[發明專利]液相燒結制備高熔點硬質材料顆粒彌散強化銅基復合材料的方法及電磁燒結裝置

有效

• 申請號: 201310017400.9
• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103451466A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 鐘云波;楊輝;李明杰;王懷;范麗君;周鵬偉;黃靖文
• 申請（專利權）人: 上海大學;江蘇瑞博豪泰金屬材料股份有限公司
• 主分類號: C22C9/00
• 分類號: C22C9/00;C22C1/05;B22F3/16;B22F3/10
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種金屬基復合材料制備工藝和設備，特別是一種銅基復合材料的粉末冶金制備方法及燒結裝置。

背景技術

銅及其合金是國民經濟建設中最重要的功能和結構材料之一，其優良的導電性和耐腐蝕性能使其能廣泛應用于通訊、電力、航空航天、交通、家居、自動化等眾多領域。然而銅合金的導電性和強度是一對矛盾的性質，為提高銅合金的強度往往要以犧牲銅合金的導電性為代價。如目前廣泛應用的銅鎂、銅錫、銅鉻、銅鐵磷等合金，雖然其強度較高，但其電導率往往只能達到純銅電導率的50-80%，如果使用此兼具導電功能的結構材料，往往存在巨大的電能損耗。因此，如何兼顧銅合金的強度和電導率，成為制備高強高導銅合金的瓶頸問題。從合金化角度而言，由于絕大多數合金元素的電導率均顯著低于銅的電導率，因此為提高銅合金強度而加入的合金元素不可避免地會顯著降低銅合金的電導率，因此，為確保銅合金的高電導率和強度，基于奧羅萬機制(Orowan)的沉淀強化機制而往銅合金中添加微細的第二相陶瓷粒子(氧化鋁、碳化硅、硼化鈦等)的方法，由于復合形變強化效應，在獲得高強度的同時，能使銅合金的電導率達到90%IACS以上，從而可以實現銅合金的高強度和高電導率兼顧的目標。

目前應用最為廣泛的的第二相粒子沉淀強化銅合金為氧化鋁彌散強化銅合金。因為氧化鋁彌散強化銅合金具有優良的綜合物理力學性能，具有比較高的比強度、比模量，良好的導電性、導熱性、耐磨性、耐高溫性能，低的熱膨脹系數，高的尺寸穩定性等綜合性能，其軟化溫度可達930℃，電導率可達54MS/m(92.4%IACS)，抗拉強度可達540MPa以上，因此可以應用于集成電路的引線框架，各種點焊、滾焊機的電極、觸頭材料，電樞的換向器，大型高速渦流發電機的轉子線，大型電氣機車的架空導線等要求的高導電率、高強度的元器件等。

對于氧化鋁彌散銅合金而言，如何將微細的氧化鋁顆粒彌散分布于銅基體是制備這種高強高導銅合金的重點所在。目前制備氧化鋁彌散強化銅合金的方法主要有：攪拌鑄造法、熱還原生成法、硫酸鋁分解法、RAD法、內氧化法、復合電沉積法、機械合金法以及粉末冶金法等。攪拌鑄造法是制造氧化鋁彌散銅合金最早的方法，但由于Cu和Al₂O₃顆粒的潤濕性較差，如何將微細的氧化鋁顆粒彌散分布于銅熔體中，同時還要克服氧化鋁顆粒的分散不均勻以及克服巨大的密度差導致氧化鋁顆粒的上浮團聚是該方法一直無法解決的問題。熱還原生成法是選用Cu-Al合金粉末、Cu₂O粉制成粉末壓坯，然后將壓坯在熔銅溫度下壓入到銅合金中，反應所生成的顆粒物質在電磁攪拌力的作用下分布于Cu液中。因為Al與O的親和力比Cu與O的親和力大得多，因此Cu₂O能很快的將Al氧化而本身被還原。但是此法難以控制粉末壓坯在銅液中的均勻擴散，造成反應生成的增強顆粒彌散不均勻，影響材料的性能。硫酸鋁分解法通過向銅液中加入預處理過的Al₂(SO₄)₃粉體，Al₂(SO₄)₃受熱分解生成Al₂O₃，從而制備Cu-Al₂O₃復合材料，此法的缺點是反應物Al₂(SO₄)₃密度小從而加入困難，且制得的復合材料性能不穩定。RAD法是在噴射過程中用含O₂的N₂進行氣氛保護，利用N₂中的O₂使Al擇優氧化反應生成Al₂O₃增強顆粒，在基底上沉積冷卻后形成Cu-Al₂O₃復合材料，該法設備昂貴，工藝復雜，不適合工業化生產。內氧化法是將鋁加入到銅熔體中形成銅鋁合金，用高壓氮氣霧化熔體，從而制得銅鋁合金粉末,將粉末與氧化劑(細的氧化銅粉)相混合后加熱到高溫,銅氧化物分解,同時生成的氧擴散到銅鋁固溶合金中,鋁比銅易生成氧化物,合金中的鋁被優先氧化生成Al₂O₃，在全部鋁都被氧化后,在氫或分解氨氣氛下將粉末加熱,去除粉末中的過量氧,最終制得彌散強化的銅粉。將該種方法制備彌散氧化銅粉采用熱等靜壓的方法壓制成型，或進行軋制成型，即可獲得彌散氧化鋁增強的高強高導銅合金。該方法的不足之處在于工序繁多，成本高，無法生產大型或者長尺寸的合金材料。復合電沉積法是近20年來發展起來的新方法，通過將鍍液中的氧化鋁與基體金屬銅或合金共沉積到陰極表面形成復合鍍層，從而大大改善材料的性能。復合電沉積法制備工藝簡單，但氧化鋁顆粒在鍍液中均勻懸浮不易控制，無法使氧化鋁均勻彌散到銅中，且制備成本較高，無法大規模生產。機械合金化法采用高能球磨機使Cu粉與Al₂O₃均勻分布，但晶粒尺寸比內氧化法的大，用此方法制得復合粉末在燒結過程中會出現增強相的偏聚和長大，從而影響復合材料的性能，此外，該方法不但制備成本高，而且同樣難以制備大尺寸的復合件。