CN113770365A - 一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料及其制备方法和应用，涉及铜合金粉末冶金和金属加工技术领域。本发明提供的复合材料包括钢芯以及包裹在所述钢芯外部的弥散强化铜合金。本发明将弥散强化铜合金优良高强、高导、抗高温软化等特性与钢芯力学性能、磁学特性有机的结合，形成优势互补，该复合材料将推动电机制造业中高端零部件的发展。

Description

一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料及其制备方法和 应用

技术领域

本发明涉及铜合金粉末冶金和金属加工技术领域，具体涉及一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

磁悬浮电机独特的结构和悬浮机理使得它在多种领域具有的技术和经济优势，是传统电机无法实现和取代的。在传统机械轴承支承的传动系统中，轴承的磨损使电子转子偏心，造成气隙不均、绕组发热及转子摆动，从而影响电机工作效率。同时，机械轴承的润滑剂、磨损的粉尘颗粒污染也会影响其在要求超净环境工艺中的发展。另外，机械轴承不能绝对密封，在特定场合使用受限。磁悬浮电机在运行中，使定转子完全脱离机械接触，改变了传统的支承状态，克服了机械轴承的缺陷，在运行中没有机械接触带来的摩擦噪声、磨损、粉尘，不需要润滑和维修，并且能够绝对密封。异步电机具有结构简单、气隙均匀、可靠性高、便于弱磁提速等特点，在工业及日常生活中应用最多，在此基础上研究无轴承异步电机优势明显，具有重要现实和长远意义。

磁悬浮异步电机转速上限只与转子材料有关，理论上讲，在理想的转子强度下，磁悬浮电机的转速可无限提高。作为传统电机的转子，40CrNiMoA是一种优质合金钢，它具有良好的淬透性；调质状态下，能在大截面上获得均匀配合良好的强度和韧性；较高的疲劳强度和较低的缺口敏感性；无明显的回火脆性，弹性模量稳定性好；抗氧化性能好，金相组织稳定。该钢主要是调质后用来制造截面较大的零件，如曲轴、轴、连杆、齿轮、螺栓及其他受力较大、形状复杂的零件；在低温回火后或等温淬火后可以当作超高强度钢使用。

弥散强化铜合金是将熔点高、硬度大、良好热稳定性及化学稳定性的陶瓷颗粒均匀弥散地分布于铜基体中而形成的一类铜合金材料。相比较于其他的强化方式，弥散强化的强化质点在高温下不发生溶解和长大，对位错运动和晶界迁移具有强烈的阻碍作用，显著地提高了材料的强度以及抗高温软化特性，同时质点对自由电子散射的影响作用较小，因此不会明显降低铜基体的电导率。弥散强化铜合金的应用非常广泛，涉及电子、机械、制造、工程应用、航空航天等领域。但是弥散强化铜合金的焊接性能差，是典型的抗粘连材料，与无氧铜、不锈钢、稀有金属的焊接效果不稳定。

如何开发一种功能结构一体化的复合材料，能够给磁悬浮异步电机带来更高的转速，且能将转子高速旋转引起的热量导出以降低对材料高温性能的要求，建立更为简单、廉价、有效的控制系统，为高速、超高速电机的发展提供有力平台，是目前研究的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的复合材料能够充分发挥弥散强化铜合金的高导电、高导热、高温强度优势以及钢芯的力学性能、磁学特性，满足磁悬浮异步电机的要求。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料，包括钢芯以及包裹在所述钢芯外部的弥散强化铜合金。

优选地，所述弥散强化铜合金为氧化铝弥散强化铜合金。

优选地，所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的直径为60～150mm；所述钢芯的直径为40～150mm；所述弥散强化铜合金的厚度为5～20mm。

本发明提供了上述技术方案所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的制备方法，包括以下步骤：

根据弥散强化铜合金的化学组成提供原料粉末；

根据弥散强化铜合金的尺寸在钢芯上设计装粉工装，将所述原料粉末装入所述装粉工装，得到合金生坯；

将所述合金生坯依次进行致密化处理和热等静压，得到弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料。

优选地，所述原料粉末包括Cu-Al合金粉和氧化剂；所述原料粉末的组成按照Al与O反应生成的Al₂O₃的比例进行计算，以过剩系数为0.8～1.3设计Cu-Al合金粉和氧化剂的配比。

