一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法。该高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法包括以下步骤：以铜基电极为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼法进行熔炼、铸锭，即得；所述铜基电极包括铜基体和分散在铜基体中的纳米级陶瓷颗粒和微米级增强颗粒；纳米级陶瓷颗粒增强铜基体的强度，纳米级陶瓷颗粒的添加量为铜基体的0.1‑1.5wt％；微米级增强颗粒增强铜基体的耐磨性，微米级增强颗粒的添加量为复合材料的0.5‑20wt％。该制备方法使纳米级陶瓷颗粒与铜基体的界面结合性得以有效改善，保证了纳米级陶瓷颗粒对基体强度和硬度的增强效果，提高了复合材料的塑性和韧性。

A Copper Matrix Composite with High Temperature, High Strength, High Conductivity and Wear Resistance and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法
本专利技术属于有色金属合金领域，具体涉及一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料及其制备方法。
技术介绍
铜和铜基复合材料具有良好的导电性能和良好的机械性能，但纯铜的强度低，限制了其应用，为了提高铜基材料的强度，往往通过形变或固溶-时效来增加铜基材料的强度，但纯铜和析出型强化铜合金(Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Ni-Si等)的工作温度一般不超过550℃。在工作温度大于550℃时，该类铜合金会出现强度、电导率大幅度下降的问题。颗粒增强常以陶瓷颗粒为增强相，陶瓷颗粒增强铜合金不会出现在高温下增强相固溶或团聚增大的现象，因而在高温下也表现出良好的强度和电导率。单一陶瓷颗粒增强相由于材料本身的限制，只能依靠提高增强相的含量来提高力学性能，但该方式会牺牲导电性能，往往难以兼顾强度、耐磨性和导电性等性能。采用不同尺度的增强相，可在一定程度上解决以上难题。例如，采用Cu-Al2O3作为基体材料，在基体中引入大尺寸强化相(难熔金属、碳化物、氧化物、硼化物等)，可以在尽量保持不降低导电率的情况下，提高复合材料的强度和耐磨性。其中纳米Al2O3增强相可以增强铜基体的强度和硬度，而大尺寸强化相在摩擦磨损过程中起到耐磨相和支撑相的作用，可以保证铜基复合材料在高温工况下仍然保持高导高强高耐磨的性能。冯江等进行了Al2O3/Cu-WC复合材料的制备和性能研究(Al2O3/Cu-WC复合材料载流磨损性能研究，金属热处理，2012年03期)，其是采用真空热压烧结-内氧化一体化的制备工艺将体积分数为10％WC和一定比例的Cu-0.58％Al(质量分数)和Cu2O均匀混合后，在30MPa压力下经950℃×2h烧结而成。该复合材料在制备过程中，纳米Al2O3增强相属于颗粒增强相，其与铜基体(金属相)的界面结合效果较差，导致复合材料的塑韧性较差，这不仅不利于复合材料的后加工，而且也会直接导致Al2O3、WC等增强颗粒的增强效果下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，以解决现有方法制备的复合材料中，微纳米颗粒增强相与铜基体的界面结合性差的问题。本专利技术的第二个目的在于提供一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料，以解决现有铜基复合材料的导电性、强度、耐磨性等综合性能较差的问题。