CN104532051A - 一种纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜，所述的纳米成分为Al2O3，通过表面修饰后，在搅拌作用下直接加入铜基体中，且能分布均匀。制备方法是对纳米氧化铝表面修饰，然后将纳米氧化铝包装于铜管中。按上述的成份配制，先把铜板加入熔炼中至1180～1200℃，表层覆盖一层厚度2mm以上木炭粉，然后以分散加料方式在熔炼炉中加入包装好的纳米Al2O3，搅拌后静置30分钟，倒入水平连铸保温炉，在1150℃温度下铸造成铸坯。经过冷热变形，得到成品管棒型材，具有高强高导铜合金材料的特点。本发明的特点是通过表面修饰的纳米氧化铝，能直接加入至铜熔体中，采用搅拌耦合表面修饰纳米氧化铝的技术，纳米粒子分布均匀，铸坯的性能稳定，无夹杂，成本低，适用于工业化连续生产。成品具有高强高导的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜，主要用于电阻焊电极头、电极帽、电焊轮、电极臂、切割及气保焊用的导电咀、真空开关、电气接插件、触头、电工、电子及通讯汽车、家电及容器制造、模具等，是一种高强度、高导电、高耐磨和高耐腐蚀的金属材料。纳米颗粒表面修饰后，直接添加至铜基体中，经过搅拌使其分布均匀，再通过冷加工和热加工制备成弥散强化铜成品，具有高强、高导、高耐腐蚀的特性。
背景技术
弥散强化铜合金，又称氧化铝铜(Cu-Al2O3)，是一种优异的高强、高导材料。由于纳米级Al2O3对基体铜的弥散强化作用，该合金具有高强度、高硬度、高导电率及高软化温度等特性。特点如下：组织稳定，无相变。屈服强度和抗拉强度高。常温硬度高，随着温度升高，硬度下降幅度小，高温抗蠕变性能好。热、电传导率高。加工性能优良。软化温度高达930，℃导电率高达85％IACS，散热性能介于钨铜(220W/m.k)以及纯铜(390W/m.k)之间。硬度超过HRB 84，强度高，疲劳性能和耐磨性能好。
常见的制备方法包括机械混合法、共沉淀法、内氧化法等。国内外许多研究者和企业进行了纳米粒子Al2O3改性铜的研究。Motta M.S.等通过粉末原位还原法，已制得平均尺寸达10nm的Al2O3弥散强化铜基复合材料，TEM形貌表明铜晶粒周围被弥散分布的纳米粒子Al2O3包围。Kexing Song等通过内氧化法，制备了在铜基体中分布着10-30nm Al2O3颗粒的弥散强化铜，纳米粒子Al2O3均匀分布，材料改性效果较好。美国SCM公司稳定了内氧化法的工艺参数，率先产业化制备了弥散强化铜，含Al2O30.2％的铜合金，导电率达90％IACS，弹性模量为108GPa，室温强度为500MPa。含Al2O31.2％的铜合金，导电率达80％IACS，弹性模量为140GPa，室温强度为620MPa。
目前已有的材料及制备技术中，存在的主要问题是：内氧化方法复杂、成本高、危险性较大，其它方法不能大规格生产高强高导铜合金材料。因此，需要开发一种低成本、制备大规格产品、易工业化生产的新方法。
发明内容
本发明提供了一种纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜，经过冷热加工，应用于电阻焊电极、电气接插件、触头、电工、汽车等行业。制备时，将纳米氧化铝表面修饰后，使其不易团聚，又与铜熔体具有较好的润湿性，施加搅拌技术使铜熔体与纳米粒子充分融合，纳米粒子在熔体中均匀分布。
本发明采用的技术方案如下：
一种纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜，包括铜和纳米Al2O3和杂质元素；各成分比例为：铜99.6-99.2wt.％；纳米Al2O3：0.1-1.5wt.％；杂质元素低于0.06wt.％，成份包括铁、铅、硼，铁≤0.01wt％，铅≤0.01wt％，硼≤0.008wt％，杂质元素。本合金中，添加了纳米Al2O3做为弥散强化相，具有熔点高、高温稳定性能好、硬度高，能以纳米级尺分布于铜基体中，在接近铜基体熔点的高温下也不会溶解或粗化，因此，可以有效地阻碍位错运动和晶界滑移，提高室温和高温强度，同时又不明显降低合金的导电性能。
本发明制备弥散强化铜的方法是：首先对纳米氧化铝表面修饰，用硅烷偶联剂使其在乙醇中分散，放入行星球磨机中研磨，完成表面改性。将表面修饰的纳米氧化铝包装于铜管中。按上述的成份配制，先把铜板加入熔炼中至1180～1200℃，表层覆盖一层厚度2mm以上木炭粉，然后以分散加料方式在熔炼炉中加入包装好的纳米Al2O3，搅拌后静置30分钟，倒入水平连铸保温炉，在1150℃温度下铸造成铸坯。冷加后制得板管型坯，精加工至成品尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过表面修饰的纳米氧化铝，能直接加入至铜熔体中，通过搅拌使纳米氧化铝分布均匀，力学性能提高，高温硬度基本不变。采用搅拌耦合表面修饰纳米氧化铝的技术，纳米粒子分布均匀，铸坯的性能稳定，无夹杂，成本低，适用于工业化连续生产。
附图说明
图1(a)是0.15wt％纳米粒子的扫描电镜图。
图1(b)是0.35％纳米粒子的扫描电镜图。
图2是0.35％纳米Al2O3能谱检测图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作详细说明。
实施例1
