CN106065445B - 粉末冶金法制备铜基复合材料的方法 - Google Patents

粉末冶金法制备铜基复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其包括将铝粒置于加热炉中，铝粒溶解后加入铜粒和镍粒进行熔炼，待溶清后捞净浮渣，得到合金液；将合金液滴落至高速旋转的紫铜轮表面甩出，冷却得到合金带；将合金带浸泡在盐酸中，然后洗涤、干燥；裁剪干燥后的合金带，再球磨，得到合金粉；将上述合金粉置于挤压模具中，再通过挤压机挤压成型，得到铜镍铝合金材料；再对上述铜镍铝合金材料进行热处理。本发明通过旋转的紫铜轮将合金液甩出，可使合金液快速冷却，保证金属在高温阶段停留时间较短，合金元素来不及扩散，从而细化组织，降低偏析；同时，本发明通过粉末冶金法制备的铜基合金材料具有较高的硬度和强度。

Description

粉末冶金法制备铜基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及铜基合金材料，具体说是粉末冶金法制备铜基复合材料的方法。
背景技术
铜及铜合金是应用最早的金属材料之一，被广泛用于机械制造、运输、建筑、电气、电子等工业部门；其中电气电子工业耗铜量较大，主要用于制造电线、通讯电缆等。铜及铜合金一般无磁性，具有良好的可焊接性能、抛光性能和表面处理性能等。而在铜中掺镍能显著提高耐蚀性、强度、硬度、电阻，并降低电阻率温度系数。
粉末冶金技术是用金属粉末或金属粉末与非金属粉末混合料经过成形和烧结制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的技术，其是一种无切屑或少切屑的加工方法，金属利用率几乎达到100%，具有生产率高、材料利用率高等优点。而铜基粉末冶金材料由于承载能力、抗腐蚀和抗磨损能力较强，被用于制备锁体、照相机快门机构、齿轮、凸轮等。但现有利用粉末冶金技术制备的铜基材料硬度和强度不够，影响材料的使用性能。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种可制备硬度较大、强度较高的铜基复合材料的方法。
本发明采用的技术方案为：粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其包括以下步骤：
（1）将铝粒置于加热炉中，铝粒溶解后加入铜粒和镍粒进行熔炼，待溶清后捞净浮渣，得到合金液；
（2）将合金液滴落至高速旋转的紫铜轮表面甩出，冷却得到合金带；
（3）将合金带浸泡在盐酸中，然后洗涤、干燥；
（4）裁剪干燥后的合金带，再球磨，得到合金粉；
（5）将上述合金粉置于挤压模具中，再通过挤压机挤压成型，得到铜镍铝合金材料；
（6）再对上述铜镍铝合金材料进行烧结和热处理。
作为优选，在铝粒、铜粒和镍粒中，镍的含量为10wt%，铝的含量为1—2 wt %，余量为铜。
作为优选，挤压成型在保护气氛中进行，压力为1000—1200MPa。
作为优选，热压烧结时，先以280—320℃的温度烧结20—30s，然后以500—600℃温度烧结40—60s，再以650—700℃温度烧结20—30s。
作为优选，热处理依次采用固溶、冷压变形和时效处理。
作为优选，固溶处理的温度为650—700℃，时间为10—12min。
作为优选，冷压变形处理的冷压变形量为30—35%。
作为优选，时效处理的温度为300—350℃，时间为2—3h。
作为优选，球磨时间为18—22h，球料比为4.5：1
从以上技术方案可知，本发明通过旋转的紫铜轮将合金液甩出，可使合金液快速冷却，保证金属在高温阶段停留时间较短，合金元素来不及扩散，从而细化组织，降低偏析；同时，本发明通过粉末冶金法制备的铜基合金材料具有较高的硬度和强度。
具体实施方式
下面将详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其包括以下步骤：
以铝、铜、镍粒为原料，并按镍的含量为10wt%、铝的含量为1—2 wt %、余量为铜进行配料；然后将铝粒置于感应加热炉中，铝粒溶解后加入铜粒和镍粒进行熔炼，待溶清后捞净浮渣，得到合金液；将合金液滴落至高速旋转的紫铜轮表面甩出，冷却得到合金带；将合金带浸泡在10%的盐酸中数分钟，以除去合金带表面的氧化层，并经多次蒸馏水漂洗和无水乙醇清洗后，再在真空干燥箱内烘干；裁剪干燥后的合金带，再球磨，得到合金粉；球磨时间为18—22h，球料比为4.5：1。
将上述合金粉置于挤压模具中，再通过挤压机挤压成型，得到铜镍铝合金材料；在挤压过程中，模具中的金属粉末处除受到挤压机冲头的正压力外，还受到模具壁的侧压力和摩擦力的作用；随着冲头的移动，模具中的粉末被逐渐压实，从而通过模具挤出。为了防止金属氧化，挤压成型在保护气氛下进行，压力采用1000—1200MPa，这样可获得致密度较高的的材料，且性能分布均匀，生产率高；接着对上述挤压成型获得的铜镍铝合金材料进行烧结，烧结分三阶段进行，先以280—320℃的温度烧结20—30s，然后以500—600℃温度烧结40—60s，再以650—700℃温度烧结20—30s；第一阶段属于烧结准备阶段，为进一步地烧结净化环境；第二阶段随着温度的升高，合金物质颗粒之间开始形成烧结颈，并相互结合，颗粒表面氧化物发生还原反应，从而继续参与烧结，颗粒间的结合封闭了相互之间的空隙；第三个阶段的烧结温度更高，颗粒间的烧结颈进一步长大，更多的颗粒得到合并，烧结体得到进一步收缩、球化，从而提高制备材料的强度和硬度。
