CN101880814A

CN101880814A - 一种耐磨导电导热材料及其制备方法

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Publication number: CN101880814A
Application number: CN 201010225024
Authority: CN
Inventors: 张文泉; 曾昭锋
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: CN101880814B

Abstract

本发明公开一种耐磨导电导热金属基复合材料及其制备方法，属于耐磨导电导热材料领域。该耐磨导电导热材料的组成为：α-Al₂O₃粉末的含量为5％～25％(体积)，Cu粉末的含量为95～75％(体积)。其制备方法为：按配比将两种粉末原料与粘结剂混炼；将经充分混炼后的混合粉末冷压成形；将得到的生坯经室温空气中自然干燥后在真空环境进行热干燥、热脱脂，并在真空环境或惰性气体环境下增压烧结成形；对所得制备α-Al₂O₃/Cu复合材料采用冷塑变形、二次烧结工艺。本发明的优点在于：材料成分易控、成本低廉且耐磨损性能和导电导热性能优良等优点，可广泛应用于多领域中耐磨导电导热部件的制造。

Description

一种耐磨导电导热材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨导电导热材料领域，特别是提供了一种α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术和国民经济的高速发展，许多应用领域要求所用材料高导电性、导热性及高强度兼备。纯铜导电导热性能高而强度、耐磨性等低。传统的强化手段，由于自身的局限性，在保持铜高导电性的同时，对强度、耐磨性等的提高有一定限度。导电理论指出，固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强得多，复合强化不会明显降低铜基体的导电性，而且由于增强材料的作用还改善了基体的室温及高温性能，故成为获得高强高导电铜基复合材料的主要强化手段。如何使材料在保持较高电导率(或热导率)的前提下，大幅度提高铜基复合材料的力学性能的问题已成为研究与开发的中心任务。由于Al₂O₃颗粒对铜的复合强化，既可以同时发挥基体及强化材料的协同作用，又具有很大的设计自由度，能使材料的导电性与其强度或者其它性能达到较好的匹配，因而引起了人们的侧目，并成为材料领域的研究热点之一。因此，为了获得具备高导电性、导热性及高强度兼备的材料，开发Al₂O₃/Cu复合材料是相对简便、廉价的有效解决手段。

Al₂O₃/Cu复合材料开发问题主要集中在材料的导电导热性与强度、耐磨性等难以兼顾，强度、耐磨性等的提高是依靠加入的Al₂O₃等硬质相增强，而Al₂O₃的加入会影响导电导热性能，强度、耐磨性等的提高以损失导电导热性能为代价。现有研究中对于Al₂O₃/Cu复合材料性能多关注于研究导电性与强度两方面的协调，以及提高软化温度，这主要是考虑用作高强高导电材料，比如：集成电路引线框架、高强度电力线、电阻焊电极等应用方面。然而在众多其它应用领域，比如：药芯焊丝送料导管(嘴)、滑动电接触、刹车片等实际使用条件，更关注的应该是材料耐磨性与导电导热性的协调统一。特别是目前对于导热性的研究却很少，本发明在这方面获得了有益的进展。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料及其制备方法。以经过焙烧得到的α-Al₂O₃颗粒(比Al₂O₃的其它形态稳定且硬度高)为增强体，制备α-Al₂O₃颗粒增强铜基复合材料。

氧化铝有6～7种晶型，常见的有α、β、γ三种晶型。α-Al₂O₃俗称刚玉，是氧化铝最稳定的晶型。由常温到其熔点，α-Al₂O₃都不发生相变。α-Al₂O₃是氧化铝在高温时的晶体结构，其它的晶型在1450～1600℃及以上都可以不可逆地转变为α相。为了提高Al₂O₃/Cu复合材料的稳定性及强化效果，将所购氧化铝粉进行焙烧预处理。具体工艺为在高温热处理炉中加热至1450℃并保温1～3小时。经XRD检测，焙烧处理后的Al₂O₃粉末只含α-Al₂O₃。

