專利名稱：利用機(jī)械合金化制備(TiB₂+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化 銅基復(fù)合材料的方法，可用于電力產(chǎn)業(yè)、國防工業(yè)、集成電路、焊接設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的 高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料的生產(chǎn)制備。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金是一類有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能材料，在眾多
工業(yè)領(lǐng)域中有著不可替代的作用，廣泛應(yīng)用于集成電路的引線框架口、各類點(diǎn)焊和滾焊機(jī)
的電極、大功率異步牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、電氣化鐵路接觸導(dǎo)線、熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)偏濾
器垂直靶散熱片等電力、電工、機(jī)械制造領(lǐng)域。但是，銅合金中的強(qiáng)度和導(dǎo)電性一直是一對
相矛盾的特性，此消彼漲，一般只能在犧牲電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的前提下改善銅的力學(xué)性能，以
獲得高的強(qiáng)度。如何解決這一矛盾，一直是高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金研究的關(guān)鍵課題。
目前獲得高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的途徑主要有兩種一是合金化途徑，即向銅中引入合
金元素以形成銅合金來進(jìn)行強(qiáng)化；二是復(fù)合化途徑，即向銅基體中引入第二強(qiáng)化相以形成
復(fù)合材料來進(jìn)行強(qiáng)化。 合金化法是在銅中添加合金元素，溶質(zhì)原子溶入晶格后會(huì)引起晶格點(diǎn)陣畸變，造 成應(yīng)力場，從而使強(qiáng)度提高。傳統(tǒng)的合金化法主要通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化等手段來強(qiáng)化 銅基體。根據(jù)合金固溶強(qiáng)化原理，銅合金中常用的固溶合金元素有Sn、Cd、Ag等。根據(jù)析出 強(qiáng)化原理，目前已開發(fā)的該類銅合金有Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Ti、Cu-Fe等。合金化法的優(yōu)點(diǎn)在 于技術(shù)較成熟、工藝簡單、成本較低，適宜規(guī)模化生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是晶體中畸變的點(diǎn)陣對運(yùn)動(dòng) 電子的散射作用相應(yīng)加劇，降低了導(dǎo)電性。 一般只能在犧牲電導(dǎo)率的前提下改善銅的力學(xué) 性能。合金化法制備的銅合金強(qiáng)度在350 650MPa之間，電導(dǎo)率一般不超過90% IACS，難 以滿足新一代電器件對性能的要求。 根據(jù)導(dǎo)電理論，第二相在銅基體中的引起的電子的散射作用比固溶原子在銅基體 中引起的散射作用弱得多，故復(fù)合強(qiáng)化不會(huì)引起銅基體導(dǎo)電性的明顯降低，且增強(qiáng)相還能 改善基體的機(jī)械性能，成為獲得高強(qiáng)度高導(dǎo)電性銅合金的主要手段。研究資料表明，利用材 料復(fù)合化制備的Cu-Ta、 Cu-Nd等復(fù)合材料強(qiáng)度大于1400MPa，導(dǎo)電率達(dá)90% IACS以上，并 已得到工程應(yīng)用。復(fù)合化途徑根據(jù)強(qiáng)化相引入方式的不同可以分為人工復(fù)合法和原位復(fù)合 法。 人工復(fù)合法通過人為地向銅中加入第二相的晶須或纖維對銅基體進(jìn)行強(qiáng)化，或依 靠強(qiáng)化相本身來增大材料強(qiáng)度的方法，例如氧化強(qiáng)化法、機(jī)械合金化法以及碳纖維復(fù)合法 等。人工復(fù)合法的特點(diǎn)是部分方法比較成熟，其產(chǎn)品已獲得工程應(yīng)用，但工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成 本高。原位復(fù)合法是向銅中加入一定量合金元素，通過一定工藝，使銅內(nèi)部原位生成增強(qiáng) 相，而不是加工前就存在增強(qiáng)體與基體銅兩種材料，包括塑性變形復(fù)合法、原位反應(yīng)復(fù)合法 和原位生長復(fù)合法。對比人工復(fù)合法，原位復(fù)合法所獲得的產(chǎn)品中基體和第二相界面相容性更好，制備工藝步驟減少，生產(chǎn)成本降低。 二硼化鈦(TiB2)具有高熔點(diǎn)、低密度、優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)電陶 瓷材料、復(fù)合陶瓷材料等領(lǐng)域被廣泛使用。碳化鈦(TiC)是一種FCC結(jié)構(gòu)的間隙化合物，具 有高硬度、高熔點(diǎn)、低電阻率等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于粉末冶金等領(lǐng)域。