專利名稱：納米氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的復(fù)合電鑄制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基復(fù)合材料的制備方法，尤其涉及一種采用復(fù)合電鑄法來制備粒徑為納米級(jí)的氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，屬復(fù)合電鍍技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氧化鋁顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是一類具有優(yōu)異性能的功能結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，由于第二相顆粒的加入不但不會(huì)明顯降低銅基體的導(dǎo)電性，而且由于顆粒的強(qiáng)化作用還改善了基體銅的室溫及高溫性能，其被廣泛應(yīng)用于點(diǎn)焊電極、電動(dòng)機(jī)電刷、電觸頭等領(lǐng)域中。目前其制備方法很多，如內(nèi)氧化法、復(fù)合鑄造法、原位生成法、粉末冶金法、機(jī)械合金法等。這些制備方法有的需在高溫下進(jìn)行，有的需要控制氧氣的輸入量，操作溫度高且工藝參數(shù)控制難度大，金屬基體與增強(qiáng)體間也容易發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)、氧化反應(yīng)，導(dǎo)致金屬基體與增強(qiáng)體界面的結(jié)構(gòu)和性能變差，最終使得復(fù)合材料的性能下降。同時(shí)，在制備過程中，增強(qiáng)體在基體中的分布難達(dá)到需要的均勻程度，納米增強(qiáng)顆粒易發(fā)生團(tuán)聚，納米顆粒反而難以起到強(qiáng)化作用。此外，常規(guī)的復(fù)合電鍍法主要是進(jìn)行表面處理，大多數(shù)情況下僅是在零部件表面鍍敷一層復(fù)合材料，得到的厚度較薄，與塊狀材料相比，其應(yīng)用范圍較窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新的納米氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法——復(fù)合電鑄制備方法，在成本相對(duì)較低，操作溫度不高的情況下，制備納米顆粒分布均勻、整體厚度相對(duì)普通電鍍鍍層較大、具有強(qiáng)度高、延性大的銅基復(fù)合材料，可單獨(dú)被用作功能結(jié)構(gòu)材料。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是以復(fù)合電沉積原理為基礎(chǔ)，首先采用金屬磷銅板作為陽極材料，不銹鋼片作為陰極沉積體，選擇硫酸銅溶液作為電鑄鍍液，將納米氧化鋁顆粒放入共沉積促進(jìn)劑水溶液中浸潤并進(jìn)行超聲波攪拌和手動(dòng)攪拌，攪拌充分后將其倒入電鑄鍍液中，然后通直流電，同時(shí)采用攪拌器不斷攪拌電鑄鍍液，金屬銅離子與納米氧化鋁顆粒共同沉積在陰極母體上，最后將具有一定厚度的復(fù)合電鑄鍍層從陰極上剝離而得到整體納米氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。
本發(fā)明所使用的陽極材料為市售磷銅板(Cu為99％，P為0.16％)，電鑄鍍液選用硫酸銅電鑄鍍液，成分配制范圍為硫酸銅(CuSO4·5H2O)180～250g/L；硫酸(H2SO4)40～100g/L；納米氧化鋁粒子顆粒的粒徑從20nm至100nm，在電鑄鍍液中的添加量為5～100g/L；采用的共沉積促進(jìn)劑有兩種氟碳陽離子表面活性劑(在電鑄鍍液中的添加量為0.01～2.5g/L)或甲酰胺(在電鑄鍍液中的添加量為0.05～5ml/L)；直流電的大小采用電流密度表示，本發(fā)明的電流密度范圍為4～20A/dm2；攪拌器的攪拌頻率范圍為40～200轉(zhuǎn)/分鐘；電鑄鍍液的溫度范圍為15～55℃，電鑄時(shí)間20～40小時(shí)。
