CN110093530A - 一种高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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赵培峰
张彦敏
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张祥峰
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Abstract

本发明属于有色金属合金技术领域，具体涉及一种高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法。本发明的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法包括以下步骤：将铜基材料电极作为自耗电极，采用自耗电弧熔炼法进行熔炼，得铸锭，即得；所述铜基材料电极包括铜基体和增强相，所述增强相为碳化物、氧化物、硼化物、难熔金属中的一种；所述难熔金属为W、Mo中的至少一种。相比于粉末冶金方法，本发明的制备方法制得的铜基复合材料具有高耐磨、高强度、高导电的优点，且致密度高，塑性和韧性较好。

Description

一种高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属合金技术领域，具体涉及一种高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着我国现代航空、高速铁路、机电和电子工业的迅猛发展，服役条件愈加苛刻，尤其是在需要能量(电和热)传导的载流摩擦磨损领域，铜合金已难以满足实际工况的服役要求。研究者向铜基体中引入增强相从而得到铜基复合材料，增强相引起的电子散射作用远远低于固溶在铜基体中的原子(合金化元素)引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用，因此铜基复合材料能够在提高铜基体室温和高温性能、摩擦磨损性能以及其他性能的同时不会明显降低铜基体的传导性能。现有技术中，主要采用粉末冶金法制备铜基复合材料，但制得的铜基复合材料具有塑性较差、致密度低等缺点，影响铜基复合材料的后续加工以及性能的提升。
申请公布号为CN108441670A的中国发明专利申请文件中公开了一种利用真空自耗电弧炉制备铜铬50电接触材料的方法，该方法包括以下步骤：将铜粉和铬粉混合后冷等静压出合金棒料，然后将合金棒料在真空烧结炉中烧结，然后将烧结后的棒料在真空自耗电弧炉中熔炼。该方法中仅公开了铜铬合金的制备过程，并没有公开添加有其他增强相的铜基复合材料是否同样能够采用上述方法制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，该制备方法能够提高制备的铜基复合材料的塑性和韧性。
本发明的目的还在于提供一种塑性和韧性较好的高导高耐磨铜基复合材料。
为实现上述目的，本发明的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法采用的技术方案为：
一种高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将铜基材料电极作为自耗电极，采用自耗电弧熔炼法进行熔炼，得铸锭，即得；所述铜基材料电极包括铜基体和增强相，所述增强相为碳化物、氧化物、硼化物、难熔金属中的一种；所述难熔金属为W、Mo中的至少一种。
增强相具有较高的熔点(均在1700℃以上)、较高的热力学稳定性和化学稳定性，与铜基体有一定的润湿性能，同时不会发生使铜基复合材料性能降低的界面化学反应。增强相在铜基体中起强化作用，并在摩擦磨损中起到耐磨相和界面支持相的作用，从而提高铜基复合材料的强度以及耐摩擦磨损性能。在熔炼过程中，增强相颗粒随铜基体熔滴滴落，然后凝固成铸锭，增强相颗粒在铜基体中均匀分布，使得铜基复合材料具有较高的致密度，从而提高了铜基复合材料的塑性和韧性。
所述铜基材料电极由包括如下步骤的方法制得：将铜基体和增强相原料混合均匀，压制成型，烧结，制得电极。先将铜基体与增强相混合有利于增强相在铜基体中分布均匀，压制及烧结均有利于提高铜基复合材料的致密度。
为保证增强效果并不影响铜基复合材料的其他性能，所述增强铜基材料电极中增强相的体积分数为0.2～45％。
所述碳化物为TiC、WC、B4C、Cr3C2中的至少一种。
所述氧化物为Al2O3、ZrO2、TiO2、MgO、CeO2、La2O3中的至少一种。
所述硼化物为CrB2、TiB2、ZrB2中的至少一种。
上述碳化物、氧化物、硼化物均为铜基复合材料常用增强相，具有较好的增强效果。
所述制备方法还包括在熔炼过程中对金属熔体进行超声处理。自耗电弧熔炼在真空条件下进行，在炉内真空和超声的双重作用下有效减少了复合材料中的夹杂物，提纯了铸锭，进一步提高了铜基复合材料的致密度，改善铜基体和增强相的界面结合，提高铜基复合材料的耐摩擦磨损性能。增强相颗粒在超声作用下分散更加均匀，使得金属熔体的凝固组织更加致密，晶粒更细小。
超声处理的功率随着金属熔体的高度的增加而增大。
本发明的高导高耐磨铜基复合材料采用的技术方案为：
一种采用上述高导高耐磨复合材料的制备方法制得的高导高耐磨铜基复合材料。本发明的高导高耐磨铜基复合材料具有较好的塑性和韧性。
