CN106834793A - 添加稀土铈的高强度弥散强化铜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种添加稀土铈的高强度的弥散强化铜及其制备方法，是将稀土铈和纳米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。弥散强化铜各成分的质量百分比(wt.％)为：铜为98.20‑99.0，纳米Al2O3为0.5‑0.9，铈为0.5‑0.9，其余为杂质元素。本发明通过添加新元素稀土铈，强度和室温条件下耐盐酸腐蚀性能明显提高。与传统技术制备的材料相比，抗拉强度能提高24.03％，而导电率降低幅度只有7.38％。与其它比例混合的粉末相比，具有最高强度。
Description
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。通过添加稀土铈可大幅度提高强化铜的强度，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。组织稳定，无相变。屈服强度和抗拉强度高，常温条件下硬度高，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950℃，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。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。
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。因此，需要开发一种性能稳定、工艺简单、成本低的新方法。
发明内容
本发明提供了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铈，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，能提高强化铜的强度、耐蚀性、耐磨性，而对强化铜的导电率影响较小。
本发明采用的技术方案如下：
一种添加稀土铈的高强度的弥散强化铜，所述的弥散强化铜包括铜、纳米Al2O3、铈和杂质元素，各成分的质量百分比(wt.％)为：铜为98.20-99.0，纳米Al2O3为0.5-0.9，铈为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和稀土铈做为弥散强化相，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，同时又不会明显降低合金的导电性能。
上述弥散强化铜的制备方法，按一定比例配好稀土铈与纳米氧化铝，经过行星球磨工艺使三者均匀混合，成分均匀，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。然后，通过热加工和冷加工制备成弥散强化铜成品，具有高强度、高耐蚀性和高耐磨性，同时导电率降低幅度较小。具体包括以下步骤：
1)稀土铈、纳米氧化铝按比例混合后，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨4-8小时后得到成分均匀的混合粉；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830-890℃、20-40MPa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，管棒坯材的抗拉强度最高，导电率降低不明显，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，即得到高强度的弥散强化铜。
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铈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、耐腐蚀性能大幅度提高，而导电率降低幅度很小，可获得高强度、高耐蚀性的强化铜，与不添加铈的1.2％Al2O3强化铜相比，分别添加0.88wt.％纳米Al2O3和铈的强化铜，其抗拉强度能提高24.03％，而导电率降低幅度只有7.38％。与其它比例混合的粉末相比，具有最高强度。室温条件下耐盐酸腐蚀性能明显提高，是制备性能优良、成本低的高强度弥散强化铜的较好方法。
附图说明
图1为烧结后氧化铝与铈的形貌图。
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铈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和铈，各成分比例为：铜98.20wt.％，纳米Al2O3：0.88wt.％，铈：0.88wt.％，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.％。
稀土铈、纳米氧化铝按等比例混合，稀土铈颗粒尺寸为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。获得成分均匀后的混合粉，用等离子体设备在压强30MPa和870℃高温烧结，得到高温烧结坯料，把坯料加热至500℃时冲压，随后立即淬火，得到直径10mm的棒坯。经测量其抗拉强度769MPa，导电率为74.10％IACS。与美国SCM公司用传统工艺制造且不添加铈的1.2％Al2O3强化铜相比(强度620MPa，导电率80％IACS)，强度提高了24.03％，而导电率降低幅度只有7.38％。在室温条件下于20％盐酸溶液中腐蚀3小时，腐蚀率是传统工艺制造且不添加铈的1.2％Al2O3强化铜的45.5％，耐蚀性明显提高。图1为烧结后氧化铝与铈的形貌图，铈以10-30纳米尺寸分布在铜颗粒周围，氧化铝以微纳米尺寸分布，这是强度提高的主要原因。
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铈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和铈，各成分比例为：铜98.46wt.％，纳米Al2O3：0.75wt.％，铈：0.75wt.％，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.％。
稀土铈、纳米氧化铝按等比例混合，稀土铈颗粒尺寸为1mm左右，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨5.5小时，转速195转/分钟，球料比5：1。获得成分均匀后的混合粉，用等离子体设备在压强30MPa和860℃高温烧结，得到高温烧结坯料，把坯料加热至550℃时冲压，随后立即淬火，得到直径10mm的棒坯。经测量其抗拉强度761MPa，导电率为77.60％IACS。与美国SCM公司用传统工艺制造且不添加铈的1.2％Al2O3强化铜相比(强度620MPa，导电率80％IACS)，强度提高了22.74％，而导电率降低幅度只有3.0％。在室温条件下于20％盐酸溶液中腐蚀3小时，腐蚀率是传统工艺制造且不添加铈的1.2％Al2O3强化铜的33.67％，耐蚀性明显提高。图1为烧结后氧化铝与铈的形貌图，铈以10-30纳米尺寸分布在铜颗粒周围，氧化铝以微纳米尺寸分布，这是强度提高、耐蚀性提高的主要原因。
Claims (5)
1.一种添加稀土铈的高强度弥散强化铜，其特征在于，所述的弥散强化铜包括铜、纳米Al2O3、铈和杂质元素，各成分的质量百分比(wt.％)为：铜为98.20-99.0，纳米Al2O3为0.5-0.9，铈为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所述高强度弥散强化铜的制备方法，其特征在于以下步骤：
1)稀土铈、纳米氧化铝按相同比例混合后，与铜粉一起放入行星球磨机中研磨4-8小时后得到成分均匀的混合粉；
2)将步骤1)得到的混合粉在830-890℃、20-40MPa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，即得到高强度的弥散强化铜。
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20-40MPa。
4.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)中铈颗粒的尺寸为0.8-1.2mm。
5.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)中的球料比为5：1。
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