本發(fā)明復(fù)合電鑄在水溶液中進(jìn)行，溫度不超過90℃，而且只需在一般電鍍?cè)O(shè)備基礎(chǔ)上略加改造就可用作該復(fù)合電鑄設(shè)備，成本較低。另外通過調(diào)整工藝參數(shù)可有效控制納米氧化鋁粒子在銅基復(fù)合材料中的含量和分布均勻程度，使材料在較大范圍內(nèi)保持較好的物理及力學(xué)性能。本發(fā)明制備的銅基復(fù)合材料，其厚度從幾毫米到幾十毫米可調(diào)，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別可達(dá)到383MPa、255MPa，延伸率仍保持在28％，且氧化鋁粒子顆粒在銅基體中分布均勻、材料表面平整。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1工藝步驟采用的陽極材料為國產(chǎn)磷銅板，選用不銹鋼片作為陰極沉積體。在電鍍槽中配制硫酸銅電鑄鍍液，其成分為硫酸銅(CuSO4·5H2O)220g/L；硫酸(H2SO4)70g/L。氧化鋁顆粒粒徑為20nm，在電鑄鍍液中的添加量為35g/L。共沉積促進(jìn)劑選用甲酰胺，在電鑄鍍液中的添加量為1.5mL/L。選用的工藝參數(shù)陰極電流密度為8A/dm2；鍍液溫度為25℃；攪拌頻率為60轉(zhuǎn)/分鐘，電鑄時(shí)間30小時(shí)。
在氧化鋁顆粒加入電鑄鍍液中之前，先用蒸餾水與共沉積促進(jìn)劑混和溶解，再將氧化鋁顆粒放入其中進(jìn)行超聲波攪拌和手動(dòng)攪拌，以打碎團(tuán)聚的氧化鋁顆粒并使其在溶液中更加分散，之后一起倒入電鑄鍍液中，通直流電并采用攪拌器不斷攪拌電鑄鍍液，電鑄30小時(shí)后將具有一定厚度的鍍層從陰極不銹鋼片上剝離，最后得到整體納米氧化鋁顆粒彌散增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。
本實(shí)施例采用板式升降攪拌器，通過電機(jī)帶動(dòng)鉆有許多小孔的平板，使其在槽內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)使顆粒在鍍液中均勻懸浮分散。
本實(shí)施例所得氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料厚度為2.5毫米。經(jīng)X熒光光譜分析，氧化鋁顆粒含量為4.1％(質(zhì)量百分比)，材料的顯微硬度HV為138，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為383MPa、255MPa，延伸率為22％。
實(shí)施例2工藝步驟陽極材料為國產(chǎn)磷銅板，不銹鋼片作為陰極沉積體。硫酸銅電鑄鍍液的成分為硫酸銅(CuSO4·5H2O)200g/L；硫酸(H2SO4)65g/L。氧化鋁顆粒的粒徑為20nm，在電鑄鍍液中的添加量為35g/L。共沉積促進(jìn)劑成分是氟碳陽離子表面活性劑，在電鑄鍍液中的添加量為0.1g/L。選用的工藝參數(shù)陰極電流密度為10A/dm2；鍍液溫度為30℃；攪拌頻率為65轉(zhuǎn)/分鐘，電鑄時(shí)間30小時(shí)。
在氧化鋁顆粒加入電鑄鍍液中之前，先用蒸餾水與共沉積促進(jìn)劑混和溶解，再將氧化鋁顆粒放入其中進(jìn)行超聲波攪拌和手動(dòng)攪拌，以打碎團(tuán)聚的氧化鋁顆粒并使其在溶液中更加分散，之后一起倒入電鑄鍍液中，通直流電并采用攪拌器不斷攪拌電鑄鍍液，電鑄30小時(shí)后將具有一定厚度的鍍層從陰極不銹鋼片上剝離，最后得到整體納米氧化鋁顆粒彌散增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。
所得氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的厚度為3.4毫米。氧化鋁顆粒含量為3.8％(質(zhì)量百分比)，材料的顯微硬度HV為157，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為375MPa、248MPa，延伸率為25％。
