CN1236084C

CN1236084C - 铜铬－氮化铝复合材料的制备方法

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Publication number: CN1236084C
Application number: CN 200310111107
Authority: CN
Inventors: 周晓龙; 陈敬超; 曹建春; 杜焰; 甘国友; 黎敬涛
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: CN1546698A

Abstract

一种铜铬-氮化铝复合材料的制备方法，以铜粉、铝粉或铜铝合金粉为原料，添加锆、镁粉为性能调整元素，以铬的氮化物为反应剂，控制烧结反应工艺条件使氮化物的反应合成与材料烧结一次完成，铜基体与氮化物颗粒所形成的界面新鲜，结合牢固，铬弥散分布于基体中，获得综合性能高，成本低的高强度、高导电率铜铬-氮化铝复合材料。本发明中合金元素与陶瓷增强相－氮化铝同时对基体铜进行强化，并通过控制工艺条件使得部份合金元素固熔到铜基体中，进一步提高铜基材料的强度。可根据材料使用条件不同调整原料配方，制备不同氮化铝含量的高强度、高导电性铜基材料。

Description

铜铬-氮化铝复合材料的制备方法

(一)技术领域：金属基复合材料领域

(二)背景技术：铜基复合材料的强化主要是采用引入合金元素强化(如铬)和引入第二强化相(陶瓷相)形成复合材料。对于将两种强化方式同时引入铜基材料中的研究，目前未见报道。公知的铜基高强度、高导电材料的制备方法有以下几种：

1.粉末冶金法：传统的粉末冶金法制备铜基材料是将铜粉和金属粉或增强相粉末充分混合，混合粉末再经过压制成形、烧结、复压复烧、挤压拉拔或轧制工艺制备铜基材料；

2.复合铸造法：是指将合金元素或通过第二强化相与铜一起熔化或先熔化铜，再将第二相加入铜液中，然后剧烈搅拌熔体至半凝固态时注入铸模，最后通过挤压拉拔或轧制工艺制备制成铜基复合材料；

3.机械合金化法：该方法是将铜粉、金属或合金粉或陶瓷粉末按一定比例配置成原料后，在高能球磨机上反复研磨，使铜基体和第二相变形、粉碎、粘合和均匀化，然后将混合粉经过压制成形、烧结、复压复烧、挤压拉拔或轧制工艺制备铜基材料；

4.包覆成型法或包套法：该法是将纤维金属或合金嵌入铜管中，经过多次挤压、拉拔复合来制备铜基材料；

5.内部自生法：该方法可分为原位反应合成法和原位形变复合法，都是通过在基体内部生成需要的增强组织，然后通过机械加工来制备铜基材料。

公知的高强度、高导电率铜基材料的制备技术中，粉末冶金法工艺比较复杂，粉末界面易污染、界面结合差；复合铸造法容易在搅拌的过程中吸气，造成产品中气孔多，性能下降；机械合金化法生产控制较困难，工艺流程长，工艺复杂；包覆成型法或包套法不能很好的解决层与层间的界面问题，界面结合力差，在加工过程中容易断芯；

内部自生法虽然很好的解决了界面结合的问题，但存在增强相均匀分布和粗化的问题。并且公知的高强度、高导电率铜基复合材料一般不是合金强化就是陶瓷相强化，将二者结合起来的报道很少；以氮化铝陶瓷为增强相的高强度、高导电材料铜基材料目前没见报道。

(三)发明内容

本发明的目的是针对公知技术存在的不足而研制成功的一种新方法。该方法以铜粉、铝粉或铜铝合金粉末为原料，添加少量的锆、镁元素为性能调整元素，以氮化铬粉为反应剂，控制烧结反应工艺条件使得氮化物的反应合成与材料烧结一次完成，铜基体与氮化物颗粒所形成的界面新鲜、结合牢固，铬弥散分布于基体中，获得了综合性能高、成本低的高强度、高导电率铜铬-氮化铝复合材料。