在Al、Fe、Cu等金屬 材料中添加TiB2和TiC，可以充分發(fā)揮金屬基體和TiB2和TiC增強(qiáng)相各自的優(yōu)勢，獲得高 性能的金屬基復(fù)合材料。傳統(tǒng)的(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料制備需要先分別得 到TiB2和TiC超細(xì)粉體，然后通過一定的方法把TiB2和TiC分散到Cu基體中。但TiB2和 TiC超細(xì)粉體的制備工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的制備工序 較多，生產(chǎn)成本較高。 高能球磨(high-energy ball milling)原位反應(yīng)機(jī)械合金化法是利用機(jī)械能來 誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)或誘導(dǎo)材料組織、結(jié)構(gòu)和性能的變化，已成為制備超細(xì)材料和新型復(fù)合材料 的一種重要途徑。作為一種新技術(shù)，高能球磨機(jī)械合金化法具有明顯降低反應(yīng)活化能、細(xì)化 晶粒、極大提高粉末活性和改善顆粒分布均勻性及增強(qiáng)體與基體之間界面的結(jié)合，促進(jìn)固 態(tài)離子擴(kuò)散，誘發(fā)低溫化學(xué)反應(yīng)，從而提高了材料的密實(shí)度、電、熱學(xué)等性能，是一種節(jié)能、 高效的材料制備技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù) 合材料的方法，縮短工藝路線，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 本發(fā)明制備碳化鈦彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的技術(shù)方案是以粒度均小于100目， 純度均大于99X的Cu粉、Ti粉和B4C粉為原料，先將Ti粉和B4C粉按3 : 1 (mole)的比例
進(jìn)行均勻混合，把球料比為io : i ioo : i的鋼球和混合粉末在充滿氬氣的手套箱中放
入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的10 50% ;在室溫下以1000 2000轉(zhuǎn)/ 分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行高能球磨2 20小時(shí)；然后，在手套箱中向球磨后的混合粉末中添加一定比 例的Cu粉，使Ti+B4C粉與Cu粉的質(zhì)量比為1 : 99 20 : 80 ;把添加了 Cu粉后的新混 合粉末在室溫下以1000 2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行高能球磨2 10小時(shí)；將球磨后的Cu、 Ti、B4C混合粉末冷壓成圓柱體；最后在800 IOO(TC溫度下的氬氣保護(hù)氣氛電阻爐中燒結(jié) 1 3小時(shí)，得到平均粒徑為5 10ym的(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料。
本發(fā)明系簡單的高能球磨合金化方法，制備過程中不加過程控制劑，使純Cu粉、 Ti粉和B4C粉反應(yīng)合成制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料，具有工藝簡單、生產(chǎn)成 本低、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明通過對球磨工藝參數(shù)的控制，利用純Cu粉、Ti粉 和B^粉在室溫下反應(yīng)合成制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，縮短工藝路線，降低生 產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的大規(guī)模廣泛應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
下面以實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于此。
實(shí)施例1 :以粒度均為150目，純度均為99. 9%的Cu粉、Ti粉和B4C粉為原料， 將Ti粉和B4C粉按3 : l摩爾(mole)的進(jìn)行均勻混合；把球料比為20 : 1的鋼球和混合 粉末在充滿氬氣的手套箱中放入高能球磨機(jī)球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的CN 101775513 A
說明書
3/3頁
15% ;在室溫下以1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對球料混合物進(jìn)行6小時(shí)高能球磨；在氬氣氣氛的手
