CN110976844A - 鑫晶复合材料的制造工艺以及鑫晶复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鑫晶复合材料的制造工艺以及鑫晶复合材料，通过将包含易氧化银铜的基础材料加热到600℃～850℃进行活化处理，得到多彩银铜母料；按照设计图案定位装填所述多彩银铜母料，并使用200～500Mpa压力预压定型以形成胚体；基于预设封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。本发明解决了业界界面无共熔难题，实现了单色彩元素贵金属的多彩化，且制造工艺整体简洁实用、材料制造成本低。

Description

鑫晶复合材料的制造工艺以及鑫晶复合材料

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种鑫晶复合材料的制造工艺以及鑫晶复合材料。

背景技术

有色金属的多彩显现特性一直被人们用在首饰及工艺品领域，金银铂的抗氧化特性更使其在首饰应用中发挥到极致，基于各贵金属制成的首饰或者工艺品，璀璨艳丽光彩夺目。因此，如何使单彩元素显示色彩多元化，一直是人们孜孜以求的研究课题，虽然利用粉末冶金技术可以完美实现，但高昂的设备费用令人望而却步。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种鑫晶复合材料的制造工艺，旨在解决现有的基于单彩元素多元化制造多彩金属材料成本高昂的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种鑫晶复合材料的制造工艺，所述鑫晶复合材料的制造工艺，包括如下步骤：

将包含易氧化银铜的基础材料加热到600℃～850℃进行活化处理，得到多彩银铜母料；

按照设计图案定位装填所述多彩银铜母料，并使用200～500Mpa压力预压定型以形成胚体；

基于预设封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。

进一步地，所述将包含易氧化银铜的基础材料加热到600～850℃进行活化处理的步骤，包括：

在预设控制气氛反应炉中，将所述基础材料加热到600～850℃；

同期完成氨气还原反应、碳—氧化铜有条件还原反应和磷/稀土脱氧置换反应，以使所述基础材料中的铜颗粒表面处于活化亚临界状态。

进一步地，在按照设计图案定位装填所述多彩银铜母料时，使所述多彩银铜母料中各材料的接触面平行放置。

进一步地，在使用200～500Mpa压力预压定型以形成胚体时，辅以可气化粘结剂定型固结。

进一步地，所述预设封闭式控制气氛中频感应炉至少包括石墨烯陶瓷热压模具，所述石墨烯陶瓷热压模具具备三维自给进功能。

进一步地，所述基于预设封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材的步骤，包括：

将所述胚体置入所述石墨烯陶瓷热压模具，并抽真空排除空气；

以10～25℃/min升温速率等温分阶加热至600℃后通入氩气，并平衡气压为80～200pa；

恒温恒压保持直至所述胚体中各材料表面完成超固相扩散微熔接，以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。

进一步地，在所述恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材的步骤之后，还包括：

对所述热压烧结胚材进行热锻和/或压延处理提高所述鑫晶复核材料的密度。

进一步地，在所述对所述热压烧结胚材进行热锻和/或压延处理提高所述鑫晶复核材料的密度的步骤之后，还包括：

将经过热锻和/或压延处理后的热压烧结胚材预轧制到标准厚度，并在表面做特殊纹理处理。

此外，本发明还提供一种鑫晶复合材料，用于制造首饰及其它工艺品，所述鑫晶复合材料所包含各元素含量百分比，为：

金：0.05％～5.09％，银：3.5％～18.5％，铜：38％～55％，锰：0.5％～1.5％，镍：0.3％～0.35％，氮：0.001％～0.015％，铅：0.01％～0.08％，锌：0.2％～8.5％，钴：0.08％～0.12％，镧：0.001％～0.0025％。

进一步地，所述鑫晶复合材料的颜色包括：黄、红、白和亮白的多彩组合，所述鑫晶复合材料的延伸率和抗拉应力分别为120％～500％和235Mpa。

本发明提出的鑫晶复合材料的制造工艺以及鑫晶复合材料，通过将包含易氧化银铜的基础材料加热到600℃～850℃进行活化处理，得到多彩银铜母料；按照设计图案定位装填所述多彩银铜母料，并使用200～500Mpa压力预压定型以形成胚体；基于预设封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。本发明用易氧化银铜元素做基础材料，通过表面活化处理提高了单彩元素材料表面自由能，从而近程迁移达到单彩元素材料间的零距离接触，并基于持续流变热静压促使单彩元素材料表面微熔合，不仅解决了业界界面无共熔难题，实现了单色彩元素贵金属的多彩化，且制造工艺整体简洁实用、材料制造成本低。