优选地，将所述原料粉末装入所述装粉工装后，还包括：将所述原料粉末依次进行振动和脱气，得到合金生坯。

优选地，所述脱气的条件包括：真空度≤5×10^-3Pa，加热温度为450～600℃，保温时间为3～6h。

优选地，所述致密化处理的方法包括：将所述合金生坯进行真空包套，包套内真空度≤3×10^-2Pa。

优选地，所述热等静压的压力为100～150MPa；所述热等静压的温度为850～950℃；保温保压时间为2～4h。

本发明提供了上述技术方案所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料在磁悬浮异步电机中的应用。

本发明提供了一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料，包括钢芯以及包裹在所述钢芯外部的弥散强化铜合金。本发明将弥散强化铜合金优良高强、高导、抗高温软化等特性与钢芯力学性能、磁学特性有机的结合，形成优势互补，该复合材料将推动电机制造业中高端零部件的发展。

附图说明

图1为本发明实施例制备的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的结构示意图；其中1为钢芯，2为弥散强化铜合金。

具体实施方式

本发明提供了一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料，包括钢芯以及包裹在所述钢芯外部的弥散强化铜合金。

本发明提供的复合材料包括钢芯。在本发明中，所述钢芯优选包括40CrNiMoA钢或GH4169高温合金。在本发明中，所述钢芯的直径优选为40～150mm，更优选为60～120mm。

本发明提供的复合材料包括包裹在所述钢芯外部的弥散强化铜合金。在本发明中，所述弥散强化铜合金优选为氧化铝弥散强化铜合金；所述氧化铝弥散强化铜合金中Al₂O₃的质量含量优选为1.2～2.0％；余量为铜。在本发明中，所述弥散强化铜合金的厚度优选为5～20mm，更优选为10～15mm。在本发明的具体实施例中，所述弥散强化铜合金的抗拉强度≥530MPa，导电率≥78％IACS，导热率≥300W/mK，高温软化温度≥900℃。

在本发明中，所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的形状为棒材，所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的直径优选为60～150mm，更优选为80～120mm。

在本发明中，所述弥散强化铜合金与钢芯的界面无分层、无气泡、无夹杂。在本发明中，所述弥散强化铜合金与钢芯的界面结合强度优选大于300MPa，更优选为308～312MPa。

本发明还提供了上述技术方案所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的制备方法，包括以下步骤：

根据弥散强化铜合金的化学组成提供原料粉末；

根据弥散强化铜合金的尺寸在钢芯上设计装粉工装，将所述原料粉末装入所述装粉工装，得到合金生坯；

将所述合金生坯依次进行致密化处理和热等静压，得到弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料。

本发明根据弥散强化铜合金的化学组成提供原料粉末。在本发明中，所述原料粉末优选包括Cu-Al合金粉和氧化剂；所述原料粉末的组成优选按照Al与O反应生成的Al₂O₃的比例进行计算，以过剩系数为0.8～1.3设计Cu-Al合金粉和氧化剂的配比。在本发明中，所述过剩系数指的是氧化剂的过剩系数。在本发明的具体实施例中，首先确定Cu-Al合金粉中Al含量和氧化剂中O含量，通过Al₂O₃的原子比，来计算Cu-Al合金粉和氧化剂的重量百分比，最后乘以过剩系数，得到氧化剂的添加量。

在本发明中，所述Cu-Al合金粉优选采用水雾化或者氮气雾化制备得到；本发明采用上述方法制备Cu-Al合金粉，成本低、容易获得。在本发明中，所述Cu-Al合金粉的粒度优选小于100目。在本发明中，所述Cu-Al合金粉中铝含量优选为0.1～1.2wt％，更优选为0.6～0.8wt％；余量为铜。在本发明中，所述氧化剂优选为氧化亚铜。本发明对所述氧化亚铜的来源没有特殊要求，市售或者自制均可。

在本发明中，所述原料粉末的制备方法优选包括：将Cu-Al合金粉和氧化剂置入混料机中混合。在本发明中，所述混料机优选为双锥混料机或球磨机；所述混合的时间优选为4～10h。

得到原料粉末后，本发明根据弥散强化铜合金的尺寸在钢芯上设计装粉工装，将所述原料粉末装入所述装粉工装，得到合金生坯。在本发明中，所述装粉工装优选进行模块化设计，通过焊接组合成形；所述装粉工装优选设置有装粉口和排气管。在本发明的具体实施例中，所述装粉口优选为2～4个，保证装粉在钢芯周围均匀一致。本发明设置排气管方便后续排气、脱气处理。