本发明实施例中纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜的工艺流程如下：对纳米氧化铝表面修饰，用硅烷偶联剂KH570使其在乙醇中分散40分钟，放入行星球磨机中研磨3小时，完成表面改性。将表面修饰的纳米氧化铝包装于铜管中，含量为熔体总重的0.15wt％，按上述的成份配制，先把铜板加入熔炼中至1180～1200℃，表层覆盖一层厚度2mm以上木炭粉，然后以分散加料方式在熔炼炉中加入包装好的纳米Al2O3，搅拌后静置30分钟，倒入水平连铸保温炉，在1150℃温度下铸造成铸坯，铸坯导电率91％IACS，氧含量340.4ppm，硬度55.08HV1。经过72.16％轧制变形，得到4mm板坯，抗拉强度486.92MPa，导电率为89％IACS，具有高强高导铜合金材料的特点。
实施例2
本发明实施例中纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜的工艺流程如下：对纳米氧化铝表面修饰，用硅烷偶联剂KH570使其在乙醇中分散30分钟，放入行星球磨机中研磨3.5小时，完成表面改性。将表面修饰的纳米氧化铝包装于铜管中。含量为熔体总重的0.35wt％，按上述的成份配制，先把铜板加入熔炼中至1180～1200℃，表层覆盖一层厚度2mm以上木炭粉，然后以分散加料方式在熔炼炉中加入包装好的纳米Al2O3，搅拌后静置30分钟，倒入立式保温炉中，在1150℃温度下铸造成铸坯，铸坯导电率88％IACS，氧含量290ppm。经过轧制变形，得到3.5mm板坯，抗拉强度545MPa，导电率为86％IACS，具有高强高导铜合金材料的特点。
Claims (2)
1.一种纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜，其特征在于，包括铜和纳米Al2O3和杂质元素；各成分比例为：铜99.6-99.2wt.％；纳米Al2O3：0.1-1.5wt.％；杂质元素低于0.06wt.％，其成份包括铁、铅和硼，铁≤0.01wt％，铅≤0.01wt％，硼≤0.008wt％。
2.一种制备纳米颗粒搅拌法制备弥散强化铜的方法，其特征在于以下步骤：
(1)首先对纳米氧化铝表面修饰，用硅烷偶联剂使其在乙醇中分散，放入行星球磨机中研磨，完成表面改性。将表面修饰的纳米氧化铝包装于铜管中。
(2)按如下成份配制：包括铜和纳米Al2O3和杂质元素；各成分比例为：铜99.6-99.2wt.％；纳米Al2O3 0.1-1.5wt.％；杂质元素低于0.06wt.％，其成份包括铁、铅和硼，铁≤0.01wt％，铅≤0.01wt％，硼≤0.008wt％；
(3)先把铜板加入熔炼中至1180～1200℃，表层覆盖一层厚度2mm以上木炭粉，然后以分散加料方式在熔炼炉中加入包装于铜管中的纳米Al2O3，静置30分钟，在1150℃温度下，采用搅拌法铸造成铸坯。经过冷热变形，得到成品管棒型材。
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Legal Events
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Effective date of registration: 20211123 Address after: 257091 room 419, building a, Dongying Economic and Technological Development Zone Management Committee, No. 59, Fuqian street, Dongying District, Dongying City, Shandong Province Patentee after: Dongying dongkai New Material Industrial Park Co.,Ltd. Address before: 710077 718, block a, Haixing city square, Keji Road, high tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee before: Xi'an zhicaiquan Technology Transfer Center Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20240125 Address after: Room 405, Building A, Technology Enterprise Accelerator, No. 17 Xinghuahe Road, Development Zone, Dongying City, Shandong Province, 257091 Patentee after: Dongying Dongkai Industrial Park Operation Management Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 257091 Room 101, Building 5, Science and Technology Enterprise Accelerator, No. 17, Xinghuahe Road, Dongying Development Zone, Shandong Province Patentee before: Dongying Dongkai New Material Technology Research and Development Co.,Ltd. Country or region before: China |
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