實(shí)施例3工藝步驟采用的陽極材料為國產(chǎn)磷銅板，不銹鋼片作為陰極沉積體。在電鍍槽中配制硫酸銅電鑄鍍液，其成分為硫酸銅(CuSO4·5H2O)220g/L；硫酸(H2SO4)70g/L。氧化鋁顆粒粒徑為50nm，在電鑄鍍液中的添加量為35g/L。共沉積促進(jìn)劑選用氟碳陽離子表面活性劑，在電鑄鍍液中的添加量為0.05g/L。選用的工藝參數(shù)陰極電流密度為12A/dm2；鍍液溫度為35℃；攪拌頻率為60轉(zhuǎn)/分鐘，電鑄時(shí)間30小時(shí)。
在氧化鋁顆粒加入電鑄鍍液中之前，先用蒸餾水與共沉積促進(jìn)劑混和溶解，再將氧化鋁顆粒放入其中進(jìn)行超聲波攪拌和手動(dòng)攪拌，以打碎團(tuán)聚的氧化鋁顆粒并使其在溶液中更加分散，之后一起倒入電鑄鍍液中，通直流電并采用板式升降攪拌器不斷攪拌電鑄鍍液，電鑄30小時(shí)后將具有一定厚度的鍍層從陰極不銹鋼片上剝離，最后得到整體納米氧化鋁顆粒彌散增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。
所得氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的厚度為3.4毫米。氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中氧化鋁顆粒含量為3.2％(質(zhì)量百分比)，材料的顯微硬度HV為142，拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為368MPa、225MPa，延伸率為28％。
權(quán)利要求
1.一種納米氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的復(fù)合電鑄制備方法，其特征在于采用金屬磷銅板作為陽極材料，不銹鋼片作為陰極沉積體，電鑄鍍液成分范圍為硫酸銅180～250g/L；硫酸40～100g/L；納米氧化鋁顆粒的粒徑為20～100nm，在電鑄鍍液中的添加量為5～100g/L；采用的共沉積促進(jìn)劑有兩種氟碳陽離子表面活性劑，在電鑄鍍液中的添加量為0.01～2.5g/L，或甲酰胺，在電鑄鍍液中的添加量為0.05～5ml/L；直流電的電流密度范圍為4～20A/dm2；攪拌器的攪拌頻率范圍為40～200轉(zhuǎn)/分鐘；電鑄鍍液的溫度范圍為15～55℃，電鑄時(shí)間20～40小時(shí)；將納米氧化鋁顆粒放入共沉積促進(jìn)劑水溶液中浸潤，攪拌充分后將其倒入電鑄鍍液中，然后通直流電，同時(shí)采用攪拌器不斷攪拌電鑄鍍液，使金屬銅離子與納米氧化鋁顆粒共同沉積在陰極母體上，最后將復(fù)合電鑄鍍層從陰極上剝離而得到整體納米氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。
全文摘要
一種納米氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的復(fù)合電鑄制備方法，用金屬磷銅板作陽極材料，不銹鋼片作為陰極沉積體，增強(qiáng)顆粒為納米級(jí)氧化鋁顆粒，采用氟碳陽離子表面活性劑或甲酰胺為共沉積促進(jìn)劑。氧化鋁顆粒先與共沉積促進(jìn)劑溶液混合并進(jìn)行攪拌處理，之后一起倒入硫酸銅電鑄鍍液中，通直流電并采用攪拌器不斷攪拌電鑄鍍液，金屬銅離子與增強(qiáng)體共同沉積在陰極母體上，最后將具有一定厚度的復(fù)合電鑄鍍層從陰極上剝離而得到整體納米氧化鋁顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。本發(fā)明工藝成本較低，操作溫度不高，制備的銅基復(fù)合材料增強(qiáng)顆粒分布均勻，強(qiáng)度高，延性好，整體厚度相對(duì)普通電鍍鍍層較大，可單獨(dú)被用作功能結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號(hào)C25D15/00GK1683601SQ20051002403
公開日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月24日
發(fā)明者胡文彬, 朱建華, 劉磊, 趙海軍, 沈彬 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)