CN106834792A - 添加稀土镧的高强度、高导电率的弥散强化铜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种添加稀土镧的高强度、高导电率的弥散强化铜及其制备方法，具体步骤为：稀土镧和纳米Al2O3按比例混合后，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨后获得成分均匀的混合粉；将混合粉进行高温烧结，得到高温烧结坯料，并对高温烧结坯料进行热加工并淬火，得到管棒坯材，最后管棒坯材经过冷变形或热变形得到成品管棒型材的弥散强化铜。本发明通过添加新元素稀土镧，形成新相。与美国SCM公司制造且不添加镧的1.2％Al2O3强化铜相比，强度提高了1.61％，导电率提高了1.35％。与其它比例混合的粉末相比，具有同时提高强度和导电率的作用。耐腐蚀性能的提高更加明显，室温条件下在20％盐酸溶液中浸泡3小时，腐蚀率降低幅度高达76.16％。

Description

添加稀土镧的高强度、高导电率的弥散强化铜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备弥散强化铜的新配方及其制造方法，通过添加稀土镧可同时提高材料的强度、导电率和耐蚀性，属于新材料开发领域。
背景技术
弥散强化铜又称氧化铝铜(Cu-Al2O3)合金，因具有优异的高强度、高导电率，广泛用于电气工程开关触桥、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、大功率异步牵引电动机转子、电气化铁路接触导线(电车线)、热核实验反应堆(ITER)偏滤器垂直靶散热片、高脉冲磁场导体材料等，并且在这些领域有着其它材料不可替代的优势,比铬锆铜材料具有更优秀的高强高导及高温稳定性，是重要的新型备选材料。
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、高导电率及高温稳定性等特点。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，率先工业化制备了弥散强化铜，含Al2O3 0.2％的铜合金，导电率达90％IACS，弹性模量为108GPa，室温强度为500MPa。含Al2O3 1.2％的铜合金，导电率达80％IACS，弹性模量为140GPa，室温强度为620MPa。
授权专利《一种耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金及其制备方法》，专利号为ZL2013 1 0432275.8，是将纳米氧化铝加入黄铜，采用铸造方法生产高耐蚀黄铜，不涉及弥散强化铜的生产。其它添加稀土元素的方法不能同时强度、导电率和耐蚀性。
目前已有的材料及制备技术中，存在的主要问题是：内氧化法工艺复杂、成本高、危险性较大，产品性能也不稳定，国内还不能稳定生产出高质量的产品。其它添加稀土元素的方法，在提高强度的同时，导电率却下降。因此，需要开发一种同时提高强度、导电率和耐蚀性的新方法。
发明内容
本发明提供一种制备强化铜的新配方与新方法，通过添加一定比例的新元素稀土镧，与纳米颗粒Al2O3按一定比例混合，形成一种稳定的新相，经过行星球磨、高温烧结和冷热加工制成的成品，能同时提高强化铜的强度、导电率、耐蚀性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种添加稀土镧的高强度、高导电率的弥散强化铜，所述的弥散强化铜包括铜粉、纳米Al2O3、稀土镧和杂质元素，各成分的质量百分比(wt.％)为：铜为98.16-98.96，纳米Al2O3为0.5-0.9，稀土镧为0.5-0.9，其余为杂质元素；所述的杂质元素包括铁、氧化铬，铁、氧化铬的质量百分比(wt.％)为：铁≤0.01，氧化锆≤0.02，杂质元素低于0.04wt.％。
上述的比例是大量科学实验的结果。本合金中，添加了一定比例的纳米Al2O3和稀土镧做为弥散强化相，具有熔点高、高温稳定性能好、硬度高，能以微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，同时导电率也会提高。
上述弥散强化铜的制备方法，按一定比例配好稀土镧与纳米氧化铝，经过行星球磨工艺使三者均匀混合，使其形成一种稳定的新相，镶嵌到铜粉里面，通过高温和一定压力下烧结，可形成致密的坯料；通过热加工和冷加工制备成弥散强化铜成品，具有高强度、高导电率、高耐蚀性和高耐磨性。具体包括以下步骤：
1)稀土镧和纳米Al2O3按比例混合后，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨4-8小时后获得成分均匀的混合粉；所述的行星球磨机的转速为180-220转/分钟，球料比为5：1。