附图说明
图1为本发明的实施例1的铜基复合材料的SEM图；
图2为本发明的实施例1的铜基复合材料的SEM图；
图3为本发明的实施例1的铜基复合材料的SEM图。
具体实施方式
本发明的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将增强铜基材料电极作为自耗电极，采用自耗电弧熔炼法进行熔炼，得铸锭，即得；所述增强铜基材料电极包括铜基体和增强相，所述增强相为碳化物、氧化物、硼化物、难熔金属中的至少一种；所述难熔金属为W、Mo中的至少一种。
优选的，铜基材料电极中增强相的体积分数为2.5～10％。
所述铜基体为铜或铜合金。
所述铜基体粒径为0.01～100μm。
所述增强相粒径为0.01～100μm。优选的，增强相粒径为0.5～10μm。
所述熔炼时的电流为1000～4500A。
所述铜基材料电极由包括如下步骤的方法制得：将铜基体和增强相原料混合均匀，压制成型，烧结，制得电极。
所述混合为在混料机内混合。
所述混合时间为2～16h。
所述压制成型包括：将混合料装入模具内进行震动、擀料、反向墩料，然后压制。
优选的，震动为机械震动。震动时间为30～70s。
优选的，擀料的时间为4～8min。
优选的，反向墩料的次数为4～6次。
优选的，压制时的压力为150～300MPa，时间为5～10min。进一步优选的，压制为冷等静压。
所述烧结包括：在真空条件下，先在550～750℃保温1～4h，然后在900～1070℃保温1～10h。烧结有利于减小坯料应力，使坯料温度均匀，为得到致密复合的材料做准备。同时真空条件有利于减少材料中的气体含量。
优选的，烧结时真空度为1×10-3～1×10-1Pa。
本发明的制备方法还包括在熔炼过程中对金属熔体进行超声处理。所述超声处理的频率为15～25kHz。所述超声处理的起始功率为450～650W。超声处理的功率随着铸锭的高度的增加而增大。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一、高导高耐磨铜基复合材料的制备方法的实施例
实施例1
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照体积百分比计，称取95％的铜粉和5％的WC粉(平均粒径为10μm)，然后在混料机内混合4h，得混合料；
(2)将混合料装入胶套内进行机械震动30s，然后擀料4min(擀料具体操作过程为：平放到地面滚动)、反向墩料5次(反向墩料具体操作过程为：底部朝上，向下进行墩料)，然后在240MPa条件下冷等静压8min，得压制成型的电极坯料；
(3)将压制成型的电极坯料在真空烧结炉中真空烧结(真空度为0.01Pa)，烧结时先在650℃保温3h，然后在950℃保温6h，得WC增强铜基材料电极；
(4)将增强铜基材料电极作为自耗电极装入真空自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼时电流为3.5kA，得铸锭，即为WC增强的铜基复合材料。
实施例2
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照体积百分比计，称取91％的铜粉和9％的WC粉(平均粒径为10μm)，然后在混料机内混合4h，得混合料；
(2)将混合料装入胶套内进行机械震动30s，然后擀料8min、反向墩料4次，然后在240MPa条件下冷等静压8min，得压制成型的电极坯料；
(3)将压制成型的电极坯料在真空烧结炉中真空烧结(真空度为0.01Pa)，烧结时先在650℃保温3h，然后在950℃保温6h，得WC增强铜基材料电极；
(4)将增强铜基材料电极作为自耗电极装入真空自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼时电流为3.5kA，待坩埚底部形成金属熔体后开启超声波发生器对金属熔体进行超声，超声波频率为15kHz，起始功率为450W，随着熔炼的进行增大超声波功率，按照金属熔体的高度每增加10mm，功率增加10W的速度进行，直到熔炼停弧，得铸锭，即为WC增强的铜基复合材料。
实施例3
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照体积百分比计，称取97.5％的铜粉和2.5％的Al2O3粉(平均粒径为0.5μm)，然后在混料机内混合10h，得混合料；
(2)将混合料装入胶套内进行机械震动30s，然后擀料5min、反向墩料6次，然后在150MPa条件下冷等静压10min，得压制成型的电极坯料；
(3)将压制成型的电极坯料在真空烧结炉中真空烧结(真空度为0.01Pa)，烧结时先在550℃保温4h，然后在1070℃保温2h，得增强铜基材料电极；
(4)将增强铜基材料电极作为自耗电极装入真空自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼时电流为2.5kA，得铸锭，即为Al2O3增强的铜基复合材料。
实施例4
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照体积百分比计，称取95％的铜粉和5％的TiB2粉(平均粒径为5μm)，然后在混料机内混合16h，得混合料；