在本发明中，所述装粉工装的材质优选为钢板，更优选为25#钢板；所述钢板的厚度优选为3～5mm。

在本发明中，所述原料粉末优选通过装粉口装入所述装粉工装。在本发明中，将所述原料粉末装入所述装粉工装后，优选还包括：将所述原料粉末依次进行振动和脱气，得到合金生坯。在本发明中，所述振动优选在振动机上进行；所述振动的时间优选为3～5min。本发明通过振动使松装密度均匀，最后厚度一致。在本发明中，所述脱气的方法优选包括：将所述装粉工装置入真空除气封装设备，先抽真空后加热，待真空封装工艺完成后将排气管焊接。在本发明中，所述脱气的条件优选包括：真空度≤5×10^-3Pa，加热温度为450～600℃，保温时间为3～6h。本发明优选将脱气后的原料粉末随炉冷却至室温。本发明通过脱气去除原料粉末吸附的气体和水分，有利于实现后续高质量致密化复合。

得到合金生坯后，本发明将所述合金生坯依次进行致密化处理和热等静压，得到弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料。在本发明中，所述致密化处理的方法优选为：将所述装粉工装进行抽真空，形成真空包套。在本发明中，所述真空包套内真空度≤3×10^-2Pa，更优选≤3×10^-3Pa。本发明通过致密化处理，能够使弥散强化铜合金致密化。

在本发明中，所述热等静压的压力优选为100～150MPa，更优选为120～140MPa；所述热等静压的温度优选为850～950℃，更优选为900～920℃；保温保压时间优选为2～4h，更优选为3h。在本发明中，优选先将致密化处理后的合金坯进行预压，再进行所述热等静压。在本发明中，所述预压的压力优选为40MPa。

本发明通过热等静压使弥散强化铜合金与钢芯一体化复合。

所述热等静压后，本发明优选去除装粉工装，然后精加工，得到弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料。

本发明通过内氧化法(铝原子和氧原子反应生成氧化铝，强化铜合金)和热等静压复合法获得弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料，该方法可在现有粉末冶金生产线实现，容易实现规模化生产，且生产流程短、工艺简单、生产效率高，产品性能及质量稳定。

本发明还提供了上述技术方案所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料在磁悬浮异步电机中的应用，优选作为磁悬浮异步电机的转子。在本发明中，当所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料作为磁悬浮异步电机的转子时，所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的结构示意图如图1所示，包括钢芯以及包裹在所述钢芯外部的弥散强化铜合金；所述钢芯包括依次同轴连接的小尺寸钢芯和大尺寸钢芯；所述小尺寸钢芯的直径D2优选为40～80mm；所述大尺寸钢芯的直径D1优选为φ60～120mm；所述小尺寸钢芯和大尺寸钢芯的轴向长度比L2：L1优选为1.6～2.0。在本发明中，所述弥散强化铜合金优选设置于所述小尺寸钢芯的外表面；所述弥散强化铜合金的一端优选与所述大尺寸钢芯相接触。在本发明中，所述弥散强化铜合金的厚度T优选为15mm；所述弥散强化铜合金的轴向长度L3优选为200mm。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

实施例1

按照图1所示制备弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料：

原料准备：采用粒度小于100目、水雾化制备的Cu-Al合金粉，Al含量为0.6wt％；氧化剂为市售氧化亚铜粉末；钢芯为40CrNiMoA钢，具体尺寸：D1：φ60mm，D2：φ40mm，L2：100mm，L1：60mm。

粉末混合：将所述Cu-Al合金粉与氧化剂按照Al与O反应生成的Al₂O₃的比例计算并过剩系数为0.8进行设计，按照设计称好两种原料粉末，置入双锥混料机混合4小时，得到原料粉末。

钢芯装粉工装设计及加工：根据最终零件氧化铝弥散强化铜合金尺寸和钢芯的结构特点设计装粉工装，装粉工装预留2个装粉口，预留1根排气管，采用25#钢板(厚度为3mm)进行加工，并通过冷焊机焊接在钢芯上。

装粉成型：将所述原料粉末通过装粉工装上预留的2个装粉口均匀填装入钢芯装粉工装，在振动机上振动3min。

工装排气封装：将钢芯装粉工装置入真空除气封装设备，先预抽真空≤5×10^-3Pa，装入电阻炉加热，加热温度为450℃，保温时间为3h，待真空封装工艺完成后将排气管焊接，然后随炉降至室温，得到合金生坯。

热等静压复合：将钢芯工装进行抽真空，形成真空包套，包套内真空度≤2×10^{- 2}Pa，然后置入热等静压机内，先预加40MPa压力，然后升温至850℃，最后压力升至120MPa，保温保压2h，进行氧化铝弥散强化铜合金致密化和一体化复合。