对上述粉末冶金材料进行热处理；热处理依次采用固溶、冷压变形和时效处理；固溶处理的温度为650—700℃，时间为10—12min，这样可控制镍、铝在铜基体中的固溶度及晶粒大小；固溶温度过高，会导致晶粒粗大，降低合金强度；固溶温度过低，晶粒虽较小，但会导致后续时效处理难以发挥强化合金的作用。
作为优选，冷压变形处理的冷压变形量为30—35%；时效处理前对合金进行冷加工变形，可使合金呈现形变强化和时效强化的双重效果；时效处理的温度为300—350℃，时间为2—3h；时效处理可析出第二相，产生弥散强化。
实施例1
将1wt %铝粒置于感应加热炉中，铝粒溶解后加入89wt %铜粒和10wt%镍粒进行熔炼，待溶清后捞净浮渣，得到合金液；将合金液滴落至高速旋转的紫铜轮表面甩出，冷却得到合金带；将合金带浸泡在10%的盐酸中数分钟，并经多次蒸馏水漂洗和无水乙醇清洗后，再在真空干燥箱内烘干；然后裁剪干燥后的合金带，再采用4.5：1的球料比球磨18h，得到合金粉；将合金粉置于挤压模具中，再通过挤压机采用1000MPa的压力挤压成型，得到铜镍铝合金材料，接着以280℃的温度烧结30s，然后以500℃温度烧结60s，再以650℃温度烧结30s；随后以650℃固溶处理12min；接着冷压变形处理，冷压变形量为30%；最后以300℃时效处理3h，得到铜镍铝粉末冶金材料。测得该材料的硬度为38.3HRC，剪切强度为582.4MPa，体积密度为7.28g/cm3。
实施例2
将1.5 wt %铝粒置于感应加热炉中，铝粒溶解后加入88.5 wt %铜粒和10wt%镍粒进行熔炼，待溶清后捞净浮渣，得到合金液；将合金液滴落至高速旋转的紫铜轮表面甩出，冷却得到合金带；将合金带浸泡在10%的盐酸中数分钟，并经多次蒸馏水漂洗和无水乙醇清洗后，再在真空干燥箱内烘干；然后裁剪干燥后的合金带，再采用4.5：1的球料比球磨18h，得到合金粉；将合金粉置于挤压模具中，再通过挤压机采用1100MPa的压力挤压成型，得到铜镍铝合金材料，接着以300℃的温度烧结25s，然后以560℃温度烧结50s，再以680℃温度烧结25s；随后以680℃固溶处理11min；接着冷压变形处理，冷压变形量为32%；最后以330℃时效处理2.5h，得到铜镍铝粉末冶金材料。测得该材料的硬度为46.1HRC，剪切强度为593.3MPa，体积密度为7.69g/cm3。
实施例3
将2 wt %铝粒置于感应加热炉中，铝粒溶解后加入88wt %铜粒和10wt%镍粒进行熔炼，待溶清后捞净浮渣，得到合金液；将合金液滴落至高速旋转的紫铜轮表面甩出，冷却得到合金带；将合金带浸泡在10%的盐酸中数分钟，并经多次蒸馏水漂洗和无水乙醇清洗后，再在真空干燥箱内烘干；然后裁剪干燥后的合金带，再采用4.5：1的球料比球磨18h，得到合金粉；将合金粉置于挤压模具中，再通过挤压机采用1200MPa的压力挤压成型，得到铜镍铝合金材料，接着以320℃的温度烧结20s，然后以600℃温度烧结40s，再以700℃温度烧结20s；随后以700℃固溶处理10min；接着冷压变形处理，冷压变形量为35%；最后以350℃时效处理2h，得到铜镍铝粉末冶金材料。测得该材料的硬度为38.9HRC，剪切强度为583.1MPa，体积密度为7.56g/cm3。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其包括以下步骤：
（1）将铝粒置于加热炉中，铝粒溶解后加入铜粒和镍粒进行熔炼，待溶清后捞净浮渣，得到合金液；
（2）将合金液滴落至高速旋转的紫铜轮表面甩出，冷却得到合金带；
（3）将合金带浸泡在盐酸中，然后洗涤、干燥；
（4）裁剪干燥后的合金带，再球磨，得到合金粉；
（5）将上述合金粉置于挤压模具中，再通过挤压机挤压成型，得到铜镍铝合金材料；
（6）再对上述铜镍铝合金材料进行烧结和热处理；在铝粒、铜粒和镍粒中，镍的含量为10wt%，铝的含量为1—2 wt %，余量为铜。
2.如权利要求1所述粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其特征在于：挤压成型在保护气氛中进行，压力为1000—1200MPa。
3.如权利要求1所述粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其特征在于：热压烧结时，先以280—320℃的温度烧结20—30s，然后以500—600℃温度烧结40—60s，再以650—700℃温度烧结20—30s。
4.如权利要求3所述粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其特征在于：热处理依次采用固溶、冷压变形和时效处理。
5.如权利要求4所述粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其特征在于：固溶处理的温度为650—700℃，时间为10—12min。
6.如权利要求4所述粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其特征在于：冷压变形处理的冷压变形量为30—35%。
7.如权利要求4所述粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其特征在于：时效处理的温度为300—350℃，时间为2—3h。
8.如权利要求1所述粉末冶金法制备铜基复合材料的方法，其特征在于：球磨时间为18—22h，球料比为4.5：1。
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