CN113913644B - 一种铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型铜基复合材料及其制备方法，属于金属及其复合材料领域，包括以下质量百分比的组分：B4C为10～20％，hBN为5~10%，其余的为铜。所述制备方法为：首先称取三种粉体：Cu粉、B4C粉和hBN粉，按照预设的配比，先球磨2~5h，再把混合粉体填充到耐热钢制模具中，然后将模具放到真空热压烧结炉内进行热压烧结成型，烧结完成后随炉降温至室温，得到新型铜基复合材料。本发明工艺过程简单可控，所制备的新型铜基复合材料的综合性能优异，可用于干摩擦、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领域，具体地，涉及一种新型铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
金属铜（Cu）具有导热性和导电性高、延展性好、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。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。然而，单一金属铜硬度和强度较低，已难以满足科技发展需求。在此背景下，多种多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，比如无油脂润滑摩擦、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，如强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、抗核辐射、低摩擦系数等，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。
中国专利CN201910703198.2公开一种铜基复合材料及其制备方法，包含的组分为W为3～18％，B4C为0.5~5%，其余的为铜。该专利引入W和B4C使铜材料具有高耐磨、高耐辐射等性能，但该材料不具有自润滑性。众所周知，摩擦、磨损、润滑是材料失效的三大形式，仅仅保证材料的耐磨性在有些工况下是不够的，如在需要减摩和润滑的工况，怎么保证材料同时具有高耐磨性和自润滑性，是一项科技工作者需要面临的新挑战。
与此同时，中国专利CN201810034091.9公开一种更耐磨的新型铜基自润滑复合材料，指出“当样品不含hBN时，摩擦系数相对较大，且在摩擦过程中摩擦系数发生较大的波动。加入hBN后，样品的摩擦系数显著下降”、“当铜基自润滑复合材料作为摩擦材料时，hBN在摩擦表面的剪力作用下形成一层固体润滑膜，其润滑机理类似于石墨薄膜改善材料的摩擦性能”。该专利同时也指出“添加hBN作为固体润滑剂可以改善锡青铜的摩擦学性能，但它也会降低锡青铜的耐磨性。因此，hBN在锡青铜中的质量分数应控制在1.5~2.5%”。可见，该专利知晓hBN可以改善铜材料的摩擦学性能，但为了防止hBN对铜材料耐磨性的负面影响，仅仅采用控制hBN含量的方法，是有局限性的。
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新型铜基复合材料，目的二在于提供所述新型铜基复合材料的制备方法。本发明将同为含硼物质的B4C和hBN协同引入到铜基体中，通过限定各组分的含量，同时保证了铜材料的高耐磨性和充分的自润滑性；采用本发明所述制备方法，经特定条件下的烧结，使B4C和hBN可相互交织，实现铜材料的高致密化。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：
一种新型铜基复合材料，包含的组分及其质量百分比分别为：B4C为10～20％，hBN为5~10%，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、B4C粉和hBN粉为原料，重量比控制在（70~85）：（10~20）：（5~10），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，在真空保护下球磨2~5h，得混合粉体；将所述混合粉体取出填充到耐热钢制模具中；
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1035~1050℃，烧结压力为45~50MPa，保温、保压时间1~2h，真空度10-5~10-7Pa，烧结完成后随炉降温至室温，得到一种新型铜基复合材料。
作为对上述方案的进一步优化，步骤一所述的Cu粉、B4C粉和hBN粉的纯度均大于99.9%。
作为对上述方案的进一步优化，步骤一所述的Cu粉、B4C粉和hBN粉的粒度均≤500nm。
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10-2Pa。
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70℃~75℃/min。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明制备的新型铜基复合材料的工艺过程简单，生产周期短；所制备的新型铜基复合材料主要综合性能指标优异（最高致密度达99.95%，最高抗拉强度达450MPa，最高硬度达86HBW）。可以用于干摩擦、磨损、腐蚀和核辐射交互作用的苛刻工况。
2、致密度是影响材料性能的重要指标，在铜基体中同时引入hBN和B4C，由于hBN的层片状结构以及B4C较高的共价键，面临的首要问题是如何制备出高致密的铜基复合材料，而实践证明采用普通的烧结手段是行不通的。本发明经深入钻研粉末冶金相关原理和大量试验，发现在半熔态（温度1035~1050℃）、高真空（真空度≥10-5Pa）、高压力（烧结压力≥45MPa）的综合烧结条件下，B4C和hBN可相互交织，从而实现铜材料的高致密化，进而获得高性能铜材料。
