CN101775514A - 采用自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用自蔓延高温合成制备(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，将一定量的Cu粉、Ti粉和B4C粉(Cu粉与Ti+B4C粉的质量比为50∶50～60∶40，其中Ti粉与B4C粉的摩尔比为3∶1)混合后在室温下高能球磨3～10小时；然后将混合粉末冷压成型；最后在真空炉室采用电弧引燃压坯，通过压坯的自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料，TiB2和TiC颗粒的平均粒径为2～8μm。本发明采用简单的自蔓延高温合成方法原位反应合成制备TiB2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，提供了一种自蔓延高温合成制备(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。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术之不足，提供一种自蔓延高温合成制备(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。本发明自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)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为原料，先将一定量的Cu粉、Ti粉和B4C粉(Cu粉与Ti+B4C粉的质量比为50∶50～60∶40，其中Ti粉与B4C粉的摩尔比为3∶1)混合均匀，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3～10小时；然后将球磨后的混合粉末冷压成型；最后在真空室内采用电弧引燃压坯，通过压坯的自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料，TiB2和TiC颗粒的平均粒径为2～8μm。本发明采用简单的自蔓延高温合成方法，使纯Cu粉、Ti粉和B4C粉原位反应合成制备(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。
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。
具体实施方式
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，先将一定量的Cu粉、Ti粉和B4C粉(Cu粉与Ti+B4C粉的质量比为50∶50，其中Ti粉与B4C粉的摩尔比为3∶1)混合均匀，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/分的转速进行高能球磨3小时；然后将球磨后的混合粉末冷压成Φ30mm×30mm的圆柱坯；最后在真空室内采用电弧引燃压坯，通过压坯的自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料，TiB2和TiC颗粒的平均粒径7.5μm左右。
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，先将一定量的Cu粉、Ti粉和B4C粉(Cu粉与Ti+B4C粉的质量比为55∶45，其中Ti粉与B4C粉的摩尔比为3∶1)混合均匀，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/分的转速进行高能球磨6小时；然后将球磨后的混合粉末冷压成Φ30mm×30mm的圆柱坯；最后在真空室内采用电弧引燃压坯，通过压坯的自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料，TiB2和TiC颗粒的平均粒径4.5μm左右。
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，先将一定量的Cu粉、Ti粉和B4C粉(Cu粉与Ti+B4C粉的质量比为60∶40，其中Ti粉与B4C粉的摩尔比为3∶1)混合均匀，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/分的转速进行高能球磨9小时；然后将球磨后的混合粉末冷压成Φ30mm×30mm的圆柱坯；最后在真空室内采用电弧引燃压坯，通过压坯的自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料，TiB2和TiC颗粒的平均粒径2.5μm左右。
Claims (4)
1.一种采用自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于：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，将一定量的Cu粉、Ti粉和B4C粉混合后在室温下高能球磨3～10小时；然后将混合粉末冷压成型；最后在真空炉室采用电弧引燃压坯，通过压坯的自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化的铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的采用自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于：所述的Cu粉与Ti+B4C粉的质量比为50∶50～60∶40，其中Ti粉与B4C粉的摩尔比为3∶1。
3.根据权利要求1所述的采用自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于：所述的高能球磨是：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。
4.根据权利要求1所述的采用自蔓延高温合成制备(TiB2+TiC)弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于：所述的TiB2和TiC颗粒的平均粒径为2～8μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20100714 |