附图说明

图1是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例的流程示意图；

图2是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺另一实施例的流程示意图

图3是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中烧结工艺曲线图；

图4是本发明鑫晶复合材料的界面结构组织示意图；

图5是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中金属氧化物自由能分布曲线示意图；

图6是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中基础材料中的颗粒铜表面活化前后状态示意图；

图7是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中基础材料拼图压制设计示意图；

图8是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中胚体压制设备示意图；

图9是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中热压烧结过程中颗粒曲率变化示意图；

图10是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中热压烧结操作示意图；

图11是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中热压烧结温度与胚体致密化关系示意图；

图12是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中等静压与模压密度关系示意图；

图13是本发明一种鑫晶复合材料的制造工艺一实施例中热锻轧制示意图图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种鑫晶复合材料的制造工艺以及基于该制造工艺制备的鑫晶复合材料。

请参照图1，图1为本发明鑫晶复合材料的制造工艺第一实施例的流程示意图。

本发明实施例提供了鑫晶复合材料的制造工艺的实施例，需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例鑫晶复合材料的制造工艺包括：

步骤S100，将包含易氧化银铜的基础材料加热到600℃～850℃进行活化处理，得到多彩银铜母料。

需要说明的是，本实施例中，金属在有氧气氛中表面氧化是个绝对自由能降低过程，温度升高氧化过程加剧。氧化物自由能曲线(如下图5所示)告知，在适当温度下，氢(H)，碳(C)，磷(P)，稀土(La)是理想还原剂。

进一步地，步骤S100，包括：

步骤S101，在预设控制气氛反应炉中，将所述基础材料加热到600～850℃；

步骤S102，同期完成氨气还原反应、碳—氧化铜有条件还原反应和磷/稀土脱氧置换反应，以使所述基础材料中的铜颗粒表面处于活化亚临界状态。

本发明以易氧化银铜元素做基础材料，解决界面无共熔难题，纹理清晰，材质保持良好延展特性，奠定了贵金属多彩化坚实基础。

如图3工艺曲线所示，将包含易氧化银铜的基础材料在控制气氛反应炉中加热到600－－850℃，然后同期完成氨气还原反应、碳—氧化铜有条件还原反应和磷/稀土脱氧置换反应，具体如下：

1、氨气还原反应：

NH3-------3H2+N2

H2+MeO-----Me+H2O

其中，氨气(NH3)经镍触媒高温分解得干燥低露点(-60℃)氢/氮混合气体，氢气参与还原反应，氮气中性不参与反应，残余水份经冷冻干燥排除。

2、碳—氧化铜有条件还原反应：

CuO+C--------Cu+CO

3、磷/稀土脱氧置换反应：

CuO+P(X)--------Cu+PO(X)

Cu0+La(X)------Cu+La(X)

其中，P(X)为磷衍生固溶体，La(X)为镧系混合稀土。

本实施例中，包含易氧化银铜的基础材料经过上述活化处理后，该基础材料中的颗粒铜表面处于活化亚临界状态(如图6所示，图6中，a表示活化前，b表示火化后)。其中需要注意的是：活化层在S/G面进行，铜材纯度不变，表面氧含量低于800PPM。

在本实施例中，本发明鑫晶复合材料的制造工艺以粉末冶金为基础，用颗粒概念模糊粉末与块料边缘述说，传承粉末冶金，并综合简化多种致密化技术，从而推出本发明简洁实用、成本低廉的新工艺，实现了单体多彩化，完成了金属氧化物还原纯金属的良好组合。

步骤S200，按照设计图案定位装填所述多彩银铜母料，并使用200～500Mpa压力预压定型以形成胚体。

将包含易氧化银铜的基础材料经过上述活化处理后得到的多彩银铜母料之后，在预设钢模中按照首饰或者其它工艺品的设计图案，基于如图8所示的胚体压制设备采用200～500Mpa压力液压固结定型形成胚体。

