CN105861862B - 一种含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，包括如下步骤：将纳米相微粉置于无水乙醇中进行超声分散，然后将铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，使铜粉表面吸附纳米相颗粒；然后将其置于真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有纳米相的干燥铜粉；将干燥铜粉压制成饼料，并将饼料投入到铜或铜合金熔液中，在饼料熔化的过程中，铜粉表面吸附的纳米相微粒逐渐分散到铜或铜合金熔液中；再将分散有纳米相微粒的铜或铜合金熔液导入漏斗用气体雾化法制成铜粉，得到含有纳米颗粒的弥散强化球形铜粉。采用本发明的方法制备出来的球形铜粉中的弥散相分布均匀，工艺简单易行，适合于工业化生产。

Description

一种含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法。

背景技术

弥散强化是通过在金属基体中引入稳定、均匀、细小的氧化物质点，钉扎位错、晶界、亚晶界，阻碍位错的移动，从而强化材料的方法。弥散强化铜由于在铜基体中弥散分布着细小均匀的氧化物质点，其强度较高，软化温度高；同时细小弥散分布的氧化物质点又不会对铜合金本身的导电导热性造成不良影响，使得弥散强化铜在提高强度的同时还能保持自身优异的导电导热性。因此，弥散强化铜是综合导电性、导热性、室温和高温强度、硬度和耐磨性、抗熔焊性能最高的铜合金。目前，弥散强化铜已经在汽车、电池、电子封装、微波器件等工业领域中得到了广泛的应用。弥散强化铜是制备电阻焊电极、缝焊滚轮、电器工程开关触桥、发电机集电环、电枢、转子、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、电车及电力火车架空导线等的优良材料。

现有技术中，弥散强化铜粉的制备方法包括机械混合法、共沉淀法和机械合金化法、内氧化法等，采用这些方法制备得到的弥散强化铜粉的弥散相分布不够均匀，而且操作较为复杂。

有鉴于此，本发明提供了一种含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其通过常规的熔炼雾化操作，可以制得弥散相分布均匀的弥散强化铜粉，而且整个方法简单易行，适于工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其通过常规的熔炼雾化操作，可以制得弥散相分布均匀的弥散强化铜粉，而且整个方法简单易行，适于工业化生产。

为了实现上述目的，本发明所采用如下技术方案：

含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，包括如下步骤：

第一步，将纳米相微粉置于无水乙醇中进行超声分散，纳米相微粉比表面积大，容易团聚，分散不易，须采用超声分散，通过超声波在液体中的空化作用，对纳米相微粉进行有效的分散。具体而言，当超声振动传递到液体中时，由于声强很大，会在液体中激发很强的空化效应，从而在液体中产生大量的空化气泡，随着这些空化气泡的产生和爆破，将产生微射流，从而将液体中大的固体颗粒击碎，待纳米相微粉在乙醇中充分分散成为胶体后，将微米级电解铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，表面形状不规则，比表面积较大的电解铜粉颗粒表面很容易吸附纳米相颗粒；

第二步，待吸附完成后，将以上固液混合物置于真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有纳米相的干燥铜粉；真空干燥可以减少铜粉与空气的接触机会，避免铜粉发生氧化或被杂质污染。

第三步，将第二步得到的干燥铜粉压制成直径为50mm~100mm的饼料，这种规格的饼料不仅便于投放，而且便于纳米相在铜或铜合金熔液中进行扩散、移动。熔炼时，待一炉铜或铜合金原料熔化完毕，并保温10-20分钟后，将饼料压入到铜或铜合金熔液中并不断搅动铜熔液。饼料在熔化的过程中，铜粉表面所吸附的纳米相微粒将逐渐分散到铜或铜合金熔液中；

第四步，将第三步得到的分散有纳米相微粒的铜或铜合金熔液导入漏斗用常规气体雾化法制成铜粉，得到球形的含纳米弥散相的铜粉。气体雾化法采用高压气体作为雾化介质，利用高压气体流来破碎连续的熔融金属细流使其碎化成粉末。该方法可获得直径在10μm-100μm范围内的球形金属粉末，

