CN109182802B - 一种碳材料增强铜/铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳材料增强铜/铝基复合材料的制备方法，该方法步骤包括：将准备好的Ti粉，Si粉和碳源粉经过混料机混合，得到Ti‑Si‑碳源混合粉料，对其用铜箔包裹或者将粉料冷压成预制块后压入到熔体中反应，然后进行保温，最后将合金熔体浇入石墨模具中冷却凝固，即得到碳材料(碳单质、含碳化合物)增强铜/铝基复合材料。本发明采用熔铸法制备碳材料增强铜/铝基复合材料，工艺简单，成本低；通过添加Ti粉、碳源粉和硅粉在实现碳源反应润湿的同时避免了碳源完全反应转变为难熔TiC块体；碳材料与铜/铝基体界面洁净，界面结合良好，制备的复合材料中碳源分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种碳材料增强铜/铝基复合材料的制备方法。
背景技术
碳单质材料如石墨、金刚石、碳纳米管、石墨烯，以及含碳的碳化物或碳氮化物等是常用的铝基复合材料增强体。对于该类型铝基复合材料，常用的制备方法是粉末冶金法、机械合金化法等。这些工艺制备的复合材料工艺复杂，成本高。而熔铸法在其制备中应用较少，主要原因是由于上述碳单质材料以及碳化物等与铜/铝熔体润湿性差，且碳在铜/铝熔体中溶解度较低，从而难以将上述增强体有效加入到铜/铝熔体中。
如专利CN1239150A公开了一种碳化钛增强耐磨铝合金的制备工艺，其利用铝粉、钛粉和碳粉通过熔铸法或热爆合成法制备中间合金。但上述制备中间合金的过程碳源吸收率低,制备的复合材料中易残存含钛金属间化合物和碳粉夹杂。
发明内容
本发明旨在提供一种碳材料增强铜/铝基复合材料的制备方法，解决碳与铜熔体润湿性差和碳在铜/铝熔体中溶解度低的问题。
所述碳材料增强铜/铝基复合材料的制备方法，其基本原理是利用碳源与钛粉加入到铜/铝熔中的瞬时反应，在碳源表面形成TiC，使碳源与铜/铝熔体实现反应润湿，从而有效的将其引入到铜/铝熔体中。同时利用钛与硅的反应降低钛与碳源的反应性，从而避免碳源完全反应转化为高熔点的TiC陶瓷块体，难以分散到熔体中。最终，通过Ti，Si与碳源的相互作用制备出碳材料(碳单质、含碳化合物)-增强铜/铝基复合材料。
本发明的一种碳材料增强铜/铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料准备：按质量百分比称取：纯度＞99.5％的电解铜/工业纯铝： 70-99.5％，粒度0.5μm到2000μm的Ti粉：0.2-10％、粒度1μm到3000μm 的Si粉：0.2-10％和碳源粉末：0.1-10％。
(2)Ti-Si-金刚石混合粉料的制备：将Ti粉，Si粉和碳源粉在混料机充分混合，得到Ti-Si-碳源混合粉料；
(3)粉末处理:将步骤(2)中得到的Ti-Si-金刚石混合粉料用铜箔包裹或者将粉料冷压成预制块，对预制块形状无特殊要求。
(4)碳材料增强铜/铝基复合材料的制备：将称量好的电解铜/工业纯铝置于中频或高频感应炉中并在气体或者覆盖剂的保护下加热，然后将步骤(3)中铜箔包裹好的混合粉料或压制成块的粉料压入到熔体中，使其中的钛与硅和碳源在铜/铝熔体中反应，然后进行保温，最后将合金熔体浇入石墨模具中冷却凝固，即得到碳材料增强铜/铝基复合材料。
优选的，所述(1)中增强铜/铝基复合材料的碳源为石墨、炭黑、金刚石或碳纳米管等碳单质，或者含碳的碳化物如B4C等。
优选的，所述(2)中增强铜/铝基复合材料的混料机混合时间为1-6小时。
优选的，所述(3)中压力大于5MPa。
优选的，所述(4)中气体为惰性气体，如氩气，覆盖剂为木炭。
优选的，所述(4)中加热后电解铜/工业纯铝的温度为850-1200℃。