进一步地，本实施例中，在按照设计图案定位装填该多彩银铜母料时，须使多彩银铜母料中各材料之间直接接触且接触面须平行放置(如图7所示)，从而保证固结定型的胚体在后续热静压烧结过程中被均匀施压，保证了最终鑫晶复合材料制品保持稳定，单色彩原料之间精确结合。

进一步地，本实施例中，在使用200～500Mpa压力液压固结定型时，辅以可气化粘结剂定型固结。

需要说明的是，本实施例中，机械压制是不规则表面咬合，无冶金固溶接。预设钢模压胚时可基于工艺需要预定外围尺寸、重量等，从而为后期热静压烧结做填充料准备。

步骤S300，基于预设封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。

需要说明的是，基于热力学可知：致密的晶体如果以大颗粒形式存在，这个颗粒系统必然处于高能状态。本发明经过上述工序处理得到的胚体具有发达的颗粒表面，与同质量未细分晶体相比具有过剩表面能。如下示公式所证：

△E＝Ep-Ed

代入晶体材料的摩尔质量Wm(g/mol)，固-气表面能γ_sv(J/m2)，粉末比表面Sp(cm2/g)，致密固体密度d(g/cm3)，则有公式1：

△E＝γ_sv[WmSp-6(Wm/d)^2/3]

由于，WmSp》6(Wm/d)^2/3，因此，上述公式1可简化为公式2：

△E＝γ_svWmSp

热压过程遵从热力学定律，颗粒变化如下图9所示烧结过程中颗粒曲率变化，由于，颗粒之间接触出现颈部曲率半径，下示公式3表述曲率半径，表面张力和表平面所受的应力差值：

△σ＝γ(1/R1+1/R2)

在公式3中，R1、R2分别表示：表面上相互垂直的两个曲线曲率半径，主曲率半径。

基于上证，本发明鑫晶复合材料的制造工艺采用烧结的主要目的是：把颗粒系统变成致密晶体，从而是表面能向低能状态过渡(比表面越大，这个过程越容易；烧结温度越高，活性能也越大)。

需要说明的是，本发明鑫晶复合材料的制造工艺立足于材料未出现大量液相互熔，仅以表面超固相(液相少于15％)近程扩散条件下完成，以银铜作为主元素，与不同元素组合形成不同色泽不同熔点铜合金。铜元素的相似相容满足近程扩散小区域熔接条件。热压法烧结容易获得接近理论密度，气孔率接近零的烧结体，容易达到细晶粒组织，容易获得晶体的自定义取向。热压时由于颗粒处于热塑性状态，形变阻力小，易于塑性流动和致密化，所需成型压力仅为冷压法十分之一。

进一步地，本实施例中，预设封闭式控制气氛中频感应炉中的热压模具具体可以为石墨烯陶瓷热压模具，该热压模具具备三维自给进功能，其径向位移不小于高度1/20、恒温温度(Ts)控制精度不大于0.2％，且可实现对数型压力跟踪，压力控制精度不大于0.5％、压力持续时间15—60min，并可使用快速水汽热交换冷却。此外，该预设封闭式控制气氛中频感应炉的控制系统还需满足：脱氧还原排气、塑性流变、近程扩散、小区域微熔致密化等工艺条件。

进一步地，步骤S300，包括：

步骤S301，将所述胚体置入所述石墨烯陶瓷热压模具，并抽真空排除空气；

步骤S302，以10～25℃/min升温速率等温分阶加热至600℃后通入氩气，并平衡气压为80～200pa；

步骤S303，恒温恒压保持直至所述胚体中各材料表面完成超固相扩散微熔接，以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。

将经过液压固结定型的胚体方置在石墨陶瓷模具中，以15—50Pa压强抽真空排除空气，随后启动封闭式控制气氛中频感应炉的中频电源，以10--25℃/min的升温速率按等温分阶加热，在升温大于600℃后通入氩气，并控制平衡气压80—200Pa，恒温恒压保持直至完成表面“超固相-扩散”微熔接，保证在不出现冶金熔合固溶体情况下，使不同色彩铜合金界面紧密结合。