套箱中向球磨罐中添加一定量的Cu粉，使Ti粉+C粉與Cu粉之間的質(zhì)量比達(dá)到5 : 95; 將添加了 Cu粉的混合粉末繼續(xù)以1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速高能球磨3小時(shí)；取出粉末后冷壓成 圓柱體；在80(TC溫度下的氬氣氣氛電阻爐中燒結(jié)3小時(shí)，得到平均粒徑為9. 5ym左右的 (TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。 實(shí)施例2 :以粒度均為200目，純度均為99. 9%的Cu粉、Ti粉和B4C粉為原料，將 Ti粉和B^粉按3 : l(mole)的進(jìn)行均勻混合；把球料比為40 : 1的鋼球和混合粉末在充 滿氬氣的手套箱中放入高能球磨機(jī)球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的25% ;在 室溫下以1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對球料混合物進(jìn)行12小時(shí)高能球磨；在氬氣氣氛的手套箱中 向球磨罐中添加一定量的Cu粉，使Ti粉+B4C粉與Cu粉之間的質(zhì)量比達(dá)到15 : 85 ;將添加 了 Cu粉的混合粉末繼續(xù)以1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速高能球磨6小時(shí)；取出粉末后冷壓成圓柱體； 在90(TC溫度下的氬氣氣氛電阻爐中燒結(jié)2小時(shí)，得到平均粒徑為7 i！ m左右的(TiB2+TiC) 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。 實(shí)施例3 :以粒度均為300目，純度均為99. 9 %的Cu粉、Ti粉和B4C粉為原料，將 Ti粉和B4C粉按3 : l(mole)的進(jìn)行均勻混合；把球料比為80 : 1的鋼球和混合粉末在 充滿氬氣的手套箱中放入高能球磨機(jī)球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的35% ; 在室溫下以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對球料混合物進(jìn)行18小時(shí)高能球磨；在氬氣氣氛的手套箱 中向球磨罐中添加一定量的Cu粉，使Ti粉+B4C粉與Cu粉之間的質(zhì)量比達(dá)到20 : 80 ;將 添加了 Cu粉的混合粉末繼續(xù)以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速高能球磨9小時(shí)；取出粉末后冷壓成圓 柱體；在IOO(TC溫度下的氬氣氣氛電阻爐中燒結(jié)1小時(shí)，得到平均粒徑為5. 5ym左右的 (TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
一種利用機(jī)械合金化制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的方法，其特征在于含有以下步驟以粒度均小于100目，純度均大于99％的Cu粉、Ti粉和B4C粉為原料，先將Ti粉和B4C粉按3∶1摩爾比例進(jìn)行均勻混合，把球料比為10∶1～100∶1的鋼球和混合粉末在充滿氬氣的手套箱中放入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的10～50％；在室溫下以1000～2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行高能球磨2～20小時(shí)；然后，在手套箱中向球磨后的混合粉末中添加Cu粉，使Ti+B4C粉與Cu粉的質(zhì)量比為1∶99～20∶80；把添加了Cu粉后的新混合粉末在室溫下以1000～2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行高能球磨2～10小時(shí)；再將球磨后的Cu、Ti、B4C混合粉末冷壓成圓柱體；最后在氬氣保護(hù)氣氛電阻爐中燒結(jié)1～3小時(shí)，得到(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用機(jī)械合金化制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材 料的方法，其特征在于所述的氬氣保護(hù)氣氛電阻爐中的燒結(jié)溫度為800 IOO(TC。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用機(jī)械合金化制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材 料的方法，其特征在于所述的(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料的強(qiáng)化顆粒平均粒徑 為5 10 ti m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用機(jī)械合金化制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的方法以粒度均小于100目，純度均大于99％的Cu粉、Ti粉和B4C粉為原料，先將Ti粉和B4C粉按3∶1(mole)混合后在室溫下高能球磨2～20小時(shí)；然后向球磨后的混合粉末中添加一定比例的Cu粉，使Ti+B4C粉與Cu粉的質(zhì)量比為1∶99～20∶80；把添加了Cu粉后的新混合粉末在室溫下繼續(xù)進(jìn)行高能球磨2～10小時(shí)；將球磨后的混合粉末冷壓成型；最后將壓坯在800～1000℃溫度下的氬氣保護(hù)氣氛電阻爐中燒結(jié)1～3小時(shí)，得到平均粒徑為5～10μm的TiB2+TiC彌散強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料。本發(fā)明采用簡單的高能球磨機(jī)械合金化方法，使純Cu粉、Ti粉和B4C粉合成制備(TiB2+TiC)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C1/05GK101775513SQ200910095179
公開日2010年7月14日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者朱心昆, 李才巨, 趙昆渝, 陳鐵力, 陶靜梅 申請人:昆明理工大學(xué)