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第一步中，所述纳米相微粉为采用气相法制备的微粉，且所述纳米相微粉的粒径为10nm~70nm，这种粒径的纳米相微粉粒径小，吸附能力强，其在无水乙醇中的添加比例为1wt%~5wt %。气相法制备的微粉的颗粒均匀度好、纯度高、粒度小、分散性较好，便于分散到铜熔液中。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第一步中，所用铜粉为粒径为200目~400目的电解铜粉，铜粉在无水乙醇中的添加比例为30wt%~70wt%。电解铜粉微观结构为树枝状，比表面积较大，容易吸附分散在乙醇中的纳米粒子。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第二步中干燥的温度为40℃~60℃，由于是真空干燥，干燥室内的气压很低，在较低温度条件下乙醇就可达到沸腾状态，从而实现了铜粉的迅速干燥。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第三步中饼料是通过150吨油压机压制而成的。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第三步熔炼过程中所投放的饼料与铜或铜合金熔液的质量比为（1~30）：100，且饼料须在铜或铜合金熔化保温后方可投入。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第三步中，铜或铜合金熔液的制备方法为：将电解铜板或铜合金料在中频炉内大气条件下熔炼，熔炼温度为1100℃~1350℃，并覆炭保护，覆炭保护就是在熔融铜液面上覆盖若干木炭，一来可隔绝空气中的氧进入铜液，二来可抢夺铜液中的氧与之发生还原反应，去除氧化物，从而防止熔液被氧化。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第三步中，饼料中的纳米相的质量比为0.3wt%~6wt%。通过控制铜熔液中纳米相的百分含量，使得最终产品中纳米相对基体的导电率影响较小，同时又能达成提高材料的强度和软化温度的目的。纳米相在铜合金中的总含量为0.1wt%~1.5wt%。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，第四步中，气体雾化法的雾化介质为氮气或氩气，雾化压力为2.0MPa~5.0MPa，通过高压气体击碎液态金属或合金使其碎化成粉末。同时在氮气或氩气这种惰性气体的保护下可以防止铜液在雾化成粉末的过程中被氧化。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，所述纳米相为Al₂O₃纳米微粉、TiO₂纳米微粉、SnO₂纳米微粉、Cr₂O₃纳米微粉、ZrO₂纳米微粉、WC纳米微粉、Mo₂C纳米微粉、TiC纳米微粉、SiC纳米微粉、TiB纳米微粉、BN纳米微粉、AlN纳米微粉和SiN纳米微粉中的至少一种。这些物质都可以作为弥散强化相，均可以起到强化材料的作用。

作为本发明含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法的一种改进，所述铜合金为黄铜、青铜或白铜或其他特殊配方的铜合金。

相对于现有技术，本发明利用吸附原理预先在铜粉表面吸附分散在乙醇中的纳米相微粉，干燥后压制成饼料，再将其投入到铜或铜合金熔液中，使得铜粉表面吸附的纳米相微粉逐渐分散到铜或铜合金熔液中，随后用雾化法制备出弥散强化铜粉，采用本发明的方法制备出来的铜粉中的弥散纳米相分布较均匀，工艺简单易行，适合于工业化生产。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

本实施例提供的一种含有纳米尺寸Al₂O₃弥散强化相的球形铜粉的生产方法，包括如下步骤：

第一步，将采用气相法制备的Al₂O₃纳米微粉置于无水乙醇中进行超声分散，Al₂O₃纳米微粉的粒径为13-30nm，其在无水乙醇中的添加比例为2wt%。Al₂O₃纳米微粉比表面积大，容易团聚，分散不易，采用超声分散对Al₂O₃纳米微粉进行有效的分散。待Al₂O₃纳米微粉在乙醇中充分分散成为胶体后，将铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，铜粉为粒径为350目的电解铜粉，铜粉在无水乙醇中的添加比例为48wt%，使铜粉表面吸附Al₂O₃纳米微粉颗粒；

第二步，待吸附完成后，将以上固液混合物置于50℃的真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有Al₂O₃纳米微粉的干燥铜粉。

第三步，将第二步得到的干燥铜粉用150吨油压机压制成直径为80mm的饼料，饼料中的Al₂O₃纳米微粉的质量比为4wt%。

第四步，将电解铜板在中频炉内熔炼，熔炼温度为1200℃，并覆炭保护。待电解铜板熔化完毕并保温15分钟后，将饼料压入到铜熔液中，饼料与铜熔液的质量比为10：100，在饼料熔化的过程中，铜粉表面吸附的Al₂O₃纳米微粉逐渐分散到铜熔液中；

第五步，将第三步得到的分散有Al₂O₃纳米微粉的铜熔液导入漏斗用气体雾化法制成铜粉，得到Al₂O₃纳米相含量为0.4%的弥散强化球形铜粉。其中，气体雾化法的雾化介质为氮气，雾化压力为3.0MPa。

实施例2

本实施例提供的含有纳米尺寸TiO₂弥散强化相的球形铜粉的生产方法，包括如下步骤：

第一步，将TiO₂纳米微粉置于无水乙醇中进行超声分散，TiO₂纳米微粉的粒径为35-50nm，其在无水乙醇中的添加比例为2wt %，TiO₂纳米微粉比表面积大，容易团聚，分散不易，而采用超声波对TiO₂纳米微粉进行有效的分散。待TiO₂纳米微粉在乙醇中充分分散成为胶体后，将铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，铜粉为粒径为300目的电解铜粉，铜粉在无水乙醇中的添加比例为48wt%，使铜粉表面吸附TiO₂纳米微粉颗粒；

