CN112941362B - 一种原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金及其制备方法，包括铜合金基体，铜合金基体内含有La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷，La2O3和Al2O3摩尔比为1：1～17，该减磨铜合金的制备方法包括以下步骤：(1)取硝酸镧与硝酸铜溶于水中，加入络合剂，搅拌至凝胶状，干燥后研磨成粉末、煅烧，获得La2CuO4粉末；(2)将La2CuO4粉末与铝粉、氧化铜粉末球磨获得复合材料粉末；(3)利用高能激光束在复合材料粉末表面进行扫略加工，得到La2O3和Al2O3原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金。该减磨铜合金内部铜合金与双相氧化物陶瓷增强相之间的润湿性能好，能够避免摩擦过程中因界面强度弱而造成磨损加剧，硬度及耐磨性耐磨性好，原料和制造成本低。

Description

一种原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜合金及其制备方法，更具体地，涉及一种原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金及其制备方法。
背景技术
铜及铜合金是一种较软的金属材料，具有优良的塑性变形能力、优异的导电性、良好的抗腐蚀性等特性，同时，强度较低的铜合金具有良好的可加工性，已成为工业制造中不可缺少的金属材料之一。尽管金属铜具有许多优良性能，可铜本身耐磨性不足，简单的金属铜难以满足现代工业的需求，所以研制和开发高耐磨性铜合金尤为重要。目前提高铜合金耐磨性主要通过合金化以及增强相强化，合金化是将对铜有较小溶解度的合金元素添加到铜中，通过高温固溶处理的方法使得金属元素在铜材料中产生过饱和的固溶体，随后通过时效处理，金属元素析出在铜基体当中形成了析出相，进而提高铜合金的强度与耐磨性；而增强相强化是通过热等静压、真空烧结出具有TiB颗粒增强铜合金，从而提高了铜基复合材料的综合性能。但这两种方式制备的颗粒增强铜基复合材料因铜/增强相界面存在一定程度的失配，材料变形时易在此处发生应力-应变集中和微裂纹；高应力/应变会使增强相和铜结合不稳定，进而会导致材料失效。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种界面润湿性好、硬度高、耐磨性好的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，本发明的另一目的是提供该原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金的制备方法。
技术方案：本发明所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，包括铜合金基体，铜合金基体内含有La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷，La2O3和Al2O3摩尔比为1：1～17。
本发明所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)取硝酸镧与硝酸铜溶于去离子水中，加入络合剂，搅拌至凝胶状，干燥后研磨成粉末、煅烧，获得La2CuO4粉末；
(2)在氩气保护气氛下，将La2CuO4粉末与铝粉、氧化铜粉末采用高能球磨工艺球磨，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在保护气氛环境下，利用高能激光束在复合材料粉末表面进行扫略加工，得到La2O3和Al2O3原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金。
其中，步骤1中硝酸镧与硝酸铜摩尔比为2：1～2，络合剂为乙二胺四乙酸二钠，加入络合剂后，加入氨水调节PH为4～5，煅烧温度为800～850℃。
其中，步骤2中球磨时在氩气保护下进行球磨，LaCuO4粉末与铝粉、氧化铜粉末的质量比为2～34.5：4.4：1。
其中，步骤3中保护气氛为氩气与氢气的混合气氛，氢气流量占总流量的1％～5％，高能激光束功率为200～325W、扫略速度为800～1600mm/s、束斑直径50～80μm。
发明原理：本发明以硝酸镧与硝酸铜为原料，通过溶胶-凝胶工艺制备La2CuO4粉末；通过球磨工艺，获得La2CuO4粉与铝粉、氧化铜构成的混合均匀的复合材料粉末，然后基于高能激光束约束下Al/CuO的原位反应热/动力学条件及La2CuO4粉末冶金特征，依据2Al+3CuO→3Cu+Al2O3、La2CuO4+H2→La2O3+Cu+H2O冶金反应，在氩气与氢气复合保护气氛环境下，优化激光成型工艺参数，借助高能激光束在铜合金复合材料粉末表面扫略熔化/凝固成形La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷原位增强铜合金，高能激光束较小，能够使合金快速熔化/凝固，在铜合金凝固过程中，组织得到显著细化；另一方面，原位形成的稀土氧化物La2O3化学稳定性高，能降低熔体表面张力，避免晶粒的长大与粗化，同时增加铜合金凝固过程中的异相形核率，在激光成形工艺及La2O3自身物性的双重细化作用下，铜合金的显微组织得到细化，其硬度及耐磨性得到提高，增强了铜合金与双相氧化物陶瓷增强相间的润湿性能，有效避免摩擦过程中因界面强度弱而造成磨损加剧，通过Al2O3陶瓷与La2O3的耐磨减摩功能，提高了铜合金的耐磨性。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、能够增强铜合金与双相氧化物陶瓷增强相间的润湿性能，有效避免摩擦过程中因界面强度弱而造成磨损加剧；2、具有减磨功能的Al2O3陶瓷与减摩特性的La2O3稀土氧化物陶瓷的协同作用，显著改善铜合金的耐磨性；3、通过高能激光细化铜合金的显微组织，提高其硬度及耐磨性；4、以CuO为原料获得铜合金基体，能够避免纯铜对激光的高反射作用，提高了激光能量的高效利用，同时廉价的氧化铜为原料可降低铜合金的制造成本，提高工业产品的经济价值。
附图说明
图1是本发明金相显微组织图；
图2是本发明动态摩擦系数图。
具体实施方式
实施例1
(1)取865.81g硝酸镧与241.54g硝酸铜溶于去离子水中，硝酸镧与硝酸铜摩尔比为2：1，加入33.6g络合剂乙二胺四乙酸二钠，加入氨水将混合溶液至PH＝4，施加磁力搅拌至凝胶状，干燥后研磨成粉末，在850℃下煅烧2小时，获得La2CuO4粉末；
(2)在氩气保护气氛下，将405.31g的La2CuO4粉末与51.69g的铝粉、11.75g的氧化铜粉末采用高能球磨工艺球磨2小时，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在氩气与氢气流量比为99：1的复合保护气氛环境下，利用功率为200W、扫略速度为800mm/s、束斑直径50μm的高能激光束在复合材料粉末表面进行扫略加工，得到La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷原位增强铜合金。
图1为原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金显微组织图形貌图，可发现原位La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷相及铜合金基体界面结合较好，无明显冶金孔隙等缺陷。
实施例2
(1)取865.81g硝酸镧与362.31g硝酸铜溶于去离子水中，硝酸镧与硝酸铜摩尔比为2：1.5，加入40.34g络合剂乙二胺四乙酸二钠，加入氨水将混合溶液至PH＝4，施加磁力搅拌至凝胶状，干燥后研磨成粉末，在850℃下煅烧2.5小时，获得La2CuO4粉末；
(2)在氩气保护气氛下，将405.31g的La2CuO4粉末与89.17g的铝粉、20.26g的氧化铜粉末采用高能球磨工艺球磨2.5小时，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在氩气与氢气流量比为99：1的复合保护气氛环境下，利用功率为250W、扫略速度为800mm/s、束斑直径50μm的高能激光束在复合材料粉末表面进行扫略加工，得到La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷原位增强铜合金。
图2为原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金动态摩擦系数图，可以看出其动态摩擦系数稳定在0.1～0.11间波动，其平均摩擦系数低于现有粉末冶金技术制造的单一La2O3增强铜合金的摩擦系数，其摩擦系数最优时为0.123。
实施例3
(1)取865.81g硝酸镧与362.31g硝酸铜溶于去离子水中，硝酸镧与硝酸铜摩尔比为2：1.5，加入40.34g络合剂乙二胺四乙酸二钠，加入氨水将混合溶液至PH＝4，施加磁力搅拌至凝胶状，干燥后研磨成粉末，在850℃下煅烧2.5小时，获得La2CuO4粉末；
(2)在氩气保护气氛下，将405.31g的La2CuO4粉末与178.33g的铝粉、40.53g的氧化铜粉末采用高能球磨工艺球磨3小时，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在氩气与氢气流量比为97：3的复合保护气氛环境下，利用功率为250W、扫略速度为1200mm/s、束斑直径60μm的高能激光束在复合材料粉末表面进行扫略加工，得到La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷原位增强铜合金。
实施例4
(1)取865.81g硝酸镧与483.09g硝酸铜溶于去离子水中，硝酸镧与硝酸铜摩尔比为2：2，加入43.7g络合剂乙二胺四乙酸二钠，加入氨水将混合溶液至PH＝4，施加磁力搅拌至凝胶状，干燥后研磨成粉末，在850℃下煅烧3小时，获得La2CuO4粉末；
(2)在氩气保护气氛下，将405.31g的La2CuO4粉末与891.68g的铝粉、202.65g的氧化铜粉末采用高能球磨工艺球磨4小时，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在氩气与氢气流量比为95：5的复合保护气氛环境下，利用功率为325W、扫略速度为1600mm/s、束斑直径80μm的高能激光束在复合材料粉末表面进行扫略加工，得到La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷原位增强铜合金。
经测试，实施例3和4制造的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金的磨损率在1.58～1.7×10-4mm3·N-1·m-1范围内，低于现有粉末冶金技术制造陶瓷增强铜合金的最优磨损率1.36×10-5mm3·min-1，说明本发明提供的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金的成形方法能实现有效提升铜合金的耐磨性能。