本发明是通过下面的技术方案实现的。

原料经配料后在混料机中混合均匀，并用钢模双向压制或冷等静压成形制成素坯，然后将素坯送入气氛保护烧结炉中进行烧结反应，在铜基体中通过原料间的相互扩散发生固相反应生成氮化铝颗粒和弥散分布的铬粒子，成为烧结锭坯，使得铜基体、铬颗粒和氮化铝颗粒的结合界面新鲜无污染、结合牢固；烧结后的锭坯再经复压复烧后送挤压机直接挤出线杆；再对线杆进行拉拔加工，并进行热处理，制成铜铬-氮化铝丝材。

1、原料成分、粒度及其所占重量百分比

1)基料：铜粉、铝粉或铜铝合金粉；粉末粒度小于45微米。

2)反应物：氮化铬粉，粒度小于45微米；

3)添加元素：镁粉或锆粉，粉末粒度小于45微米。

基料加反应物构成原料，其中铝粉占0.6～10％，反应物占1～10％，余量为铜粉；添加元素占原料总重量的0.1～3％。

2、技术条件

1)混料时间：3-20小时；

2)素坯钢模双向压制：200-600Mpa；冷等静压成形压力：100-260MPa；

3)素坯烧结温度：200-900℃，时间：4-9小时；

4)烧结锭坯复压压力：300-650MPa；

5)烧结锭坯复烧温度：550-800℃，时间：2-12小时；

6)复压复烧坯挤压温度300-800℃。

7)热处理温度：500-1030℃，时间：3-14小时。

与公知技术相比所具有的优点及积极效果：

1.合金元素与陶瓷增强相(氮化铝)同时对基体铜进行强化，并通过工艺控制，使得部分合金元素(如铬)固熔到铜基体中，进一步提高铜基材料的强度；

2.氮化铝的生成与材料烧结一次完成，且氮化铝颗粒增强相原位生成，与铜基体所形成的界面新鲜、结合牢固，有利于材料综合性能的提高；

3.可以根据材料的使用条件不同，来调整原料的配比，制备不同氮化铝含量的高强度、高导电性铜基材料，拓宽材料的使用范围；

4.原料准备简单、工艺流程容易控制、产品成本低；而且在产品生产过程中，对环境无污染或少污染。

(四)具体实施方法：

实施例一

按0.7％的铝粉(重量百分比)、96％的铜粉(重量百分比)，3.3％的氮化铬粉(重量百分比)为原料，并加入原料总重量0.3％的锆粉，经过5小时混合后，在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力为250MPa；素坯经过550～600℃烧结，保温2小时后，升温到780～800℃，保温3小时烧结成为锭坯；锭坯以320MPa的压力复压，750～800℃、6小时复烧制成复压复烧坯，再将复压复烧坯按照400MPa的压力复压，550℃保温2小时复烧后，在400℃的温度条件下挤压成线杆，并拉拔成线(丝)材，再在600℃保温4小时的条件下进行热处理，获得强度为400～700Mpa，导电率为75～90％IACS的复合材料。

实施例二

按8％的铝粉(重量百分比)、73％的铜粉(重量百分比)，19％的氮化铬粉(重量百分比)为原料，并加原料总重量的1％的镁粉，经过16小时混合，在钢模中双向压制成形成为素坯，素坯成形压力450MPa；素坯经过250～300℃烧结、2小时保温后，升温到450～500℃、2小时保温，再升温到850～900℃、3小时保温烧结成为锭坯，锭坯以450MPa复压，750℃、保温4小进行复烧，并以上述复压复烧工艺条件再复压复烧两次，然后将复压复烧坯在500℃挤压成线杆，并拉拔成线(丝)材，再在820℃，保温8小时的条件下进行热处理，获得强度为500～800Mpa，导电率为70～90％IACS的复合材料。