第二步，待吸附完成后，将以上固液混合物置于45℃的真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有TiO₂纳米微粉的干燥铜粉；

第三步，将第二步得到的干燥铜粉用150吨油压机压制成直径为50mm的饼料，饼料中的TiO₂纳米微粉的质量比为4wt%；

第四步：将电解铜板在中频炉内熔炼，熔炼温度为1200-1300℃，并覆炭保护。待电解铜板熔化完毕并保温15分钟后，将饼料压入到铜熔液中，饼料与铜熔液的质量比为7：100，在饼料熔化的过程中，铜粉表面吸附的TiO₂纳米微粉逐渐分散到铜熔液中；

第五步，将第三步得到的分散有TiO₂纳米微粉的铜熔液导入漏斗用气体雾化法制成铜粉，得到TiO₂纳米相含量为0.28%的弥散强化球形铜粉。其中，气体雾化法的雾化介质为氩气，雾化压力为4.0MPa。

实施例3

本实施例提供的含有纳米尺寸ZrO₂弥散强化相的球形铜粉的生产方法，包括如下步骤：

第一步，将ZrO₂纳米微粉置于无水乙醇中进行超声分散，ZrO₂纳米微粉的粒径为35-60nm，其在无水乙醇中的添加比例为5wt%，ZrO₂纳米微粉比表面积大，容易团聚，分散不易，而采用超声分散。待ZrO₂纳米微粉在乙醇中充分分散成为胶体后，将铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，铜粉为粒径为250目的电解铜粉，铜粉在无水乙醇中的添加比例为45wt%，使铜粉表面吸附ZrO₂纳米微粉颗粒；

第二步，待吸附完成后，将以上固液混合物置于55℃的真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有ZrO₂纳米微粉的干燥铜粉；

第三步，将第二步得到的干燥铜粉用150吨油压机压制成直径为70mm的饼料，饼料中的ZrO₂纳米微粉的质量比为10wt%；

第四步，制备铜熔液：将电解铜板在中频炉内熔炼，熔炼温度为1200-1300℃，并覆炭保护，待电解铜板熔化完毕并保温15分钟后，将饼料压入到铜熔液中，饼料与铜熔液的质量比为6：100，在饼料熔化的过程中，铜粉表面吸附的ZrO₂纳米微粉逐渐分散到铜熔液中。

第五步，将第三步得到的分散有ZrO₂纳米微粉的铜熔液导入漏斗用气体雾化法制成铜粉，得到ZrO₂纳米相含量为0.6%的弥散强化球形铜粉。其中，气体雾化法的雾化介质为氮气或氩气，雾化压力为2.5MPa。

实施例4

本实施例提供的一种含有纳米尺寸SiC弥散强化相的球形铜粉的生产方法，包括如下步骤：

第一步，将采用气相法制备的SiC纳米微粉置于无水乙醇中进行超声分散，SiC纳米微粉的粒径为50-60nm，其在无水乙醇中的添加比例为5wt%，SiC纳米微粉比表面积大，容易团聚，分散不易，采用超声分散。待SiC纳米微粉在乙醇中充分分散成为胶体后，将铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，铜粉为粒径为200目的电解铜粉，铜粉在无水乙醇中的添加比例为45wt%，使铜粉表面吸附SiC纳米微粉颗粒；

第二步，待吸附完成后，将以上固液混合物置于50℃的真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有SiC纳米微粉的干燥铜粉；

第三步，将第二步得到的干燥铜粉用150吨油压机压制成直径为100mm的饼料，饼料中的SiC纳米微粉的质量比为10wt%；

第四步，制备铜熔液：将电解铜板在中频炉内熔炼，熔炼温度为1200-1350℃，并覆炭保护。待电解铜板熔化完毕并保温20分钟后，将饼料压入到铜熔液中，饼料与铜熔液的质量比为4：100，在饼料熔化的过程中，铜粉表面吸附的SiC纳米微粉逐渐分散到铜熔液中。

第五步，将第三步得到的SiC纳米相含量为0.4%的弥散强化球形铜粉。其中，气体雾化法的雾化介质为氩气，雾化压力为4.5MPa。

实施例5

本实施例提供的一种Al₂O₃纳米相弥散强化球形青铜粉的生产方法，包括如下步骤：

第一步，将气相法制备的Al₂O₃纳米微粉置于无水乙醇中进行超声分散，Al₂O₃纳米微粉的粒径为13-30nm，其在无水乙醇中的添加比例为2wt%，Al₂O₃纳米微粉比表面积大，容易团聚，分散不易，采用超声分散，待Al₂O₃纳米微粉在乙醇中充分分散成为胶体后，将铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，铜粉为粒径为300目的电解铜粉，铜粉在无水乙醇中的添加比例为48wt%，使铜合金粉表面吸附Al₂O₃纳米微粉颗粒；