本发明α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热复合材料所用原料由Cu粉末和经1450℃保温1～3小时焙烧处理后的α-Al₂O₃粉末组成，材料配方以体积百分比表示为：α-Al₂O₃粉末5％～25％，Cu粉末95～75％。单个铜颗粒直径大小约为5～20μm，单个Al₂O₃颗粒大小约7～10μm。

本发明的制备工艺为：

1.配制α-Al₂O₃/Cu混合粉末，其中α-Al₂O₃粉末5％～25％(体积)，Cu粉末95～75％(体积)。

2.采用粉末冶金工艺，在原始混合粉末中加入粘结剂，混炼制成粘性粉末。α-Al₂O₃/Cu混合粉末90～96％(重量)，粘结剂10～4％(重量)。粘结剂由粉末状水溶性羟丙基甲基纤维素HPMC(含量为10～15wt％)和去离子水或蒸馏水(含量为90～85wt％)组成。HPMC具有良好的水溶性和粘性，有利于减少粘性添加剂的添加量，同时也便于坯料的压制成形和脱脂。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存12～48小时，以使其充分熟成。粘结剂含量可在4～10wt％范围内变化。

3.清洗模具，在模具内壁上均匀喷涂润滑剂硬脂酸锌或石蜡，以降低压制过程和脱模过程中的摩擦力，从而使压坯密度均匀且可以避免脱模过程中因摩擦力过大而引起的压坯碎裂。将混炼均匀后的粘性粉末放入模具中，以l～100MPa/秒的压制速度压制，在压力为200～600MPa的条件下保载1～5min成形。

4.为防止Cu粉在加热过程中发生氧化，将压制成形坯体在室温空气中自然干燥24小时后，将压坯的干燥、脱脂工艺与烧结工艺结合到真空烧结炉中一次完成：在100～150℃保温0.5～5小时以便除去水分，干燥生坯；400℃保温4～8小时，消除内应力，使有机物HPMC分解以除去粘结剂。铜基体在400℃以下热膨胀系数(25～300℃时为16.8×10^-6/K)较低，400℃以上热膨胀系数(400℃以上时＞20.0×10^-6/K)较高，故在400℃以下采用较高升温速度，400℃以上则降低升温速度。

针对α-Al₂O₃/Cu复合材料采用如下干燥、脱脂与真空烧结综合工艺：

真空抽至10^-2Pa；室温(20℃)～(100～150℃)，升温速度10～15℃/min；100～150℃保温0.5～5小时；(100～150℃)～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃保温4～8小时；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；980～1050℃保温1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件。

采取的干燥、脱脂与气压烧结综合工艺为：

真空抽至1.0×10^-2～50Pa；室温(20℃)～(100～150℃)，升温速度10～15℃/min；100～150℃保温0.5～5小时；(100～150℃)～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃保温4～8小时；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；980～1050℃保温1～3小时，即达到保温温度后充惰性气体1～30分钟至气压达到0.1～10MPa，保温保压1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件。

在980～1050℃范围内也可以采用增加烧结压力，如热压(HP)烧结、放电等离子烧结(SPS)、热等静压(HIP)烧结等，或温度梯度烧结，以改善烧结体的组织和性能。

5.对上述所得α-Al₂O₃/Cu复合材料采用冷塑变形、二次烧结工艺，以进一步提高所制备α-Al₂O₃/Cu复合材料的相对密度，改善烧结体的组织和性能。具体工艺如下：

冷塑变形：采用在冷变形模具内复压，以1～5MPa/s的加压速度压至150～250MPa，并保压1～5分钟。

由于在初次烧结中已经进行了除水、去脂，因此二次烧结工艺采取直接烧结，而取消100～150℃和400℃的保温阶段。如前所述由于Cu基体在400℃以下膨胀系数低，而400℃以上膨胀系数高，为了避免出现烧结裂纹，应该采用不同的升温速度，400℃以下10～15℃/min，400℃以上5～8℃/min，其它工艺参数也不变：

真空抽至10^-2Pa；室温(20℃)～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；980～1050℃保温1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件。

或真空抽至1.0×10^-2～50Pa；室温(20℃)～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；达到保温温度980～1050℃后充惰性气体1～30分钟至气压达到0.1～10MPa，保温保压1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件。

