CN107354337B - 原位双相颗粒增强铜基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种原位双相颗粒增强铜基复合材料，复合材料Cu‑Zr‑ZrB2的制备方法包括以下步骤：按照反应生成ZrB2所需比例配备原料；将Zr和B分别熔炼为Cu‑Zr和Cu‑B的中间合金；将Cu置于真空中频感应熔炼炉坩埚内，抽真空后加热至Cu完全熔化，依次将位于加料斗中的Cu‑Zr和Cu‑B中间合金分别加入到真空中频感应熔炼炉坩埚内；加入中间合金后待反应一段时间，然后浇铸至铸模中；将所得铸坯固溶处理、时效处理，制备得到原位双相颗粒增强铜基复合材料Cu‑Zr‑ZrB2。该方法简单、易行，采用该方法能制备得到具有较高强度，良好电导率以及较高耐磨性的颗粒增强铜基复合材料。

Description

原位双相颗粒增强铜基复合材料
技术领域
本发明涉及铜基复合材料技术，尤其涉及一种原位双相颗粒增强铜基复合材料。
背景技术
相较于传统铜合金，铜及其合金基复合材料由于具有更为优异的导电性、导热性、力学性能和耐磨性等综合性能，在电工电子，轨道交通以及航空航天等领域有着广阔的应用前景。铜基复合材料的增强相有纤维、晶须和颗粒等，而颗粒增强铜基复合材料由于具有易于加工，各项同性，热稳定性好等特点，获得了更多的关注。目前，已开发出了多种制备颗粒增强铜基复合材料的方法，如机械合金化法，粉末冶金法，铸造法，喷射沉积法，自蔓延高温反应合成法等。其中，利用铸造法原位反应合成增强相来制备颗粒增强铜基复合材料具有成本低廉，易于控制，可制备大尺寸样品进而工业化生产等优点。
然而，现有工艺制备的颗粒增强纯铜基体的复合材料中增强颗粒普遍较大，基于奥罗万强化机制，大于1μm直径的颗粒对材料强度的贡献较小，但是大颗粒却能够显著提高材料的耐磨性。因此，开发具有高强高导且高耐磨的铜基复合材料是亟须解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有铜基复合材料电导率，强度和耐磨性不能兼顾的问题，提出一种原位双相颗粒增强铜基复合材料的制备方法，该方法简单、易行，采用该方法能制备得到具有较高强度，良好电导率以及较高耐磨性的颗粒增强铜基复合材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种原位双相颗粒增强铜基复合材料的制备方法：
原位双相颗粒增强铜基复合材料：Cu-M-AxBy，其中Cu、M和AxBy三者质量比为100：0.01～1：0.5～10；其中M为在高温下有一定固溶度，但是室温下在铜中固溶度较小(一般为0.5wt.％以下)，且能通过时效析出的元素；AxBy为一种陶瓷相，并且可由A与B在铜熔体中原位反应生成，x，y为1～10之间的整数；原位双相颗粒增强铜基复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)按照反应生成AxBy所需比例配备原料，M元素根据其在Cu中的固溶度，以稍高于其极限固溶度含量加入；
(2)将A，B和M分别熔炼为Cu-A、Cu-B和Cu-M的中间合金，使其在熔炼过程中减小挥发，便于精确控制成分；
(3)将Cu置于真空中频感应熔炼炉坩埚内，抽真空后加热至Cu完全熔化，保温15-20min后，依次将位于加料斗中的Cu-A、Cu-B和Cu-M中间合金分别加入到真空中频感应熔炼炉坩埚内；
(4)加入中间合金后反应一段时间，时间以元素能够反应完全，即均已生成AxBy为准，然后浇铸至铸模中；
(5)将所得铸坯在M元素在铜中固溶极限时的温度下进行固溶处理，然后进行时效处理，时效处理温度和时间以能够使得M元素从铜中析出80～95％wt为准，最终制备得到原位双相颗粒增强铜基复合材料Cu-M-AxBy。
进一步地，所述M包括但不限于Zr、Cr、Fe、Be、Cd或Ag。
进一步地，所述A包括但不限于Zr、Ti、Al、Y或Mg；所述B包括但不限于B、O、C或N。
进一步地，步骤(4)中反应一段时间为5～20min。
进一步地，步骤(5)中固溶处理包括以下步骤：将熔炼所得铸坯放入热处理炉内，加热至M元素在铜中固溶极限时的温度，保温1～2小时，随后将铸坯投入水中冷却。
进一步地，步骤(5)中时效处理包括以下步骤：将固溶处理后试样放入热处理炉中，加热至时效温度200℃～500℃，保温1h～10h，随后空冷至室温。
本发明的另一个目的还公开了一种原位双相颗粒增强铜基复合材料，采用上述方法制备而成。
本发明原位双相颗粒增强铜基复合材料及其制备方法通过原位反应铸造法制备，利用A与B元素在熔化的Cu中原位反应生成尺寸较大的AxBy颗粒来提高复合材料的耐磨性，随后通过固溶和时效处理使所添加的M合金元素析出较小的析出相来强化基体。最终获得具有较高强度，良好电导率以及较高的耐磨性的颗粒增强铜基复合材料(M为一种合金元素，A和B为反应生成AxBy所需的两种元素)。本发明与现有技术相比较具有以下优点：
