含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法技术

本发明专利技术属于焊接电极用铜基复合材料的制备领域，公开了一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法：将均匀混合的Cu粉、Zr粉及C粉冷压成预制块，然后把Cu‑Zr‑C粉末压坯与无氧铜放入真空感应熔炼炉中，先低温加热促发压坯的热爆合成反应，再升温使无氧铜熔化并包裹反应产物，经保温、磁搅拌制备出含纳米碳化锆陶瓷铜基复合材料。本发明专利技术一步制备出含纳米碳化锆陶瓷颗粒的铜基电极材料，不但降低了生产成本，还简化了工序、提高了生产效率，同时ZrC颗粒细小，在铜中分布均匀。

【技术实现步骤摘要】
含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法
本专利技术属于焊接电极用铜基复合材料的制备领域，主要用于焊机电极头、电极帽等，具体涉及一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法。
技术介绍
点焊广泛用于汽车、仪表和航空制造等行业，因服役时常承受高温和高压作用，铜合金电极易失效而降低生产效率和影响焊点质量。随着现代生产中自动焊接和焊接机器人的广泛使用，迫切需要开发兼具优良导电性和机械性能的电极材料。解决铜合金性能不足的有效途径之一是制备纳米陶瓷颗粒增强Cu基复合材料。现有研究表明，纳米Al2O3颗粒增强Cu基复合材料具有良好的机械性能，但Al2O3陶瓷几乎是绝缘的(电阻系数：1020×10-6Ω·m)，将它引入铜基中会显著降低电极的导电性。相较之下，ZrC具有高硬度(2560HV)、高熔点(3540℃)、良好的化学稳定性(抗氧化温度：1100～1400℃)和热传导性等优点，尤其导电性突出(电阻系数：0.42×10-6Ω·m)。因此，铜基体中纳米ZrC陶瓷的添加，有望在保持铜优良导电性的同时，提高其机械性能。目前，ZrC陶瓷增强铜基复合材料的主要制备方法包括：(1)热压烧结法，即高温高压条件下长时间烧结Cu粉和ZrC粉的混合物(M.López,J.A.Jiménez,D.Corredor.Precipitationstrengthenedhighstrength-conductivitycopperalloyscontainingZrCceramics.CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing.2007,38:272-279)。(2)气氛烧结法，即在保护气氛中烧结冷压成型后的ZrC、Cu等混合粉末压坯，然后再经挤压、轧制等工序制备复合材料(中国专利技术专利申请201610437097.1，低压电器用碳化锆铜基触头材料及其加工方法)。(3)自蔓延高温合成法，即通过外部热源，引燃混合粉末压制块一端的放热反应，并利用高化学反应热的自加热与自传导作用合成ZrC/Cu的方法(ZhangM.X,HuangB,HuQ.Detal.StudyofformationbehaviorofZrCintheCu-Zr-Csystemduringcombustionsynthesis.InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials.2012,31:230-235)。上述方法或存在能耗大、生产成本高且效率低，或存在材料导电性差，或存在材料孔隙率太高等问题。因此，需寻求更适宜于ZrC/Cu复合材料制备方法。本专利技术提出一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法，该方法操作简单、便于控制、产物导电性好、孔隙率低。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在上述技术问题，本专利技术提供一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法，可在保持铜优良导电性的前提下提高其机械性能，同时能有效解决纳米碳化锆粉末价格昂贵的问题，该方法还具有工序简易、操作简单、生产效率高、ZrC颗粒细小、分布均匀、产物导电性好、孔隙率低等优点。本专利技术提供一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法，包含以下步骤：步骤一、原材料Cu粉、Zr粉和C粉，其中，Zr粉与C粉摩尔比值为1，Cu粉的添加量为10～60wt.％；步骤二、将称量好的Cu粉、Zr粉、C粉，在惰性气体环境中用滚筒式球磨机混合10～14小时，得到Cu-Zr-C混合粉末；步骤三、用液压机将混合后的Cu-Zr-C粉末冷压成相对致密度为50～70％的压坯；步骤四、将Cu-Zr-C粉末压块与无氧铜块放入真空感应熔炼炉内，然后布置成真空环境；步骤五、在真空环境中，通过熔炼炉的感应线圈预加热至950～1050℃，从而促发粉末压块的热爆合成反应与ZrC陶瓷的生成，之后保温约1min；步骤六、继续升温至1250～1300℃，然后保温20～30min并施加磁搅拌，使热爆合成产物中的ZrC颗粒均匀分散于Cu液中，最后将液体浇铸到金属模具中，得到含纳米碳化锆陶瓷颗粒的铜基复合材料。所述Cu粉，其纯度>99％,粒径为0.5～75μm。所述Zr粉，其纯度>98％，粒径～45μm。所述石墨粉，其纯度>99％，粒径为100nm～1.3μm。所述无氧铜块，其纯度>99.97％，氧含量<0.003％，杂质总含量不大于0.03％。所述球磨机的磨球为ZrO2磨球，ZrO2磨球的直径为8mm，磨球与粉末的重量比为10:1，球磨机的转速为50～70转/分钟。所述Ar气，其纯度为99.999％。所述金属模具为合金钢模具。所述的磁搅拌，其电流为40～60A。制备的含碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料中，ZrC颗粒的尺寸小于100nm，含量为0.1wt.％～1.0wt.％，其余为Cu。上述步骤一中，Cu-Zr-C混合粉末中Zr粉和C粉的摩尔比值为1，否则反应不全，热爆合成产物中会残留未反应的C或副产物Cu-Zr化合物。上述步骤二中，在惰性气体环境中把粉末与磨球装入球磨罐中，以防止机械球磨过程中Zr等粉末的氧化。上述步骤四中，真空环境的布置过程为：先将熔炼炉抽真空至5～10Pa后；接着冲入Ar气至0.06～0.08MPa，反复抽气、充气三次，从而排除熔炼炉内的空气、防止加热过程中Zr粉与Cu粉的氧化。上述步骤五中，在真空环境中，通过熔炼炉的感应线圈预加热至950～1050℃，在Cu-Zr-C粉末压坯发生热爆反应生成ZrC陶瓷之后，保温约1min，使杂质气体充分挥发。上述步骤六中，熔炼的温度为1250～1300℃，保温时间与磁搅拌时间为20-30min，施加的磁搅拌电流为40～60A，经高温长时间的强搅拌作用才能使热爆合成产物中的ZrC均匀分散于铜液内。本专利技术中，Cu粉对纳米ZrC的热爆合成至关重要。第一，加热过程中，Cu与Zr在600～660℃之间就能通过固态扩散反应形成Cu10Zr7等化合物，随温度的升高，Cu10Zr7在895℃熔化为Cu-Zr液相，液相为ZrC的形成提供了捷径，当Zr粉与石墨粉溶入Cu-Zr液相中，Zr与C原子通过快速移动结合成稳定的ZrC陶瓷颗粒，从而促使粉末压坯在950～1050℃发生ZrC的热爆合成反应。第二，当ZrC从液体中形成之后，Cu液会增大ZrC颗粒之间的距离，从而遏制ZrC颗粒的接触与长大。第三，Cu起到稀释剂作用，Zr-C混合粉末中Cu粉的添加，必然减少单位体积内Zr和C的数量，降低ZrC形成释放的热量，进而降低反应的温度、抑制ZrC的长大。本专利技术中，熔炼温度(1250～1300℃)与在此温度下的强磁搅拌(时间20～30min，电流40～60A)对复合材料中ZrC保持纳米状态及其均匀分布至关重要。熔炼温度过低、磁搅拌时间过短和电流太小，则会降低磁搅拌效果，从而导致复合材料中ZrC颗粒的团聚；温度过高、磁搅拌时间过长，复合材料中的ZrC颗粒会长大，且会在其后的浇铸冷却过程中出现偏聚现象。本专利技术中采用熔炼工艺制备了含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料，相对于烧结工艺存在如下优势：(1)成本低；烧结工艺中只能采用大量的Cu粉和ZrC粉(或Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成法，其步骤包括：步骤一、原材料Cu粉、Zr粉和C粉，其中，Zr粉与C粉摩尔比值为1，Cu粉的添加量为10～60wt.％；步骤二、将称量好的Cu粉、Zr粉、C粉，在惰性气体环境中用滚筒式球磨机混合10～14小时，得到Cu‑Zr‑C混合粉末；步骤三、用液压机将混合后的Cu‑Zr‑C粉末冷压成相对致密度为50～70％的压坯；步骤四、将Cu‑Zr‑C粉末压块与无氧铜块放入真空感应熔炼炉内，然后布置为真空环境；步骤五、在真空环境中，通过熔炼炉的感应线圈预加热至950～1050℃，从而促发粉末预制块的热爆合成反应与ZrC陶瓷的合成，之后保温约1min；步骤六、继续升温至1250～1300℃，使无氧铜熔化，然后保温20～30min并施加磁搅拌，使热爆合成的ZrC颗粒均匀分散于无氧铜液中，最后将液体浇铸到金属模具中，得到含纳米碳化锆陶瓷颗粒的铜基电极材料。