第二步，待吸附完成后，将以上固液混合物置于50℃的真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有Al₂O₃纳米微粉的干燥铜粉；

第三步，将第二步得到的干燥铜合金粉用150吨油压机压制成直径为60mm的饼料，饼料中的Al₂O₃纳米微粉的质量比为4wt%；

第四步，制备青铜熔液：将预制青铜合金锭（含Sn量为8%）在中频炉内熔炼，熔炼温度为1180-1280℃，并覆炭保护；待青铜锭熔化完毕并保温20分钟后，将饼料压入到铜合金熔液中，饼料与铜熔液的质量比为20：100，在饼料熔化的过程中，铜合金粉表面吸附的Al₂O₃纳米微粉逐渐分散到铜合金熔液中。

第五步，将第四步得到的分散有Al₂O₃纳米微粉的青铜熔液导入漏斗用气体雾化法制成铜粉，得到Al₂O₃纳米相含量为0.8%的弥散强化球形青铜合金粉。其中，气体雾化法的雾化介质为氮气，雾化压力为3.2MPa。

实施例6

与实施例1不同的是：Al₂O₃纳米微粉在无水乙醇中的添加比例为3wt%，铜粉在无水乙醇中的添加比例为37wt%，饼料中的纳米相的质量比为7.5wt%，其余同实施例1，这里不再赘述。

实施例7

与实施例1不同的是：Al₂O₃纳米微粉在无水乙醇中的添加比例为2.5wt%，铜粉在无水乙醇中的添加比例为62.5wt%，饼料中的纳米相的质量比为3.85wt%，其余同实施例1，这里不再赘述。

总之，本发明利用吸附原理在铜粉的表面吸附弥散强化纳米相微粉，干燥后压制成饼料，再将其投入到铜或铜合金熔液中，使得铜粉表面吸附的纳米相微粉逐渐分散到铜或铜合金熔液中，随后用雾化法制备出弥散强化铜粉，采用本发明的方法制备出来的铜粉中的弥散纳米相微粉分布均匀，工艺简单易行，适合于工业化生产。该弥散强化球形金属粉的应用领域为粉末冶金、注射成型、激光烧结等行业。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将纳米相微粉置于无水乙醇中进行超声分散，待纳米相微粉在乙醇中充分分散成为胶体后，将铜粉逐步加入到乙醇中并充分搅拌，使铜粉表面吸附纳米相微粉颗粒；

第二步，待吸附完成后，将以上固液混合物置于真空干燥箱中，待乙醇完全挥发后即可获得吸附有纳米相的干燥铜粉；

第三步，将第二步得到的干燥铜粉压制成直径为50mm～100mm的饼料，并将饼料投入到铜或铜合金熔液中，在饼料熔化的过程中，铜粉表面吸附的纳米相微粒逐渐分散到铜或铜合金熔液中；

第四步，将第三步得到的分散有纳米相微粒的铜或铜合金熔液导入漏斗用气体雾化法制成铜粉，得到含有纳米尺寸弥散相的球形铜粉；

所述纳米相为Al₂O₃纳米微粉、TiO₂纳米微粉、SnO₂纳米微粉、Cr₂O₃纳米微粉、ZrO₂纳米微粉、WC纳米微粉、TiC纳米微粉、SiC纳米微粉、TiB纳米微粉、BN纳米微粉、AlN纳米微粉和SiN纳米微粉中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，第一步中，所述纳米相微粉为采用气相法制备的微粉，且所述纳米相微粉的粒径为10nm～70nm，其在无水乙醇中的添加比例为1wt％～5wt％。

3.根据权利要求1所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，第一步中，所用铜粉为粒径为200目～400目的电解铜粉，铜粉在无水乙醇中的添加比例为30wt％～70wt％。

4.根据权利要求1所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，第二步中干燥的温度为40℃～60℃。

5.根据权利要求1所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，第三步中饼料是通过油压机压制而成的；并且第三步熔炼过程中，投入的饼料与铜或铜合金熔液的质量比为(1～30)：100。

6.根据权利要求1所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，第三步中，铜或铜合金熔液的制备方法为：将电解铜板或铜合金锭料在中频炉内大气环境下熔炼，熔炼温度为1100℃～1350℃，并在铜液上覆炭保护。

7.根据权利要求1所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，第三步中，饼料中的纳米相的质量比为0.3wt％～10wt％。

8.根据权利要求1所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，第四步中，气体雾化法的雾化介质为氮气或氩气，雾化压力为2.0MPa～5.0MPa。

9.根据权利要求1或6所述的含有纳米尺寸弥散强化相的球形铜粉的生产方法，其特征在于，所述铜合金为黄铜、青铜或白铜。