CN107043899A - 一种TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料，称取纯Cu和纯B，真空熔炼炉为Cu‑B中间合金；其制备方法为：称取纯Cu和纯Ti，真空熔炼炉为Cu‑Ti中间合金；将两种中间合金和纯铜分配在这两个坩埚内，保证两个坩埚内总重量相等；然后将两个坩埚放进真空感应熔炼炉内融化，并浇注到模具中得到复合材料；最后进行冷轧处理和去应力退火，得到TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料。本发明的复合材料，晶须状TiB和颗粒状TiB2同时存在于Cu基体中，使得该材料硬度、强度均较高，成本低，性能优异，容易实现产业化，具有较大的发展前途。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷相增强金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料，还涉及该复合材料的制备方法。
背景技术
铜基复合材料兼备高强度、高导电率，而且硬度高、耐磨性好等优点，因此广泛应用于电器、电子等工业邻域，并成为研究热点之一。目前，Cu基复合材料按其微观组织结构的不同可分为颗粒增强、晶须增强和纤维增强三种类型。由于颗粒增强、晶须增强铜基复合材料在制造工艺上与传统金属的制造工艺差别小，适应性强，成本低，性能上也具有竞争性，使颗粒增强、晶须增强Cu基复合材料成为最有发展前途、最有可能实现产业化的新材料之一。
目前关于铜基复合材料的制备方法和性能研究虽取得了不少进展，但大部分研究集中于一种增强相，如SiC、Al2O3、Ti2SnC、TiB2等颗粒增强铜基复合材料，颗粒和晶须混杂增强铜基复合材料的研究很少见。
发明内容
本发明的目的是提供一种TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料，该材料为颗粒和晶须混杂增强铜基复合材料，具有理想的强度和硬度。
本发明的另一目的是提供上述复合材料的制备方法。
本发明所采用的一个技术方案是，一种TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料，TiB和TiB2同时存在于Cu基体中，TiB为晶须状，TiB2为颗粒状。
进一步地，Cu:Ti:B的质量比为(96.55～97.13)：(2.34～3.1)：(0.35～0.53)。
本发明所采用的另一个技术方案是，上述TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备Cu-B中间合金
分别称取纯Cu和纯B，纯B占二者总质量的2.6％～6％，将二者置于刚玉坩埚中，在真空感应熔炼炉内熔炼，制得Cu-B中间合金；
步骤2，制备Cu-Ti中间合金
分别称取纯Cu和纯Ti，纯Ti占二者总质量的4％～8％，将二者置于刚玉坩埚中，放进真空感应熔炼炉内，按照与步骤1相同的条件熔炼，制得Cu-Ti中间合金；
步骤3，制备TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料
按照Cu:Ti:B的质量比为(96.55～97.13)：(2.34～3.1)：(0.35～0.53)的比例称取步骤1、2制得的两种中间合金和纯铜的重量，将称量后的Cu-B和Cu-Ti中间合金分别放在两个石墨坩埚内，将称量后的纯铜分配在这两个坩埚内，分配的原则是保证两个坩埚内总重量相等；然后将两个坩埚放进真空感应熔炼炉内融化，并浇注到模具中得到复合材料；
步骤4，后处理
将步骤3制得的复合材料进行冷轧处理和去应力退火，得到所述TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料。
本发明的特点还在于：
步骤1和步骤2的纯Cu、纯B和纯Ti既可以为粉末材料，也可以为块状材料；若为粉末材料，先将两种粉末球磨混合，然后压制成块状材料，再进行熔炼。
步骤1和步骤2的真空熔炼为：待熔化温度达到1150～1200℃，在该温度下保温3～4min。
步骤3的真空熔炼为：待熔化温度达到1250～1500℃，在该温度下保温2～4min。
步骤3待熔化后以相同的浇注速度，同时浇注到铜模里，浇注过程中，首先让两种母合金先在坩埚的上口处接触并发生反应，然后依靠重力，浇注到铜模中。
步骤4的冷轧处理的变形量为25％～35％。
步骤4的去应力退火工艺为：200-350℃，保温2h。