工装去除和精加工：将热等静压的复合材料去除表面工装的钢板，最后根据图纸要求精加工至成品，得到弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料。

本实施例制备的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的主要指标为：复合棒材直径为

芯部为钢材，厚度直径为

外缘为氧化铝弥散强化铜合金，厚度为5mm；氧化铝弥散强化铜合金与钢芯复合界面无分层、无气泡、无夹杂，界面结合强度：200℃时，屈服强度为308MPa。

实施例2

按照图1所示制备弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料：

原料准备：采用粒度小于100目、氮气雾化制备的Cu-Al合金粉，Al含量为0.8wt％；氧化剂为煅烧法制备的氧化亚铜粉末；钢芯为40CrNiMoA钢，具体尺寸：D1：φ120mm，D2：φ80mm，L2：200mm，L1：100mm。

粉末混合：将所述Cu-Al合金粉与氧化剂按照Al与O反应生成的Al₂O₃的比例计算并过剩系数为1.3进行设计，按照设计称好两种原料粉末，置入双锥混料机混合10小时，得到原料粉末。

钢芯装粉工装设计及加工：根据最终零件氧化铝弥散强化铜合金尺寸和钢芯的结构特点设计装粉工装，装粉工装预留4个装粉口，预留1根排气管，采用25#钢板(厚度为5mm)进行加工，并通过冷焊机焊接在钢芯上。

装粉成型：将所述原料粉末通过装粉工装上预留的4个装粉口均匀填装入钢芯装粉工装，在振动机上振动5min。

工装排气封装：将钢芯装粉工装置入真空除气封装设备，先预抽真空≤5×10^-3Pa，装入电阻炉加热，加热温度为600℃，保温时间为6h，待真空封装工艺完成后将排气管焊接，然后随炉降至室温，得到合金生坯。

热等静压复合：将钢芯工装进行抽真空，形成真空包套，包套内真空度≤3×10^{- 3}Pa，然后置入热等静压机内，先预加40MPa压力，然后升温至950℃，最后压力升至150MPa，保温保压4h，进行氧化铝弥散强化铜合金致密化和一体化复合。

工装去除和精加工：将热等静压的复合材料去除表面工装的钢板，最后根据图纸要求精加工至成品，得到弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料。

本实施例制备的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的主要指标为：复合棒材直径为

芯部为钢材，厚度直径为

外缘为氧化铝弥散强化铜合金，厚度为7mm；氧化铝弥散强化铜合金与钢芯复合界面无分层、无气泡、无夹杂，界面结合强度：200℃时，屈服强度为312MPa。

本发明提供的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料能够给磁悬浮异步电机带来更高的转速，且能将转子高速旋转引起的热量导出以降低对材料高温性能的要求，建立更为简单、廉价、有效的控制系统，为高速、超高速电机的发展提供有力平台。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料，其特征在于，包括钢芯以及包裹在所述钢芯外部的弥散强化铜合金。

2.根据权利要求1所述的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料，其特征在于，所述弥散强化铜合金为氧化铝弥散强化铜合金。

3.根据权利要求1所述的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料，其特征在于，所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的直径为60～150mm；所述钢芯的直径为40～150mm；所述弥散强化铜合金的厚度为5～20mm。

4.权利要求1～3任一项所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料的制备方法，包括以下步骤：

根据弥散强化铜合金的化学组成提供原料粉末；

根据弥散强化铜合金的尺寸在钢芯上设计装粉工装，将所述原料粉末装入所述装粉工装，得到合金生坯；

将所述合金生坯依次进行致密化处理和热等静压，得到弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述原料粉末包括Cu-Al合金粉和氧化剂；所述原料粉末的组成按照Al与O反应生成的Al₂O₃的比例进行计算，以过剩系数为0.8～1.3设计Cu-Al合金粉和氧化剂的配比。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将所述原料粉末装入所述装粉工装后，还包括：将所述原料粉末依次进行振动和脱气，得到合金生坯。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述脱气的条件包括：真空度≤5×10^-3Pa，加热温度为450～600℃，保温时间为3～6h。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述致密化处理的方法包括：将所述合金生坯进行真空包套，包套内真空度≤3×10^-2Pa。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热等静压的压力为100～150MPa；所述热等静压的温度为850～950℃；保温保压时间为2～4h。

10.权利要求1～3任一项所述弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料或权利要求4～9任一项所述制备方法制备得到的弥散强化铜合金与钢芯一体化复合材料在磁悬浮异步电机中的应用。

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