3、B4C具有高强度、高硬度、耐腐蚀、中子吸收截面大等特性，而hBN是一种优异的固体润滑剂，同时具有耐腐蚀、吸收中子等特性。B4C和hBN同为含硼物质，在性能上可形成协同作用。hBN含量充足时，会形成明显的自润滑性能，含量较低时的润滑性能有限。因此，为了充分发挥hBN的润滑性能并保证其耐磨性，需采取更有效的措施。本发明将特定含量的B4C和hBN协同引入到Cu基体中，并采用本发明所述的成形方法，获得兼具高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐核辐射和良好自润滑性等优异综合性能的新型铜基复合材料。
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99.99%和50nm）、B4C粉（纯度和粒度分别为99.96%和20nm）和hBN粉（纯度和粒度分别为99.98%和10nm）为原料，重量比控制在70：20：10，采用天平精确称重后，装入陶瓷球磨罐，抽真空，最终真空度为10-2Pa；
(2) 将球磨罐放入球磨机进行球磨，球磨时间5h，将混合粉体取出填充到耐热钢制模具中；
(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1050℃，升温速度为75℃/min，烧结压力50MPa，保温、保压时间2h，真空度10-7Pa，烧结完成后随炉降温冷却，得到新型铜基复合材料。对其进行性能测试，电导率达致密度达99.95%，抗拉强度达450MPa，硬度为86HBW。
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500nm，B4C粉粒度70nm，hBN粉粒度80nm，重量比控制在85：10：5；
(2) 球磨时间2h；
(3) 热压烧结温度为1035℃，升温速度为70℃/min，烧结压力45MPa，保温、保压时间1h，真空度10-5Pa，所得到的新型铜基复合材料，致密度达99.12%，抗拉强度358MPa，硬度为75HBW。
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300nm，B4C粉粒度500nm，hBN粉粒度500nm，重量比控制在79：15：6；
(2) 球磨时间4.5h；
(3) 热压烧结温度为1040℃，升温速度为72℃/min，烧结压力47MPa，保温、保压时间1.8h，真空度10-6Pa，所得到的铜基复合材料，致密度达99.53%，抗拉强度达379MPa，硬度为78HBW。
本发明采用的B4C具有高强度、高硬度、耐腐蚀、中子吸收截面大等特性，而hBN是一种优异的固体润滑剂，同时具有耐腐蚀、吸收中子等特性，若将B4C和hBN协同引入到Cu基体中，并采用合适的成形方法，一方面有望获得兼具高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐核辐射和良好自润滑性等优异综合性能的新型铜基复合材料，目前，这种材料尚未见相关报道。另一方面，B4C和hBN同为含硼物质，在性能上可形成协同作用，如中子吸收能力大幅提高。
hBN含量充足时，才会形成明显的自润滑性能，含量较低时的润滑性能有限。因此，为了充分发挥hBN的润滑性能并保证其耐磨性，需采取更有效的措施。若在铜基体中添加高含量hBN的同时，添加一定含量高耐磨性粒子，如具有自然界第三硬度的B4C，两者可实现协同化，进而同时保证铜材料的高耐磨性和充分的自润滑性。
采用本发明制备新型铜基复合材料，生产周期短且工艺较简单，制备的新型铜基复合材料综合性能优异，可用于干摩擦、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。
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 (5)

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：B4C为10～20％，hBN为5~10%，其余的为铜；
所述铜基复合材料采用以下方法制备，所述方法包括以下步骤：
步骤一、称取Cu粉、B4C粉和hBN粉为原料，重量比控制在（70~85）：（10~20）：（5~10），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，在真空保护下球磨2~5h，得混合粉体；将所述混合粉体取出填充到耐热钢制模具中；
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1035~1050℃，烧结压力为45~50MPa，保温、保压时间1~2h，真空度10-5~10-7Pa，烧结完成后随炉降温至室温，得到一种铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜基复合材料，其特征在于：步骤一所述的Cu粉、B4C粉和hBN粉的纯度均大于99.9%。
3.根据权利要求1所述的一种铜基复合材料，其特征在于：步骤一所述的Cu粉、B4C粉和hBN粉的粒度均≤500nm。
4.根据权利要求1所述的一种铜基复合材料，其特征在于：步骤二真空球磨的真空度为10-2Pa。
5.根据权利要求1所述的一种铜基复合材料，其特征在于：步骤三所述热压烧结的升温速度为70℃~75℃/min。
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