本发明的有益效果是，本发明的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料，晶须状TiB和颗粒状TiB2同时存在于Cu基体中，使得该材料硬度、强度均较高，在制造工艺上与传统金属的制造工艺差别小，适应性强，成本低，性能上也具有竞争性，容易实现产业化，具有较大的发展前途。
附图说明
图1是本发明半圆型石墨坩埚的结构示意图；
图2是本发明实施例1的金相显微组织图；
图3是本发明实施例2的金相显微组织图；
图4是本发明对比例的金相显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法为：首先分别熔炼制得Cu-B中间合金和Cu-Ti中间合金，最后按一定的Cu:Ti:B质量百分比来称量所需两种合金和纯铜的重量，将称量后的Cu-B和Cu-Ti两种合金分别放在两个半圆型石墨坩埚内，并将称量的纯铜分配在这两个坩埚内，分配的原则是保证两个坩埚内总重量基本相等。通过真空感应熔炼，让两种母合金熔化，再以相同的浇注速度，同时浇注到铜模中。最后对复合材料进行冷轧处理和去应力退火，即得到TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料。
具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备Cu-B中间合金
分别称取Cu粉和B粉，B粉占总质量的2.6％～6％，装入混料机中，加入磨球将粉末混合均匀，将混合均匀的粉末通过冷压模具压制成毛坯。将毛坯置于刚玉坩埚中，放进真空感应熔炼炉内，待熔化温度达到1150～1200℃，在该温度下保温3～4min，冷却之后取出试样，制得Cu-B中间合金。
该步骤也可以采用Cu块和B块直接进行真空熔炼，制备Cu-B中间合金。
步骤2，制备Cu-Ti中间合金
分别称取Cu块和Ti块，Ti块占总质量的4％～8％，将Cu块和Ti块置于刚玉坩埚中，放进真空感应熔炼炉内，待熔化温度达到1150～1200℃，在该温度下保温3～4min，冷却之后取出试样，制得Cu-Ti中间合金。
该步骤也可以采用Cu粉和Ti粉，先进行球磨混合均匀，压制成毛坯后，再进行真空熔炼，制备Cu-Ti中间合金。
步骤3，制备TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料
按照Cu:Ti:B的质量比为(96.55-97.13)：(2.34-3.1)：(0.35-0.53)的比例称取步骤1、2制得的两种中间合金和纯铜的重量，将称量后的Cu-B和Cu-Ti两种合金分别放在两个半圆型石墨坩埚内，如图1所示，将称量后的纯铜分配在这两个坩埚内，分配的原则是保证两个坩埚内总重量基本相等。然后将两个坩埚放进真空感应熔炼炉内，在1250～1500℃下保温2～4min，让两种合金同时熔化，待熔化后以相同的浇注速度，同时浇注到铜模里，浇注过程中：首先让两种母合金先在坩埚的上口处接触并发生反应，然后依靠重力，浇注到铜模中，即得到复合材料。
步骤4，后处理
将步骤3制得的复合材料，在轧机上进行冷轧，轧制5～10道次，控制变形量为25％～35％，然后再进行去应力退火，其工艺为：200-350℃，保温2h，即得到本发明的TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料。
采用本发明制备的TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料，TiB和TiB2同时存在于Cu基体中，TiB为晶须状，TiB2为颗粒状。
实施例1
称取Cu粉和B粉，B粉占二者总质量的6％，装入混料机中，按粉末总质量的2倍加入磨球，以100r/min的转速混粉8h，滤过磨球得到混合均匀的粉末。将混合粉末经过压强为400Mpa，保压30秒预压形成毛坯。将毛坯装在40×40mm的高纯度直筒刚玉坩埚中，然后进行真空感应熔炼，待熔化温度达到1150℃，在该温度下保温3min，关闭电源，冷却之后取出试样，制得Cu-B中间合金。称取Cu块和Ti块，Ti块占二者总质量的8％，将Cu块、Ti块也装在40×40mm的高纯度直筒刚玉坩埚中，经过同样条件下的真空感应熔炼后制得Cu-Ti中间合金。按Cu:Ti:B的质量比为96.55：3.10：0.35的比例称取所需两种合金和纯铜的重量，将称量后的Cu-B和Cu-Ti两种合金分别放在两个高度为75mm，直径45mm的半圆型石墨坩埚内，将纯铜分配在放合金的两个坩埚内，分配的原则是保证两个坩埚内总重量基本相等，然后放进真空感应熔炼炉内，在1250℃下保温2min，让两种合金同时熔化，待熔化后以相同的浇注速度，同时浇注，首先让两种母合金先在坩埚的上口处接触并发生反应，然后依靠重力，浇注到高度为120mm，直径13mm的铜模里，即得到TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料。将复合材料在轧机上轧制10道次，控制变形量为25％，最后200℃，保温2h去应力退火。
