CN110257664A - 一种铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜基复合材料及其制备方法，属于金属及其复合材料领域，包括重量百分比的组分：W为3～18％，B4C为0.5~5%，其余的为铜。所述制备方法为：首先选择高纯Cu粉、W粉和B4C，采用高精天平称重后，进行真空球磨2~8h，再把混合粉体填充到耐热钢制作的模具中，然后将模具放到真空热压烧结炉内进行热压烧结成型，烧结温度为950~1030℃，烧结压力为50~60MPa，保温、保压时间1~3h，真空度10‑3Pa，烧结完成后随炉降温冷却。本发明工艺过程简单，所制备的铜基复合材料具有良好的综合性能，可用于受电、磨损、腐蚀和核辐射交互作用的苛刻工况，具有十分广阔的应用前景和推广价值。

Description

一种铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属及其复合材料材料领域，具体地，涉及一种铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
金属铜（Cu）是人类最早使用的金属之一，其具有导热性和导电性高、延展性好、耐腐蚀性好、成形加工性优异等突出特点，从而广泛应用于电缆和电气、电子元件、军工破甲武器、电磁炮轨道等领域。然而，随着科技发展日新月异，金属铜的使用范围越来越广，相应对其使用要求越来越高。单一金属铜已难以满足人类的发展需求，在此背景下，各种各样的铜合金或铜基复合材料应运而生。在实际工况中，各种因素交互作用，对材料的服役性能要求非常高，比如受电、磨损、腐蚀和核辐射交互作用的苛刻工况，要求材料具有良好的综合性能，如导电性好、强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐核辐射等，实现结构与功能的一体化，而现有材料难以满足要求。
从铜基复合材料发展趋势来看，在铜基体中掺杂单一组元很难获得综合性能良好的铜基复合材料，因此，人们逐渐在铜基体中掺杂多组元以发挥各个组元的优势，从而获得综合性能良好的铜基复合材料。金属W具有高熔点、高密度、高强度、高硬度、耐腐蚀等特性，而B4C具有高强度、高硬度、中子吸收截面大等特性。若将W和B4C协同引入到Cu基体中，并采用一定的粉末冶金成形方法，制备出铜基复合材料，有望发挥各自组元的性能优势，获得兼具高导电、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀和耐核辐射等优异综合性能的铜基复合材料。目前，这种材料尚未见相关公开报道。
中国专利CN102677069A提出了一种高性能铜合金复合整体触头材料及其制备方法，首先对QCr0.5铜合金棒进行预处理，然后在QCr0.5铜合金棒表面喷涂由TiC、La2O3、W和Cu组成的热喷涂粉末，在QCr0.5铜合金棒表面制得热喷涂预置层；将预置有热喷涂预置层的QCr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面重熔处理，依次从QCr0.5铜合金棒的一端移动至另一端，之后冷却；再经固溶和时效处理，制得高性能铜合金复合整体触头材料。制备工艺非常复杂且工序不易控制，另外由于陶瓷相TiC和La2O3以及W相的熔点与Cu相相差太远，重熔不彻底或不均匀将严重影响材料性能，同时生产成本较高，将极大限制其推广应用。另外，该材料不具备耐核辐射功能。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的一在于提供一种铜基复合材料，目的二在于提供所述铜基复合材料的制备方法。采用所述制备方法制备的铜基复合材料综合性能优良，生产周期短且工艺较简单。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种铜基复合材料，包含的组分及其质量百分比分别为：W为3～18％，B4C为0.5~5%，其余的为铜。
本发明还提供制备上述铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、称取Cu粉、W粉和B4C粉为原料，重量比控制在（77~96.5）：（3~18）：（0.5~5），装入陶瓷球磨罐，抽真空并充高纯氩气；
步骤二、将经步骤一处理的球磨罐放入球磨机进行球磨，真空球磨时间2~8小时，得混合粉体；将所述混合粉体取出填充到耐热钢制作的模具中；