进一步地，本实施例中，在对胚体进行如图10所示的热压烧结操作，从而基于热压烧结胚体以得到鑫晶复合材料的热压烧结胚材时，由于温度是最敏感参数之一，致密化结果很大程度上是由温度决定的。因此，本发明鑫晶复合材料的制造工艺的热压温度(Ts)选定低于中和熔点(Tx)15--20℃，并精确控温，基于温度与时间对致密化结果呈反比关系(如图11所示)，在达到同等密度条件下，温度高时间短，温度低则保温时间长。另外，本发明鑫晶复合材料的制造工艺的压力定义为冷态预压胚成型压力和热态持续压力。由于冷成型压力增大预制胚密度增大，冷等静压只需40％压力就可达到预定压胚密度。虽然高温加压有助于缩短致密化时间，但是高温加压对模具强度是严峻考验(如图12所证)，因此，本发明鑫晶复合材料的制造工艺选定材料破断极限安全系数为1.25。

进一步地，本实施例中，基于银作为优质焊接材料对熔接有决定作用，本发明鑫晶复合材料的制造工艺在执行中严格控制基础材料中相邻元素的排布，避免过多熔融合金出现，对于金元素也做同等处理。由于含铜量增加会升高材料熔点温度，本发明鑫晶复合材料的制造工艺用特殊计算方法评测预定温度，并通过有序化处理完善解决设计温度可靠性。此外，铜含量对压胚密度影响也是显著的，因此铜纯度提高有利于成型压制(需要时注意的是：含铜量大于98％时易出现残余空隙并有共析残渣出现)。由于镍元素熔点高，可以起熔池阻隔作用，因此，在本发明鑫晶复合材料的制造工艺中定量使用。稀土元素净化晶界，钴，铍细化晶粒，在本发明鑫晶复合材料的制造工艺中微量添加。

进一步地，本实施例中，热压烧结的热压速率全过程采用对数型加压、均衡递减、持续保压，从而确保致密化过程缩短和模具安全。需要说明的是，本发明鑫晶复合材料的制造工艺属于超固相加压烧结，液相少于5％，快速加压对致密化无显著影响，速度过快易产生模具早期断裂和图案位移(实践表明，以30—80N/min加载速率是安全可行的)。

在本实施例中，基于封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结胚体以得到鑫晶复合材料的热压烧结胚材，感应加热快速可控，避免了电阻加热惯性响应迟钝和熔池电阻难以控制的缺点，且径向差动补量可部分达到热等静压三维加压效果；此外，以1/20热等静压装备价格优势达到90％的工艺效果，极大程度上降低了制造成本。

进一步地，基于上述鑫晶复合材料的制造工艺第一实施例，提出本发明鑫晶复合材料的制造工艺的第二实施例。

请参照图2，图2为本发明鑫晶复合材料的制造工艺第二实施例的流程示意图。在本发明鑫晶复合材料的制造工艺的第二实施例中，在上述步骤S300，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材之后，本发明鑫晶复合材料的制造工艺，还包括：

步骤S400，对所述热压烧结胚材进行热锻和/或压延处理提高所述鑫晶复核材料的密度,；

步骤S500，将经过热锻和/或压延处理后的热压烧结胚材预轧制到标准厚度，并在表面做特殊纹理处理。

需要说明的是，本实施例中，采用如图13所示的热锻轧制操作对热压烧结胚材经后期改锻进一步提高了致密度和可塑性，热压烧结胚材经热锻进一步提高密度后预轧制到标准厚度6—8毫米，并基于对胚材表面做特殊纹理处理，再经X、Y轴向温轧后即可得到预定纹理效果。

本实施例中，本发明鑫晶复合材料的制造工艺立足于通过表面活化提高自由能，近程迁移达到零距离接触，持续流变热静压促使表面微熔合。实现了多彩分界面清晰，显微界面(如图4所示的基于本发明鑫晶复合材料的制造工艺得到的鑫晶复合材料的界面结构组织)可见微熔池现象。图中：微熔池出现在不同彩铜分界面，共熔区不大于20微米，如此证实，熔点低的多元合金比单元素更易出现熔合，这对提高致密化过程是有益的；除此之外，本发明鑫晶复合材料的制造工艺保持了金银铜合金基本物理特性，富有多彩化元素、可冷形变加工、延展性好，推广应用广阔，并且本发明鑫晶复合材料的制造工艺解决了加热过程抗氧化的基本难题，为向抗氧化性能优异贵金属多彩化成型加工奠定了基础，本发明鑫晶复合材料的制造工艺所需技术装备简洁实用，相比于传统粉末冶金技术装备，材料制造实用性更高，成本更低。