1)采用本发明方法制备得到的原位双相颗粒增强铜基复合材料中原位生成的陶瓷相AxBy一般具有微米级的尺寸，可以显著提高材料耐磨性，M元素通过时效析出细小的纳米强化相，能够提高其强度和硬度，与此同时，铜基体中因为固溶原子较少，可以保持较高的电导率。因此通过本发明，能够制备出具有良好耐磨性、较高强度，且导电性良好的铜基复合材料。
2)本发明利用铸造和热处理法，具有工艺简单，成本低廉，易于实现工业化生产的特点。
附图说明
图1为Cu-0.3wt.％Zr-1wt.％ZrB2扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种Cu-0.3wt.％Zr-1.5wt％ZrB2复合材料的制备，包括以下步骤：
(1)称取Zr和B，按照反应生成ZrB2所需比例，即Zr：B摩尔分数比为1:2，配备Cu-Zr和Cu-B原料，ZrB2质量分数为1.5wt.％，除去ZrB2中所需Zr后Zr元素含量为0.3wt.％，余量为Cu；
(2)分别熔炼中间合金Cu-Zr和Cu-B，首先熔炼中间合金是使其在熔炼过程中减小挥发，便于精确控制成分；
(3)将Cu加入真空中频感应熔炼炉坩埚内，将Cu-Zr以及Cu-B中间合金分别放入加料斗中；抽真空后加热至铜完全熔化并保温15min后，依次加入Cu-Zr与Cu-B；
(4)待反应5min后浇铸至铸模中；
(5)将所得铸坯在960℃温度下进行固溶处理1h，随后在400℃时效处理2h，最终获得了Cu-Zr-ZrB2复合材料。
经检测，本实施例制备得到的Cu-0.3wt.％Zr-1.5wt％ZrB2复合材料强度为621MPa，电导率为78％IACS，30N压力120mm/min滑动速度时磨损体积损失为2.0mm3。
对照例
本对照例提供了一种Cu-0.3wt.％Zr复合材料的制备，其制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加B，即Cu-0.3wt.％Zr复合材料为没有ZrB2大颗粒增强的Cu-Zr合金。
经检测，其强度为575MPa，电导率为84％IACS，30N压力120mm/min滑动速度时磨损体积损失为7.7mm3。可见存在ZrB2大颗粒增强的Cu-0.3wt.％Zr-1.5wt％ZrB2复合材料相比Cu-0.3wt.％Zr复合材料强度高、导电率低、30N压力120mm/min滑动速度时磨损体积损失小。
实施例2
本实施例提供一种Cu-0.3wt.％Zr-1.0wt.％ZrB2复合材料的制备，其制备方法与实施例1基本相同，不同的是ZrB2的含量为1wt.％。
经检测，其强度为589MPa，电导率为83％IACS，30N压力120mm/min滑动速度时磨损体积损失为2.5mm3。
Cu-0.3wt.％Zr-1.0wt.％ZrB2复合材料的扫描电镜照片如图1所示，其中大颗粒为Zr与B原位反应生成的ZrB2，小颗粒为在时效过程中析出Zr的相。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种原位双相颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，所述原位双相颗粒增强铜基复合材料为：Cu-Zr-ZrB2，其中Cu、Zr和ZrB2三者质量比为100：0.01～1：0.5～10；其中Zr为在高温下有一定固溶度，但是室温下在铜中固溶度较小且能通过时效析出的元素；ZrB2为一种陶瓷相，由Zr与B在铜熔体中原位反应生成：
原位双相颗粒增强铜基复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)按照反应生成ZrB2所需比例配备原料，Zr元素根据其在Cu中的固溶度，以其极限固溶度含量加入；
(2)将Zr和B分别熔炼为Cu-Zr和Cu-B的中间合金；
(3)将Cu置于真空中频感应熔炼炉坩埚内，抽真空后加热至Cu完全熔化，保温15-20min后，依次将位于加料斗中的Cu-Zr和Cu-B中间合金分别加入到真空中频感应熔炼炉坩埚内；
(4)加入中间合金后反应5～20min，然后浇铸至铸模中；
(5)将所得铸坯在Zr元素在铜中固溶极限时的温度下进行固溶处理，固溶处理包括以下步骤：将熔炼所得铸坯放入热处理炉内，加热至Zr元素在铜中固溶极限时的温度，保温1～2小时，随后将铸坯投入水中冷却；然后进行时效处理，时效处理温度和时间以能够使得Zr元素从铜中析出80～95wt.％为准，时效处理包括以下步骤：将固溶处理后试样放入热处理炉中，加热至时效温度200℃～500℃，保温1h～10h，随后空冷至室温；最终制备得到原位双相颗粒增强铜基复合材料Cu-Zr-ZrB2。
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Preparation and properties of TiB2 particles reinforced Cu-Cr matrix;Pengchao Zhang，et al.;《Materials Science & Engineering A》;20150709;第642卷;第398-405页

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