步骤三、将经步骤二填充的模具放到真空热压烧结炉内进行热压烧结成型，烧结温度为950~1030℃，烧结压力为50~60MPa，保温、保压时间1~3h，真空度10-3Pa，烧结完成后随炉降温冷却，得到铜基复合材料。
作为对上述方案的进一步优化，步骤一所述的Cu粉、W粉和B4C粉的纯度均大于99.5%。
作为对上述方案的进一步优化，步骤一所述的Cu粉、W粉和B4C粉的粒度均≤100nm。
作为对上述方案的进一步优化，步骤二所述真空球磨的真空度为10-1Pa。
作为对上述方案的进一步优化，步骤三所述热压烧结的升温速度为50℃~70℃/min。
有益效果：
本发明制备W和B4C混合增强铜基复合材料的工艺过程简单，生产周期短；所制备的铜基复合材料主要综合性能指标良好（最高电导率达88.6%IACS，最高致密度达99.9%，最高抗拉强度达519MPa，最高硬度达75.6HBW）。可以用于受电、磨损、腐蚀和核辐射交互作用的苛刻工况。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
(1) 选用Cu粉（纯度和粒度分别为99.6%和80nm）、W粉（纯度和粒度分别为99.6%和80nm）和B4C粉（纯度和粒度分别为99.6%和80nm）为原料，重量比控制在77：18：5，采用高精天平称重后，装入陶瓷球磨罐，抽真空并充高纯氩气，最终真空度为10-1Pa；
(2) 将球磨罐放入球磨机进行球磨，球磨时间8h，将混合粉体取出填充到耐热钢制作的模具中；
(3) 将模具放到真空热压烧结炉内进行热压烧结成型，烧结温度为1030℃，升温速度为50℃/min，烧结压力60MPa，保温、保压时间3h，真空度10-3Pa，烧结完成后随炉降温冷却，得到铜基复合材料。取出烧结体即为Cu-W-B4C复合材料，对其进行性能测试，电导率达78.6%IACS，致密度达99.2%，抗拉强度达519MPa，硬度为75.6HBW。
实施例2
工艺过程基本同实施例1，但工艺参数有所不同。
(1) Cu粉粒度70nm，W粉粒度70nm，B4C粉粒度70nm，重量比控制在96.5：3：0.5；
(2) 球磨时间2h；
(3) 热压烧结温度为950℃，升温速度为70℃/min，烧结压力50MPa，保温、保压时间1h，所得到的铜基复合材料，电导率达88.6%IACS，致密度达99.9%，抗拉强度258MPa，硬度为58.3HBW。
实施例3
工艺过程基本同实施例1，但工艺参数有所不同。
(1) Cu粉粒度60nm，W粉粒度60nm，B4C粉粒度60nm，重量比控制在90：8：2；
(2) 球磨时间3.5h；
(3) 热压烧结温度为980℃，升温速度为60℃/min，烧结压力55MPa，保温、保压时间1.5h，所得到的铜基复合材料，电导率达80.6%IACS，致密度达99.5%，抗拉强度达291MPa，硬度为62.6HBW。
需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铜基复合材料，其特征在于：包含的组分及其质量百分比分别为：W为3～18％，B4C为0.5~5%，其余的为铜。
2.如权利要求1所述的一种铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、称取Cu粉、W粉和B4C粉为原料，重量比控制在（77~96.5）：（3~18）：（0.5~5），装入陶瓷球磨罐，抽真空并充高纯氩气；
步骤二、将经步骤一处理的球磨罐放入球磨机进行球磨，真空球磨时间2~8小时，得混合粉体；将所述混合粉体取出填充到耐热钢制作的模具中；
步骤三、将经步骤二填充的模具放到真空热压烧结炉内进行热压烧结成型，烧结温度为950~1030℃，烧结压力为50~60MPa，保温、保压时间1~3h，真空度10-3Pa，烧结完成后随炉降温冷却，得到铜基复合材料。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤一所述的Cu粉、W粉和B4C粉的纯度均大于99.5%。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤一所述的Cu粉、W粉和B4C粉的粒度均≤100nm。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤二所述真空球磨的真空度为10-1Pa。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤三所述热压烧结的升温速度为50℃~70℃/min。
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