(2)将混合料装入胶套内进行机械震动30s，然后擀料4min、反向墩料4次，然后在300MPa条件下冷等静压5min，得压制成型的电极坯料；
(3)将压制成型的电极坯料在真空烧结炉中真空烧结(真空度为0.01Pa)，烧结时先在750℃保温1h，然后在1000℃保温6h，得TiB2增强铜基材料电极；
(4)将增强铜基材料电极作为自耗电极装入真空自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼时电流为2.5kA，待坩埚底部形成金属熔体后开启超声波发生器对金属熔体进行超声，超声波频率为20kHz，起始功率为500W，随着熔炼的进行增大超声波功率，按照金属熔体的高度每增加10mm，功率增加10W的速度进行，直到熔炼停弧，即为TiB2增强的铜基复合材料。
实施例5
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照体积百分比计，称取90％的铜粉和10％的钼粉(平均粒径为10μm)，然后在混料机内混合4h，得混合料；
(2)将混合料装入胶套内进行机械震动30s，然后擀料4min、反向墩料5次，然后在240MPa条件下冷等静压8min，得压制成型的电极坯料；
(3)将压制成型的电极坯料在真空烧结炉中真空烧结(真空度为0.01Pa)，烧结时先在650℃保温3h，然后在950℃保温10h，得增强铜基材料电极；
(4)将增强铜基材料电极作为自耗电极装入真空自耗电弧炉内进行熔炼，熔炼时电流为2.5kA，待坩埚底部形成金属熔体后开启超声波发生器对金属熔体进行超声，超声波频率为25kHz，起始功率为650W，随着熔炼的进行增大超声波功率，按照金属熔池的高度每增加10mm，功率增加10W的速度进行，直到熔炼停弧即为Mo增强的铜基复合材料。
二、高导高耐磨铜基复合材料的实施例
实施例6
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料由实施例1的制备方法制得。
实施例7
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料由实施例2的制备方法制得。
实施例8
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料由实施例3的制备方法制得。
实施例9
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料由实施例4的制备方法制得。
实施例10
本实施例的高导高耐磨铜基复合材料由实施例5的制备方法制得。
试验例1
对实施例1中的复合材料进行SEM测试，测试结果如图1～图3所示。由图1～图3可知，增强相颗粒在基体内分散均匀，且界面结合良好，界面处洁净无反应物产生。
试验例2
对本发明实施例7～9中的复合材料进行性能测试。其中，强度的检测按照GB/T228.1-2010进行试样加工和检测，硬度的检测按照GB/T 231.1-2009金属布氏硬度测试方法检测硬度，耐磨性的检测标准为：在自制HST-100高速载流摩擦磨损试验机检测(销-盘式接触方式：压力40N，电流50A)，按照GB/T 32791-2016铜及铜合金导电率涡流测试方法检测导电率。
表1复合材料的性能
由表1可以看出，由此方法制备的铜基材料可以得到良好的导电和耐磨性能。

Claims (9)

1.一种高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铜基材料电极作为自耗电极，采用自耗电弧熔炼法进行熔炼，得铸锭，即得；所述铜基材料电极包括铜基体和增强相，所述增强相为碳化物、氧化物、硼化物、难熔金属中的一种；所述难熔金属为W、Mo中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜基材料电极由包括如下步骤的方法制得：将铜基体和增强相原料混合均匀，压制成型，烧结，制得电极。
3.根据权利要求1所述的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜基材料电极中增强相的体积分数为0.2～45％。
4.根据权利要求1所述的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳化物为TiC、WC、B4C、Cr3C2中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧化物为Al2O3、ZrO2、TiO2、MgO、CeO2、La2O3中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述硼化物为CrB2、TiB2、ZrB2中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在熔炼过程中对金属熔体进行超声处理。
8.根据权利要求7所述的高导耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述超声处理的功率随着金属熔体的高度的增加而增大。
9.一种采用如权利要求1所述的高导高耐磨铜基复合材料的制备方法制得的高导高耐磨铜基复合材料。
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