本实施例的复合材料的金相显微组织如图2所示，Cu基体中，第二相形貌既有晶须状的TiB，也有颗粒状的TiB2，TiB多于TiB2。
实施例2
称取Cu粉和B粉，B粉占总质量的4％，装入混料机中，按粉末总质量的2倍加入磨球，以100r/min的转速混粉8h；经过压强为400Mpa，保压30秒预压形成毛坯。将毛坯装在40×40mm的高纯度直筒刚玉坩埚中，进行真空感应熔炼，待熔化温度达到1200℃，在该温度下保温4min，关闭电源，冷却之后取出试样，制得Cu-B中间合金。称取Cu块和Ti块，Ti块占总质量的6％，将Cu块、Ti块也装在40×40mm的高纯度直筒刚玉坩埚中，经过同样条件下的真空感应熔炼后制得Cu-Ti中间合金。按Cu:Ti:B的质量比为97.13：2.34：0.53的比例称取所需两种合金和纯铜的重量，将称量后的Cu-B和Cu-Ti两种合金分别放在两个高度为75mm，直径45mm的半圆型石墨坩埚内，将纯铜分配在放合金的两个坩埚内，分配的原则是保证两个坩埚内总重量基本相等，然后放进真空感应熔炼炉内，在1500℃下保温4min，让两种合金同时熔化，待熔化后以相同的浇注速度，同时浇注，首先让两种母合金先在坩埚的上口处接触并发生反应，然后依靠重力，浇注到高度为120mm，直径13mm的铜模里，即得到TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料。将复合材料在轧机上轧制10道次，控制变形量为35％，最后250℃，保温2h去应力退火。
本实施例的复合材料的金相显微组织如图3所示，Cu基体中，第二相形貌既有晶须状的TiB，也有颗粒状的TiB2，TiB2多于TiB。
实施例3
称取Cu粉和B粉，B粉占总质量的2.67％，装入混料机中，按粉末总质量的2倍加入磨球，以100r/min的转速混粉8h；经过压强为400Mpa，保压30秒预压形成毛坯。将毛坯装在40×40mm的高纯度直筒刚玉坩埚中，进行真空感应熔炼，待熔化温度达到1200℃，在该温度下保温4min，关闭电源，冷却之后取出试样，制得Cu-B中间合金。称取Cu块和Ti块，Ti块占总质量的6％，将Cu块、Ti块也装在40×40mm的高纯度直筒刚玉坩埚中，经过同样条件下的真空感应熔炼后制得Cu-Ti中间合金。按Cu:Ti:B的质量比为97.13：2.34：0.53的比例称取所需两种合金和纯铜的重量，将称量后的Cu-B和Cu-Ti两种合金分别放在两个高度为75mm，直径45mm的半圆型石墨坩埚内，将纯铜分配在放合金的两个坩埚内，分配的原则是保证两个坩埚内总重量基本相等，然后放进真空感应熔炼炉内，在1350℃下保温4min，让两种合金同时熔化，待熔化后以相同的浇注速度，同时浇注，首先让两种母合金先在坩埚的上口处接触并发生反应，然后依靠重力，浇注到高度为120mm，直径13mm的铜模里，即得到TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料。将复合材料在轧机上轧制8道次，控制变形量为30％，最后350℃，保温2h去应力退火。
对比例
按照本发明的方法，另外制备了一种TiB2/TiB混杂增强Cu复合材料，其不同之处在于，该复合材料的Cu:Ti:B的质量百分比分别为97.48：1.88：0.64。其金相显微组织如图4所示，Cu基体中，第二相形貌全部为颗粒状的TiB2均匀分布在Cu基体中，没有晶须状的TiB。
对比实施例1、2和对比例的三种复合材料的性能，如表1所示。
表1三种复合材料的性能
表1结果表明，本发明的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料与TiB2增强Cu基复合材料相比，硬度、强度均较高，这主要是由于试样中有TiB晶须生成，TiB晶须与完好晶体的理论强度值相似，能够起到很好的强化作用。本发明TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料在制造工艺上与传统金属的制造工艺差别小，适应性强，成本低，性能上也具有竞争性，容易实现产业化，具有较大的发展前途。
Claims (9)