Claims (7)

1.一种原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，其特征在于，包括铜合金基体，所述铜合金基体内含有La2O3和Al2O3双相氧化物陶瓷，所述La2O3和Al2O3摩尔比为1：1～17；
所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金的制备方法包括以下步骤：
(1)取硝酸镧与硝酸铜溶于去离子水中，加入络合剂，加入氨水调节pH 为4～5，搅拌至凝胶状，干燥后研磨成粉末、煅烧，获得La2CuO4 粉末；
(2)在氩气保护气氛下，将La2CuO4 粉末与铝粉、氧化铜粉末采用高能球磨工艺球磨，获得混合均匀的复合材料粉末；
(3)在保护气氛环境下，利用高能激光束在复合材料粉末表面进行扫略加工，得到La2O3和Al2O3 原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金。
2.根据权利要求1所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，其特征在于，所述步骤1中硝酸镧与硝酸铜摩尔比为2：1～2。
3.根据权利要求1或2所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，其特征在于，所述步骤1中络合剂为乙二胺四乙酸二钠。
4.根据权利要求1所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，其特征在于，所述步骤1中煅烧温度为800～850℃。
5.根据权利要求1所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，其特征在于，所述步骤2中球磨时在氩气保护下进行球磨，La2CuO4粉末与铝粉、氧化铜粉末的质量比为2～34.5：4.4：1。
6.根据权利要求1所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，其特征在于，所述步骤3中保护气氛为氩气与氢气的混合气氛，氢气流量占总流量的1％～5％。
7.根据权利要求1所述的原位双相氧化物陶瓷减磨铜合金，其特征在于，所述步骤3中高能激光束功率为200～325W、扫略速度为800～1600mm/s、束斑直径50～80μm。
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Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

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Denomination of invention: An in-situ dual phase oxide ceramic anti-wear copper alloy and its preparation method

Granted publication date: 20220426

License type: Common License

Record date: 20221213

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