优选的，所述(4)中增强铜/铝基复合材料的保温时间为0.5-30分钟。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：本发明采用熔铸法制备碳材料增强铜/铝基复合材料，工艺简单，成本低；通过添加Ti粉、碳源粉和硅粉在实现金刚石反应润湿的同时避免了碳源完全反应转变为TiC；碳材料与铜基体界面洁净，界面结合良好，制备的复合材料中碳材料分布均匀。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例1制备的金刚石增强铜基复合材料微观组织图；
图2为本发明实施例1制备的金刚石增强铜基复合材料断口组织图；
图3为本发明实施例5制备的含碳铝合金铸态微观组织；
图4为本发明实施例6制备的含碳铝合金铸态微观组织。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界点。
实施例1：
(1)原料准备：按质量百分比称取，纯度＞99.5％的电解铜：94.5％，粒度30μm的Ti粉：2％、粒度300μm的Si粉：2％和粒度7μm的金刚石：1.5％；
(2)Ti-Si-金刚石混合粉料的制备：将Ti粉，Si粉和金刚石粉在混料机充分混合1小时，得到Ti-Si-金刚石混合粉料；
(3)粉末处理:将步骤(2)中得到的Ti-Si-金刚石混合粉料在10Mpa压力以上将粉料冷压成圆柱状预制块；
(4)金刚石增强铜基复合材料的制备：将称量好的电解铜置于中频感应炉中并在木炭覆盖剂的保护下加热至1100℃，然后将步骤(3)中压制的预制块压入到熔体中，使其中的钛与硅和金刚石在铜熔体中反应，保温1分钟，然后将合金熔体浇入石墨模具中冷却凝固，即得到金刚石增强铜基复合材料。制备的金刚石增强铜基复合材料铸态微观组织如图1，制备的金刚石增强铜基复合材料铸态断口组织如图2所示。
实施例2：
(1)原料准备：按质量百分比称取，纯度＞99.5％的电解铜：91％，粒度 10μm的Ti粉：4％、粒度50μm的Si粉：2％和粒度10μm的金刚石：3％；
(2)Ti-Si-金刚石混合粉料的制备：将Ti粉，Si粉和金刚石粉在混料机充分混合2小时，得到Ti-Si-金刚石混合粉料；
(3)粉末处理:将步骤(2)中得到的Ti-Si-金刚石混合粉料Ti-Si-金刚石混合粉料用铜箔包裹；
(4)金刚石增强铜基复合材料的制备：将称量好的电解铜置于中频感应炉中并在木炭覆盖剂的保护下加热至1100℃，然后将步骤(3)中铜箔包裹好的混合粉料压入到熔体中，使其中的钛与硅和金刚石在铜熔体中反应，保温2分钟，然后将合金熔体浇入石墨模具中冷却凝固，即得到金刚石增强铜基复合材料。
实施例3：
(1)原料准备：按质量百分比称取，纯度＞99.5％的电解铜：85％，粒度1 μm的Ti粉：5％、粒度10μm的Si粉：3％和粒度30μm的金刚石：7％；
(2)Ti-Si-金刚石混合粉料的制备：将Ti粉，Si粉和金刚石粉在混料机充分混合2小时，得到Ti-Si-金刚石混合粉料；
(3)粉末处理:将步骤(2)中得到的Ti-Si-金刚石混合粉料Ti-Si-金刚石混合粉料用铜箔包裹；
(4)金刚石增强铜基复合材料的制备：将称量好的电解铜置于中频感应炉中并在木炭覆盖剂的保护下加热至1150℃，然后将步骤(3)中铜箔包裹好的混合粉料压入到熔体中，使其中的钛与硅和金刚石在铜熔体中反应，保温5分钟，然后将合金熔体浇入石墨模具中冷却凝固，即得到金刚石增强铜基复合材料。
实施例4：
(1)原料准备：按质量百分比称取，纯度＞99.7％的工业纯铝：93％，粒度20μm的钛粉：4％、粒度200μm的硅粉：2％和粒度7μm的金刚石：1％；
(2)混合粉料的制备：将钛粉，硅粉和金刚石粉在混料机充分混合0.5小时，得到钛-硅-金刚石混合粉料；
(3)粉末处理:将步骤(2)中得到的钛-硅-金刚石混合粉料用铝箔包裹；
