均匀混合；把球料比为40∶1的钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入高能球磨机球磨罐中，使球料混合物占球磨罐内腔体积的25％；在室温下以1500转/分的转速对球料混合物进行12小时高能球磨；在氩气气氛的手套箱中向球磨罐中添加一定量的Cu粉，使Ti粉+B4C粉与Cu粉之间的质量比达到15∶85；将添加了Cu粉的混合粉末继续以1500转/分的转速高能球磨6小时；取出粉末后冷压成圆柱体；在900℃温度下的氩气气氛电阻炉中烧结2小时，得到平均粒径为7μm左右的(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料。
实施例3：以粒度均为300目，纯度均为99.9％的Cu粉、Ti粉和B4C粉为原料，将Ti粉和B4C粉按3∶1(mole)的进行均匀混合；把球料比为80∶1的钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入高能球磨机球磨罐中，使球料混合物占球磨罐内腔体积的35％；在室温下以2000转/分的转速对球料混合物进行18小时高能球磨；在氩气气氛的手套箱中向球磨罐中添加一定量的Cu粉，使Ti粉+B4C粉与Cu粉之间的质量比达到20∶80；将添加了Cu粉的混合粉末继续以2000转/分的转速高能球磨9小时；取出粉末后冷压成圆柱体；在1000℃温度下的氩气气氛电阻炉中烧结1小时，得到平均粒径为5.5μm左右的(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料。
Claims (3)
1.一种利用机械合金化制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于含有以下步骤：以粒度均小于100目，纯度均大于99％的Cu粉、Ti粉和B4C粉为原料，先将Ti粉和B4C粉按3∶1摩尔比例进行均匀混合，把球料比为10∶1～100∶1的钢球和混合粉末在充满氩气的手套箱中放入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐内腔体积的10～50％；在室温下以1000～2000转/分的转速进行高能球磨2～20小时；然后，在手套箱中向球磨后的混合粉末中添加Cu粉，使Ti+B4C粉与Cu粉的质量比为1∶99～20∶80；把添加了Cu粉后的新混合粉末在室温下以1000～2000转/分的转速进行高能球磨2～10小时；再将球磨后的Cu、Ti、B4C混合粉末冷压成圆柱体；最后在氩气保护气氛电阻炉中烧结1～3小时，得到(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用机械合金化制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于：所述的氩气保护气氛电阻炉中的烧结温度为800～1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种利用机械合金化制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于：所述的(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料的强化颗粒平均粒径为5～10μm。
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