2)将步骤1)得到的混合粉在高温830-890℃、30-40MPa的条件下进行高温烧结，得到高温烧结坯料；对高温烧结坯料进行热加工并淬火，得到管棒坯材，使管棒坯材的抗拉强度和导电率同时提高，室温条件下耐盐酸腐蚀性能明显提高；最后管棒坯材经过冷变形或热变形得到成品管棒型材，即得到高强高导的弥散强化铜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过一定比例的稀土镧与纳米氧化铝反应形成一种新相，通过高温烧结获得的坯料成分均匀、性能稳定，能使强化铜的强度、导电率同时提高，而耐腐蚀性能大幅度提高，可获得高强度、高导电率、高耐蚀性的强化铜，添加0.65％镧的氧化铝铜与美国SCM公司制造且不添加镧的1.2％Al2O3强化铜相比，强度提高了1.61％，导电率提高了1.35％。与其它比例混合的粉末相比，具有同时提高强度和导电率的作用。耐腐蚀性能的提高更加明显，美国SCM公司制造且不添加镧的1.2％Al2O3强化铜相比，室温条件下在20％盐酸溶液中浸泡3小时，腐蚀率降低幅度高达76.16％。是制备高强度、高导电率、高耐蚀性弥散强化铜的较好方法。
附图说明
图1为烧结后氧化铝与镧的形貌图。
具体实施方式
实施例1
以下结合实施例对本发明作详细说明。
本发明实施例中添加稀土镧的弥散强化铜及其制备方法的工艺流程如下：成分设计，包括铜粉、纳米Al2O3和稀土镧，各成分比例为：铜98.66wt.％，纳米Al2O3：0.65wt.％，稀土镧：0.65wt.％，杂质元素的成份包括铁、氧化铬等，铁≤0.01wt％，氧化锆≤0.02wt％，杂质元素低于0.04wt.％。
稀土镧、纳米氧化铝按上述比例混合，稀土镧颗粒尺寸为1mm左右，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨6小时，转速200转/分钟，球料比5：1。获得成分均匀的混合粉后，用等离子体设备在压强30MPa且870℃高温烧结，得到高温烧结坯料，把坯料加热至600℃热挤压，随后立即淬火，得到直径10mm的棒坯，抗拉强度630MPa，导电率为81.08％IACS。与美国SCM公司制造且不添加镧的1.2％Al2O3强化铜相比，强度提高了1.61％，导电率提高了1.35％，抗拉强度和导电率均同时提高。更重要的特征是耐腐蚀性能明显提高，与美国SCM公司制造且不添加镧的1.2％Al2O3强化铜相比，室温条件下在20％盐酸溶液中浸泡3小时，腐蚀率降低幅度高达76.16％。图1为烧结后氧化铝与镧的形貌图，图中镧、氧化铝以100纳米左右尺寸结合在一起，环绕在铜颗粒周围，是强度、导电率与耐蚀性同时提高的主要原因。
实施例2
以下结合实施例对本发明作详细说明。
本发明实施例中添加稀土镧的弥散强化铜及其制备方法的工艺流程如下：成分设计，包括铜粉、纳米Al2O3和稀土镧，各成分比例为：铜98.56wt.％，纳米Al2O3：0.70wt.％，稀土镧：0.70wt.％，杂质元素的成份包括铁、氧化铬等，铁≤0.01wt％，氧化锆≤0.02wt％，杂质元素低于0.04wt.％。
稀土镧、纳米氧化铝按上述比例混合，稀土镧颗粒尺寸为1mm左右，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨5.5小时，转速190转/分钟，球料比5：1。获得成分均匀的混合粉后，用等离子体设备在压强30MPa且860℃高温烧结，得到高温烧结坯料，把坯料加热至550℃热挤压，随后立即淬火，得到直径10mm的棒坯，抗拉强度640MPa，导电率为79.88％IACS。与美国SCM公司制造且不添加镧的1.2％Al2O3强化铜相比，强度提高了3.22％，导电率降低幅度很小只有0.15％。更重要的特征是耐腐蚀性能明显提高，与美国SCM公司制造且不添加镧的1.2％Al2O3强化铜相比，室温条件下在20％盐酸溶液中浸泡3小时，腐蚀率降低幅度高达76.16％。图1为烧结后氧化铝与镧的形貌图，图中镧、氧化铝以100纳米左右尺寸结合在一起，环绕在铜颗粒周围，是强度、导电率与耐蚀性同时提高的主要原因。

Claims (4)

1.一种添加稀土镧的高强度、高导电率的弥散强化铜，其特征在于，所述的弥散强化铜包括铜粉、纳米Al2O3、稀土镧和杂质元素，各成分的质量百分比(wt.％)为：铜为98.16-98.96，纳米Al2O3为0.5-0.9，稀土镧为0.5-0.9，其余为杂质元素；所述的杂质元素包括铁、氧化铬，铁、氧化铬的质量百分比(wt.％)为：铁≤0.01，氧化锆≤0.02，杂质元素低于0.04wt.％。
2.权利要求1所述的弥散强化铜的制备方法，其特征在于以下步骤：
1)稀土镧和纳米Al2O3按相同比例混合后，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨4-8小时后获得成分均匀的混合粉；
2)将步骤1)得到的混合粉在830-890℃、30-40MPa的条件下进行高温烧结，得到高温烧结坯料；对高温烧结坯料进行热加工并淬火，得到管棒坯材；最后将管棒坯材经过冷变形或热变形得到成品管棒型材，即得到高强高导的弥散强化铜。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中高温烧结的压强为30-40MPa。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中镧颗粒的尺寸为0.9-1.4mm。
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