本发明的优点在于：所选α-Al₂O₃增强颗粒稳定，硬度高，颗粒粒度分布较均匀、界面结合良好且无热应力的存在，增强效果佳，所制备α-Al₂O₃/Cu复合材料的耐磨性能优良。同时由于复合材料由α-Al₂O₃和Cu组成，导热导电性能接近纯Cu的水平。上述α-Al₂O₃/Cu耐磨复合材料，具有较高的相对密度(＞0.76)，较高的显微硬度(HV_0.2/15＞0.87GPa，标准纯铜为0.62GPa左右)，较高的耐磨损性能(同样磨损条件下近3倍于标准纯铜)。热导率为标准纯铜的70％以上，电导率＞80％IACS(国际退火铜标准)。材料成分易控、成本低廉且耐磨损性能和导电导热性能优良等优点，可广泛应用于能源工程、动力机械、化学化工、冶金及航空航天等领域中耐磨导电导热部件的制造。

具体实施方式

实施例1：α-Al₂O₃/Cu复合材料，其材料配比为：α-Al₂O₃/Cu混合粉末94wt％(其中α-Al₂O₃粉末15％(体积)、Cu粉末85％(体积))，粘结剂6wt％(其中HPMC15wt％、去离子水85wt％)。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存24小时；然后在模具中以2MPa/秒的速度进行压制，达到300MPa的压力后保载1分钟。将压制成形坯体在室温空气中自然干燥24小时后，采用如下干燥、脱脂与真空烧结综合工艺：

真空抽至10^-2Pa；室温(20℃)～110℃，升温速度10～15℃/min；110℃保温2小时；110℃～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃保温4小时；400℃～1030℃，升温速度5～8℃/min；1030℃保温2小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件。

对上述所得烧结样品采用冷塑变形、二次烧结工艺，以进一步提高所制备α-Al₂O₃/Cu复合材料的相对密度，改善烧结体的组织和性能。具体工艺如下：

冷塑变形：采用在冷变形模具内复压，以2MPa/s的加压速度压至200MPa，并保压60s。

由于在初次烧结中已经进行了除水、去脂，因此二次烧结工艺采取直接烧结，而取消110℃和400℃的保温阶段。如前所述由于Cu基体在400℃以下膨胀系数低，而400℃以上膨胀系数高，为了避免出现烧结裂纹，应该采用不同的升温速度：400℃以下10～15℃/min，400℃以上5～8℃/min，其它工艺参数也不变。

实施例2：α-Al₂O₃/Cu复合材料，其材料配比为：α-Al₂O₃/Cu混合粉末94wt％(其中α-Al₂O₃粉末10％(体积)、Cu粉末90％(体积))，粘结剂6wt％(其中HPMC15wt％、去离子水85wt％)。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存24小时；然后在模具中以2MPa/秒的速度进行压制，达到300MPa的压力后保载1分钟。后续工艺同“实施例1”。

实施例3：α-Al₂O₃/Cu复合材料，其材料配比为：α-Al₂O₃/Cu混合粉末96wt％(其中α-Al₂O₃粉末5％(体积)、Cu粉末95％(体积))，粘结剂4wt％(其中HPMC15wt％、去离子水85wt％)。将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存24小时；然后在模具中以2MPa/秒的速度进行压制，达到300MPa的压力后保载1分钟。后续工艺同“实施例1”。

上述实施例中α-Al₂O₃粉末平均粒径为7～10μm，Cu粉末平均粒径为5～20μm。

对以上实施例烧结成品作性能试验，相对密度测试采用阿基米德法的结果计算得到；在显微硬度仪上测试其显微硬度，采用200克载荷，保载15秒；压缩强度R_mc在材料力学试验机上进行。试验结果如表1所示。

