CN107675012A

CN107675012A - 一种氮化钛弥散强化铜的方法

Info

Publication number: CN107675012A
Application number: CN201710801729.2A
Authority: CN
Inventors: 陈存广; 李沛; 王雯雯; 郭志猛; 陆天行; 纪庆竹
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2018-02-09
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: CN107675012B

Abstract

本发明提供了一种氮化钛弥散强化铜的制备方法，属于弥散强化材料技术领域。本发明以铜钛合金粉为原料，在含氮气氛下将铜钛合金粉表面氮化，通过高温扩散，在铜钛合金粉末内部原位生成氮化钛，经过冷等静压成型、烧结—热挤压组合致密化工艺，获得纳米氮化钛弥散强化铜。制备的氮化钛弥散强化铜具有高强高导和优良的抗软化性能，其室温抗拉强度大于500 MPa，导电率大于80%IACS，软化温度高于750℃。本发明的方法工艺简单，短流程，能耗低，原料丰富易得，成本低廉，适合大规模工业化生产。

Description

一种氮化钛弥散强化铜的方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，属于弥散强化材料的范畴。特别提供了一种利用铜钛合金经雾化制粉、氮化处理、成型及致密化工艺制备高强高导氮化钛弥散强化铜材料的方法。

背景技术

弥散强化铜是一类具有优良综合性能的新型结构功能材料，它兼具高强高导性能和良好的抗高温软化能力，被认为是极有发展潜力和应用前景的新型功能材料。弥散强化铜中起强化作用的是弥散分布在基体中的强化相粒子，强化相与基体结合紧密且颗粒为纳米级。与普通的沉淀析出强化铜合金相比，弥散强化铜材料高温性能更优异，弥散相粒子在接近基体熔点下也不会溶解和粗化，同时弥散强化铜材料具有高导电性能和耐磨性，扩大了铜基材料的适用范围。目前弥散强化铜材料广泛用于散热阳极、磁控管腔体、真空开关、继电器铜片、行波管慢波线等电子真空器件领域，大型高速涡轮发电机的转子导线、电动机电刷、火箭或喷气式飞机机翼或叶片前缘等高端装备部件领域以及连铸机结晶器、高强度电力线、焊炬喷嘴、电动机车的架空导线等领域。

高强高导弥散强化铜在美国、日本等发达国家开发研究异常活跃，已有诸多产品进入实用化阶段。限于其应用领域，各国对材料工艺研究成果都严加保密。我国对这类材料的研究起步较晚，目前仍未能大规模应用，主要问题是某些性能还偏低、生产成本较高、不宜批量生产等。因此，探索新材料及其制备工艺，提高材料的性能，降低生产成本，推动其发展和应用是高强高导弥散强化铜得以成功应用的关键所在。

目前，国内外已开发出众多弥散强化铜的制备工艺，主要包括粉末冶金法、机械合金化法、复合电沉积法、热还原法、内氧化法和反应喷射沉积法等。其中，国内外高强高导弥散强化铜的商业化生产，主要采用内氧化法和机械合金化方法。然而，内氧化法最大的缺点在于其工艺复杂，周期长，生产成本较高，质量难以控制，特别是氧气量和氧化时间较难控制，因此对内氧化法的设备和工艺控制要求极其严格，同时由于滞留在内部的氧化剂难以完全消除，容易造成裂纹、空洞、夹杂等组织缺陷而对材料的性能产生一定的影响。机械合金化方法则存在第二相（强化相）粒度不够细、粒径分布宽、杂质易混入等缺点，并且由于工艺和设备的限制，未能实现大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能获得工艺简单、过程可控、成本低廉、高强高导的纳米氮化钛弥散强化铜的工业化制备方法，解决现有方法成本高、不易控制、生产周期长等缺点，实现高强高导弥散强化铜低成本、高效率、环境友好型的大规模生产。

本发明所采用的技术方案是：以铜钛合金粉为原料，在含氮气氛下将铜钛合金粉表面氮化，通过高温扩散，在铜钛合金粉末内部原位生成纳米级氮化钛粒子，经过冷等静压成型和烧结-热挤压组合致密化工艺，获得纳米氮化钛弥散强化铜。弥散分布在基体中的纳米氮化物粒子可以阻碍晶粒长大，获得稳定的细小晶粒组织结构，使铜基材料具有优异的物理、力学性能。

一种氮化钛弥散强化铜的制备方法，包括以下工艺步骤：

1）铜钛合金粉末的制备：采用雾化法制备铜钛合金粉末，将铜板和铜钛中间合金按配比称重，在雾化介质下进行雾化制粉；

2）粉末氮化处理：将制取的铜钛合金粉末置于气氛炉中，在含氮气氛下进行氮化处理，使得铜中的钛和氮发生扩散反应，生成纳米级氮化钛；

3）粉末成型：将氮化完成的铜钛合金粉末封装包套，在压力为50~300 MPa、保压时间为30 s~10 min条件下进行冷等静压成型，得到生坯；

4）粉末生坯致密化：将冷等静压成型生坯在还原性气氛炉或真空烧结炉中烧结，采用热挤压工艺进行致密化，获得全致密的氮化钛弥散强化铜材料。

步骤1）所述铜钛合金中，优选的是，钛含量为0.3~3 wt%，其余为纯铜；雾化介质为气体介质空气、氮气、氩气和液体介质水中的一种或几种。

步骤2）所述粉末氮化工艺，优选的是，铜钛合金粉末的氮化在气氛炉中进行，氮化温度为400~900℃，氮化时间为0.1~5 h，氮化气氛为分解氨和高纯氮气中的一种或两种，气体流量为0.5~5 L/min。