1.一种TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料，其特征在于，TiB和TiB2同时存在于Cu基体中，TiB为晶须状，TiB2为颗粒状。
2.根据权利要求1所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料，其特征在于，所述Cu:Ti:B的质量比为(96.55～97.13)：(2.34～3.1)：(0.35～0.53)。
3.一种如权利要求1或2所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备Cu-B中间合金
分别称取纯Cu和纯B，纯B占二者总质量的2.6％～6％，将二者置于刚玉坩埚中，在真空感应熔炼炉内熔炼，制得Cu-B中间合金；
步骤2，制备Cu-Ti中间合金
分别称取纯Cu和纯Ti，纯Ti占二者总质量的4％～8％，将二者置于刚玉坩埚中，放进真空感应熔炼炉内，按照与步骤1相同的条件熔炼，制得Cu-Ti中间合金；
步骤3，制备TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料
按照Cu:Ti:B的质量比为(96.55～97.13)：(2.34～3.1)：(0.35～0.53)的比例称取步骤1、2制得的两种中间合金和纯铜的重量，将称量后的Cu-B和Cu-Ti中间合金分别放在两个石墨坩埚内，将称量后的纯铜分配在这两个坩埚内，分配的原则是保证两个坩埚内总重量相等；然后将两个坩埚放进真空感应熔炼炉内融化，并浇注到模具中得到复合材料；
步骤4，后处理
将步骤3制得的复合材料进行冷轧处理和去应力退火，得到所述TiB/TiB2混杂增强Cu复合材料。
4.根据权利要求3所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2的纯Cu、纯B和纯Ti既可以为粉末材料，也可以为块状材料；若为粉末材料，先将两种粉末球磨混合，然后压制成块状材料，再进行熔炼。
5.根据权利要求3所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2的真空熔炼为：待熔化温度达到1150～1200℃，在该温度下保温3～4min。
6.根据权利要求3所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3的真空熔炼为：待熔化温度达到1250～1500℃，在该温度下保温2～4min。
7.根据权利要求3所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3待熔化后以相同的浇注速度，同时浇注到铜模里，浇注过程中，首先让两种母合金先在坩埚的上口处接触并发生反应，然后依靠重力，浇注到铜模中。
8.根据权利要求3所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4的冷轧处理的变形量为25％～35％。
9.根据权利要求3所述的TiB/TiB2混杂增强Cu基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4的去应力退火工艺为：200-350℃，保温2h。
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2017
- 2017-02-07 CN CN201710067499.1A patent/CN107043899A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62243726A (ja) * | 1986-04-15 | 1987-10-24 | Asahi Glass Co Ltd | Ｃｕ−ＴｉＢ↓２系複合焼結材 |
| CN1940103A (zh) * | 2005-09-30 | 2007-04-04 | 中南大学 | Cu－TiB2纳米弥散合金及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| M.SOBHANI ET.AL: "Microstructural evolution of copper-titanium alloy during in-situ formation of TiB2 particles", 《TRANSACTIONS OF NONFERROUS METALS SOCIETY OF CHINA》 * |
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