表1所制备α-Al₂O₃/Cu复合材料常规性能

注：相同测试条件下标准纯铜HV_0.2/15为0.621GPa。

对实施例1进行耐磨性能试验。摩擦磨损实验在MRH-3型高速环块(Block-on-ring)磨损试验机上进行。试验条件为干摩擦，大气环境温度为18～22℃，相对湿度为40％。摩擦副为环块副，摩擦副的接触形式为线接触，块试样固定，环偶件旋转。摩擦环材料为GCr15钢，热处理工艺为850℃×1h油淬，150℃回火2.5h，硬度为HRC62。块试样由实施例1所述α-Al₂O₃/Cu复合材料按照国家标准“GB/T 12444-2006金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验”加工而成，样品尺寸为19.05mm×12.32mm×12.32mm。试验在正压力98N、对偶环转速分别为200，280，360rpm(转/分钟)的条件下磨损6000转。所述α-Al₂O₃/Cu复合材料(部分)磨损试验结果如表2所示。

表2实施例1所述α-Al₂O₃/Cu复合材料的相对耐磨性

注：^*相对于相同测试条件下标准纯铜的磨损质量损失结果，即各自测试条件下标准纯铜的(质量)相对耐磨性为1。

Claims

1.一种α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料，其特征在于：原料由α-Al₂O₃粉末和Cu粉末组成，材料配方以体积百分比表示为：α-Al₂O₃粉末5～25％(体积)、Cu粉末95％～75％(体积)。

2.根据权利要求1所述的α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料，其特征在于：α-Al₂O₃粉末平均粒径为7～10μm，Cu粉末平均粒径为5～20μm。

3.一种制备权利要求1所述的α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.配制α-Al₂O₃/Cu混合粉末，其中α-Al₂O₃粉末5～25％(体积)、Cu粉末95％～75％(体积)；

b.在混合粉末中加入粘结剂，混炼制成粘性粉末：α-Al₂O₃/Cu混合粉末90～96％(重量)，粘结剂10～4％(重量)，在粘结剂中粉末状水溶性羟丙基甲基纤维素HPMC的含量为10～15％(重量)，去离子水或蒸馏水的含量为90～85％(重量)；将粘性粉末密封包扎后在室温条件下保存12～48小时，以使其充分熟成；

c.混炼均匀的粘性粉末在模具中压制成形：压制速度为1～100MPa/秒，成形压力为200～600MPa，保载时间为1～5分钟；

d.将压制成形坯体在室温空气中自然干燥24小时后，针对α-Al₂O₃/Cu复合材料采用如下干燥、脱脂与真空烧结综合工艺：真空抽至10^-2Pa；室温20℃～(100～150℃)，升温速度10～15℃/min；100～150℃保温0.5～5小时；(100～150℃)～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃保温4～8小时；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；980～1050℃保温1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件；

e.对上述所得α-Al₂O₃/Cu复合材料采用冷塑变形、二次烧结工艺，冷塑变形：采用在冷变形模具内复压，以1～5MPa/s的加压速度压至150～250MPa，并保压1～5分钟；二次烧结工艺采取直接烧结：真空抽至10^-2Pa；室温20℃～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；980～1050℃保温1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件或者真空抽至1.0×10^-2～50Pa；室温20℃～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；达到保温温度980～1050℃后充惰性气体1～30分钟至气压达到0.1～10MPa，保温保压1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件。

4.根据权利要求3所述的α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于：干燥、脱脂后的坯体进行气压烧结，采取的干燥、脱脂与气压烧结综合工艺为：真空抽至1.0×10^-2～50Pa；室温20℃～(100～150℃)，升温速度10～15℃/min；100～150℃保温0.5～5小时；(100～150℃)～400℃，升温速度10～15℃/min；400℃保温4～8小时；400℃～(980～1050℃)，升温速度5～8℃/min；980～1050℃保温1～3小时，即达到保温温度后充惰性气体1～30分钟至气压达到0.1～10MPa，保温保压1～3小时；随炉冷却；待炉温降到120℃时开炉取件。

5.根据权利要求3或4所述α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于：干燥、脱脂后在980～1050℃范围采用增加烧结压力。

6.权利要求5所述的α-Al₂O₃/Cu耐磨导电导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的采用增加烧结压力为热压(HP)烧结、放电等离子烧结(SPS)、热等静压(HIP)烧结或温度梯度烧结。