【技术特征摘要】
1.含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成法，其步骤包括：步骤一、原材料Cu粉、Zr粉和C粉，其中，Zr粉与C粉摩尔比值为1，Cu粉的添加量为10～60wt.％；步骤二、将称量好的Cu粉、Zr粉、C粉，在惰性气体环境中用滚筒式球磨机混合10～14小时，得到Cu-Zr-C混合粉末；步骤三、用液压机将混合后的Cu-Zr-C粉末冷压成相对致密度为50～70％的压坯；步骤四、将Cu-Zr-C粉末压块与无氧铜块放入真空感应熔炼炉内，然后布置为真空环境；步骤五、在真空环境中，通过熔炼炉的感应线圈预加热至950～1050℃，从而促发粉末预制块的热爆合成反应与ZrC陶瓷的合成，之后保温约1min；步骤六、继续升温至1250～1300℃，使无氧铜熔化，然后保温20～30min并施加磁搅拌，使热爆合成的ZrC颗粒均匀分散于无氧铜液中，最后将液体浇铸到金属模具中，得到含纳米碳化锆陶瓷颗粒的铜基电极材料。2.根据权利要求1所述的一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成法，其特征在于，步骤二中，所述球磨机的磨球为ZrO2磨球，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梦贤，方一航，赵先锐，王天乐，霍颜秋，姚海龙，王洪涛，陈清宇，白小波，
申请(专利权)人：台州学院，九江学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33