步骤3）所述粉末封装包套，是将弥散强化铜粉末装入弹性胶质包套中，在真空度为10^-1~10^-2Pa环境中抽真空1~10 h，然后再进行冷等静压成型。

步骤4）所述粉末生坯致密化工艺，优选的是，采用真空或还原气氛烧结，真空度为10^-1~10^-3 Pa，还原气氛为干氢、湿氢和分解氨中的一种或几种，烧结温度为800~1000 ℃，保温时间为0.5~5 h；升温至350~950 ℃进行热挤压，获得全致密的氮化钛弥散强化铜材料。

采用以上技术方案，本发明的有益效果在于：

1、本发明利用成熟的雾化制粉设备，增强相氮化钛采用一步氮化法直接生成，工艺简单，短流程，生产效率高，制备的产品成本低廉，适合工业化大规模生产。

2、制备的氮化钛弥散强化铜具有高强高导和优良的抗软化性能，其室温抗拉强度大于500 MPa，导电率大于80% IACS，软化温度高于750℃。

具体实施方式

实施例1：Cu-0.3Ti合金粉制备氮化钛弥散强化铜：

1）采用空气雾化制粉工艺，铜钛合金中钛含量为0.3 wt%，其余为纯铜，雾化完成即得含钛0.3 wt%的铜钛合金粉。

2）将铜钛合金粉末置于高纯氮气气氛炉中进行氮化，氮化温度为400℃，氮化时间为5 h，气体流量为5 L/ min，氮化反应在带式炉中进行，可连续生产。

3）氮化完成后，将弥散强化铜粉末装入弹性胶质包套中，在真空度为10^-1Pa环境中抽真空1 h后进行冷等静压成型，压力为50 MPa，保压30 s，得到生坯。在干燥氢气气氛中烧结，烧结温度为800 ℃，保温时间为5 h，升温至350℃进行热挤压，获得性能优异的纳米氮化钛弥散强化铜，其室温抗拉强度520 MPa，导电率85% IACS，软化温度高于750℃。

实施例2：Cu-3Ti合金粉制备氮化钛弥散强化铜：

1）采用氩气雾化制粉工艺，铜钛合金中钛含量为3 wt%，其余为纯铜，雾化完成即得含钛3 wt%的铜钛合金粉。

2）将铜钛合金粉末置于分解氨气氛炉中进行氮化，氮化温度为900℃，氮化时间为0.1 h，气体流量为0.5 L/ min，氮化反应在带式炉中进行，可连续生产。

3）氮化完成后，将弥散强化铜粉末装入弹性胶质包套中，在真空度为10^-2 Pa环境中抽真空10 h后进行冷等静压成型，压力为300 MPa，保压10 min。在湿氢气氛中烧结，烧结温度为1000 ℃，保温时间为0.5 h。升温至950℃进行热挤压，获得性能优异的纳米氮化钛弥散强化铜，其室温抗拉强度680 MPa，导电率81% IACS，软化温度高于850℃。

实施例3：Cu-1.5Ti合金粉制备氮化钛弥散强化铜：

1）采用氮气雾化制粉工艺，铜钛合金中钛含量为1.5 wt%，其余为纯铜，雾化完成即得含钛1.5 wt%的铜钛合金粉。

2）将铜钛合金粉末置于高纯氮气气氛炉中进行氮化，氮化温度为650℃，氮化时间为3 h，气体流量为2 L/ min，氮化反应在带式炉中进行，可连续生产。

3）氮化完成后，将弥散强化铜粉末装入弹性胶质包套中，在真空度为10^-2Pa环境中抽真空5 h后进行冷等静压成型，压力为150 MPa，保压5 min。在分解氨气氛中烧结，烧结温度为900 ℃，保温时间为3 h。升温至600℃进行热挤压，获得性能优异的纳米氮化钛弥散强化铜，其室温抗拉强度590 MPa，导电率83% IACS，软化温度高于800℃。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种氮化钛弥散强化铜的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

2）粉末氮化处理：将制取的铜钛合金粉末置于气氛炉中，在含氮气氛下进行氮化处理，生成纳米级氮化钛；

3）粉末成型：将氮化完成的铜钛合金粉末封装包套，在压力为50~300 MPa、保压时间为30 s~10 min条件下进行冷等静压成型得到生坯；

2.根据权利要求1所述一种氮化钛弥散强化铜的制备方法，其特征在于：步骤1）所述铜钛合金中钛含量为0.3~3 wt%，其余为纯铜；雾化介质为气体介质空气、氮气、氩气和液体介质水中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述一种氮化钛弥散强化铜的制备方法，其特征在于：步骤2）所述氮化工艺中，铜钛合金粉末的氮化在气氛炉中进行，氮化温度为400~900℃，氮化时间为0.1~5h，氮化气氛为分解氨和高纯氮气中的一种或两种，气体流量为0.5~5 L/min。

4.根据权利要求1所述一种氮化钛弥散强化铜的制备方法，其特征在于：步骤3）所述粉末封装包套，是将弥散强化铜粉末装入弹性胶质包套中，在真空度为10^-1~10^-2Pa环境中抽真空1~10 h,然后再进行冷等静压成型。

5.根据权利要求1所述一种氮化钛弥散强化铜的制备方法，其特征在于：步骤4）所述粉末生坯致密化工艺中，采用真空或还原气氛烧结，真空度为10^-1~10^-3 Pa，还原气氛为干氢、湿氢和分解氨中的一种或几种，烧结温度为800~1000 ℃，保温时间为0.5~5 h；升温至350~950 ℃进行热挤压，获得全致密的氮化钛弥散强化铜材料。