本发明还提供一种鑫晶复合材料，用于制造首饰及其它工艺品，该鑫晶复合材料适宜的元素含量为：

金：0.05％～5.09％，银：3.5％～18.5％，铜：38％～55％，锰：0.5％～1.5％，镍：0.3％～0.35％，氮：0.001％～0.015％，铅：0.01％～0.08％，锌：0.2％～8.5％，钴：0.08％～0.12％，镧：0.001％～0.0025％。

进一步地，本发明鑫晶复合材料的密度介于8350--9800kg·m^-3，其莫氏硬度为2.5--4.5H,mohs。该鑫晶复合材料延伸率可达120--500％，抗拉应力可达235Mpa)。此外，该鑫晶复合材料的比热容为0.093j.kg.℃，线膨胀系数为18.7×10-6℃)RoHS(有害成分含量)＜0.0012％。该鑫晶复合材料的熔点为943—950℃，该鑫晶复合材料包含有黄、红、白和亮白等多彩组合颜色，且其具有漫反射、可抛光镜面的折光性。

本发明提供的鑫晶复合材料，保持了金银铜基本理化特性，材质具有良好延展性，便于碾压延展和锻打形变加工，可普遍应用于特艺品、首饰、挂件、印章、币章、薄钞品、摆件、餐饮具等物品的制造加工。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，所述鑫晶复合材料的制造工艺，包括如下步骤：

将包含易氧化银铜的基础材料加热到600℃～850℃进行活化处理，得到多彩银铜母料；

按照设计图案定位装填所述多彩银铜母料，并使用200～500Mpa压力预压定型以形成胚体；

基于预设封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。

2.如权利要求1所述的鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，所述将包含易氧化银铜的基础材料加热到600～850℃进行活化处理的步骤，包括：

在预设控制气氛反应炉中，将所述基础材料加热到600～850℃；

同期完成氨气还原反应、碳—氧化铜有条件还原反应和磷/稀土脱氧置换反应，以使所述基础材料中的铜颗粒表面处于活化亚临界状态。

3.如权利要求1所述的鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，在按照设计图案定位装填所述多彩银铜母料时，使所述多彩银铜母料中各材料的接触面平行放置。

4.如权利要求1所述的鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，在使用200～500Mpa压力预压定型以形成胚体时，辅以可气化粘结剂定型固结。

5.如权利要求1所述的鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，所述预设封闭式控制气氛中频感应炉至少包括石墨烯陶瓷热压模具，所述石墨烯陶瓷热压模具具备三维自给进功能。

6.如权利要求5所述的鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，所述基于预设封闭式控制气氛中频感应炉，恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材的步骤，包括：

将所述胚体置入所述石墨烯陶瓷热压模具，并抽真空排除空气；

以10～25℃/min升温速率等温分阶加热至600℃后通入氩气，并平衡气压为80～200pa；

恒温恒压保持直至所述胚体中各材料表面完成超固相扩散微熔接，以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材。

7.如权利要求1所述的鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述恒温恒压烧结所述胚体以得到所述鑫晶复合材料的热压烧结胚材的步骤之后，还包括：

对所述热压烧结胚材进行热锻和/或压延处理提高所述鑫晶复核材料的密度。

8.如权利要求7所述的鑫晶复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述对所述热压烧结胚材进行热锻和/或压延处理提高所述鑫晶复核材料的密度的步骤之后，还包括：

将经过热锻和/或压延处理后的热压烧结胚材预轧制到标准厚度，并在表面做特殊纹理处理。

9.一种鑫晶复合材料，用于制造首饰及其它工艺品，其特征在于，所述鑫晶复合材料所包含各元素含量百分比，为：

金：0.05％～5.09％，银：3.5％～18.5％，铜：38％～55％，锰：0.5％～1.5％，镍：0.3％～0.35％，氮：0.001％～0.015％，铅：0.01％～0.08％，锌：0.2％～8.5％，钴：0.08％～0.12％，镧：0.001％～0.0025％。

10.如权利要求9所述的鑫晶复合材料，其特征在于，所述鑫晶复合材料的颜色包括：黄、红、白和亮白的多彩组合，所述鑫晶复合材料的延伸率和抗拉应力分别为120％～500％和235Mpa。

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