(4)碳材料增强铝基复合材料的制备：将称量好的工业纯铝置于中频感应炉中并在氩气保护下加热至1000℃，然后将步骤(3)中铝箔包裹好的混合粉料压入到熔体中，保温1分钟，然后将合金熔体浇入模具中冷却凝固，即得到含碳铝合金。
实施例5：
(1)原料准备：按质量百分比称取，纯度＞99.7％的工业纯铝：94％，粒度20μm的钛粉：4％、粒度200μm的硅粉：1％和粒度30μm的石墨粉：1％；
(2)混合粉料的制备：将钛粉，硅粉和石墨粉在混料机充分混合1小时，得到钛-硅-石墨混合粉料；
(3)粉末处理:将步骤(2)中得到的钛-硅-石墨混合粉料用在5Mpa压力下将粉料冷压成圆柱状预制块；
(4)碳材料增强铝基复合材料的制备：将称量好的工业纯铝置于中频感应炉中并在氩气保护下加热至950℃，然后将步骤(3)中步骤(3)中压制的预制块压入到熔体中，保温1分钟，然后将合金熔体浇入模具中冷却凝固，即得到含碳铝合金。制备的含碳铝合金铸态微观组织如图3。
实施例6：
(1)原料准备：按质量百分比称取，纯度＞99.7％的工业纯铝：96％，粒度10μm的钛粉：2％、粒度100μm的硅粉：1％和粒度5μm的金刚石：1％；
(2)混合粉料的制备：将钛粉，硅粉和金刚石粉在混料机充分混合0.5小时，得到钛-硅-金刚石混合粉料；
(3)粉末处理:将步骤(2)中得到的钛-硅-金刚石混合粉料在15Mpa压力下将粉料冷压成圆柱状预制块；
(4)碳材料增强铝基复合材料的制备：将称量好的工业纯铝置于中频感应炉中并在氩气保护下加热至1000℃，然后将步骤(3)中铝箔包裹好的混合粉料压入到熔体中，保温0.5分钟，然后将合金熔体浇入模具中冷却凝固，即得到含碳铝合金。制备的含碳铝合金铸态微观组织如图4。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种碳材料增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：
(1)原料准备：按质量百分比称取：纯度＞99.5％的电解铜：85-94.5％，粒度1μm到30μm的Ti粉：2-5％，粒度10μm到300μm的Si粉：2-3％，以及碳源粉：3-7％；各原料的质量百分比之和为100％；
(2)Ti-Si-碳源混合粉料的制备：将Ti粉、Si粉和碳源粉充分混合，得到Ti-Si-碳源混合粉料；
(3)粉末处理：将步骤(2)中得到的Ti-Si-碳源混合粉料用铜箔包裹或者将粉料冷压成预制块；
(4)碳材料增强铜基复合材料的制备：将称量好的电解铜置于中频或高频感应炉中并在惰性气体或者木炭覆盖剂的保护下加热，然后将步骤(3)中铜箔包裹好的混合粉料或压制成块的粉料压入到熔体中，使其中的钛与硅和碳源在加热好的铜熔体中反应，然后进行保温，最后将合金熔体浇入石墨模具中冷却凝固，即得到碳材料增强铜基复合材料；
所述步骤(1)中增强铜基复合材料的碳源粉为粒度7μm、10μm或30μm的金刚石。
2.根据权利要求1所述的碳材料增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中碳材料增强铜基复合材料的混料机混合时间为1-6小时。
3.根据权利要求1所述的碳材料增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中压力大于5MPa。
4.根据权利要求1所述的碳材料增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中加热后电解铜的温度为1100-1150℃。
5.根据权利要求1所述的碳材料增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中增强铜基复合材料的保温时间为0.5-30分钟。
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