实施例三

按铜铝合金粉为14.9％(其中铝的重量百分比含量为铜铝合金粉末的66.8％)，铜粉为60.7％(重量百分比)，氮化铬为24.4％(重量百分比)为原料，并加原料总重量的1％的锆粉和2％的镁粉；经过18小时混合，冷等静压成形成为素坯，素坯成形压力250MPa；素坯经过300～400℃烧结、4小时保温后，升温到900℃、保温4小时烧结成为锭坯，锭坯以550MPa复压，800℃、2小时复烧后，再以600Mpa、700℃、保温3小时进行二次复压复烧，然后将复压复烧坯在550℃挤压成线杆，并拉拔成线(丝)材，最后在1000℃，保温12小时的条件下进行热处理，获得强度为500～800Mpa，导电率为70～90％IACS[国际退火(软)铜标准]。

一种铜铬一氮化铝复合材料的制备方法，以铜粉、铝粉或铜铝合金粉为原料，添加锆、镁粉为性能调整元素，以铬的氮化物为反应剂，控制烧结反应工艺条件使氮化物的反应合成与材料烧结一次完成，铜基体与氮化物颗粒所形成的界面新鲜，结合牢固，铬弥散分布于基体中，获得综合性能高，成本低的高强度、高导电率铜铬一氮化铝复合材料。本发明中合金元素与陶瓷增强相一氮化铝同时对基体铜进行强化，并通过控制工艺条件使得部份合金元素固熔到铜基体中，进一步提高铜基材料的强度。可根据材料使用条件不同调整原料配方，制备不同氮化铝含量的高强度、高导电性铜基材料。

Claims

1、铜铬一氮化铝复合材料的制备方法，包括原料经配料后在混料机中混合均匀，用钢模双向压制或冷等静压成形制成素坯，素坯在气氛保护烧结炉中进行烧结反应，成为烧结锭坯，锭坯再经复压，复烧后送挤压机挤出线杆，再对线杆进行拉拔加工，并进行热处理制成成品，其特征在于：

1)原料成份、粒度及所占重量百分比

基料：铜粉、铝粉或铜铝合金粉，粒度小于45微米，

反应物：氮化铬粉，粒度小于45微米，

添加元素：镁粉、锆粉、粒度小于45微米，

基料加反应物构成原料，其中铝粉占0.6～10％，反应物占1-10％，余量为铜粉，添加元素占原料总重量的0.1～3％，

2)技术条件

混料时间3-20小时

素坯钢模双向压制压力200～600Mpa，冷等静压压力100～260Mpa，

素坯烧结温度200～900℃，时间4-9小时，

烧结锭坯复压压力300～650Mpa，

烧结锭坯复烧温度550～800℃，时间2-12小时，

复压复烧坯挤压温度300-800℃

热处理温度500-1030℃，时间3-14小时。

2、根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于：按0.7％的铝粉，96％的铜粉，3.3％的氮化铬粉配制原料，加入原料总重量0.3％的锆粉。

3、根据权利要求1或2所述的复合材料的制备方法，其特征在于；素坯经550～600℃烧结，保温2小时后，升温到780～800℃后再保温3小时烧成锭坯。

4、根据权利要求1所述的复合材料制备方法，其特征在于：按8％铝粉，73％的铜粉，19％的氮化铬粉配制原料，加入原料总重量的1％的镁粉。

5、根据权利要求1或4所述的复合材料的制备方法，其特征在于：素坯经250～300℃烧结，2小时保温后，升温到450～500℃，2小时保温，再升温到850～900℃，3小时保温后烧成锭坯。

6、根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于：按铜铝合金粉14.9％，铜粉60.7％，氮化铬粉24.4％配制原料，并加入原料总重量的1％的锆粉和2％的镁粉。

7、根据权利要求1或6所述的复合材料的制备方法，其特征在于：素坯经300～400℃温度烧结，保温4小时，再升温到900℃烧结，保温4小时烧结成锭坯。