为实现上述目的，本专利技术的高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法所采用的技术方案是：一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：以铜基电极为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼法进行熔炼、铸锭，即得；所述铜基电极包括铜基体和分散在铜基体中的纳米级陶瓷颗粒和微米级增强颗粒；纳米级陶瓷颗粒增强铜基体的强度，纳米级陶瓷颗粒的添加量为铜基体的0.1-1.5wt％；微米级增强颗粒增强铜基体的耐磨性，微米级增强颗粒的添加量为复合材料的0.5-20wt％。本专利技术提供的高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，采用真空自耗电弧熔炼法对铜基电极进行熔炼，在高温电弧的作用下，降低了纳米级陶瓷颗粒与铜基体的结合势垒，使纳米级陶瓷颗粒与铜基体的界面结合性得以有效改善，保证了纳米级陶瓷颗粒对基体强度和硬度的增强效果，提高了复合材料的塑性和韧性，在电弧高温作用下微米级陶瓷颗粒与铜的润湿角小，陶瓷颗粒与铜基体可达到冶金结合，若微米级陶瓷颗粒与铜的湿润角大时，熔融状的在铜液也会填充到陶瓷颗粒表面的缝隙中，提高铜基复合材料的致密度，增加机械咬合力，因此可方便制备高温高强高导高耐磨铜基复合材料。为进一步改善纳米级陶瓷颗粒、微米级增强颗粒等增强相在基体中的分布均匀程度，优化增强相与基体的界面结合，优选的，对熔炼、铸锭的过程中形成的熔池进行超声处理。为进一步获得成本低、增强效果好的铜基复合材料，优选的，所述纳米级陶瓷颗粒选自Al2O3、TiB2、ZrB2中的至少一种。为更进一步改善纳米级陶瓷颗粒的颗粒增强效果，优选的，所述纳米级陶瓷颗粒以原位合成方式掺杂到铜基体中。为方便获得成本低、耐磨性优异的铜基复合材料，优选的，所述微米级增强颗粒选自碳化物、金属氧化物、硼化物、难熔金属中的至少一种。为进一步优化碳化物对复合材料的摩擦磨损性能的改善效果，优选的，所述碳化物为WC、TiC、B4C、Cr3C2中的至少一种。为进一步优化金属氧化物对复合材料的摩擦磨损性能的改善效果，优选的，所述金属氧化物为Al2O3、ZrO2、TiO2、MgO、CeO2、La2O3中的至少一种。为进一步优化硼化物对复合材料的摩擦磨损性能的改善效果，优选的，所述硼化物为CrB2、TiB2、ZrB2中的至少一种。为进一步优化难熔金属对复合材料的摩擦磨损性能的改善效果，优选的，所述难熔金属为W、Mo、Cr中的至少一种。本专利技术的高温高强高导高耐磨铜基复合材料所采用的技术方案是：一种由上述高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法制得的铜基复合材料。本专利技术提供的高温高强高导高耐磨铜基复合材料，通过真空自耗电弧熔炼有效的减少了复合材料中的夹杂物和气体含量，提纯了铸锭，提高了复合材料的致密度。通过对纳米级陶瓷颗粒、微米级增强颗粒在基体中分布均匀性以及与基体的界面结合性的改善，使复合材料的导电性、强度、耐磨性等综合性能得到进一步提高。附图说明图1为本专利技术实施例1所得高温高强高导高耐磨铜基复合材料的SEM图；图2为本专利技术实施例3所得高温高强高导高耐磨铜基复合材料的SEM图。具体实施方式本专利技术主要是利用以下方法制备高温高强高导高耐磨铜基复合材料：以铜基电极为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼法进行熔炼、铸锭，即得；所述铜基电极包括铜基体和分散在铜基体中的纳米级陶瓷颗粒和微米级增强颗粒；纳米级陶瓷颗粒增强铜基体的强度，纳米级陶瓷颗粒的添加量为铜基体的0.1-1.5wt％；微米级增强颗粒增强铜基体的耐磨性，微米级增强颗粒的添加量为铜基体的0.5-20wt％。铜基电极由原料经压制和烧结过程制成。按配比准备原料后，可利用混料机实现各原料的混匀，依据不同的混料机，一般混料2-16h即可。为进一步提高原料的混合程度，可将混料机混合后得到的混合料装入胶套内并进行机械震动40-70s、擀料4-8min、反向墩料4-6次，再进行后续压制过程。可利用
技术介绍
中相应文献采用的热压烧结一体化方式，也可采用传统的先压制成坯后烧结方式。纳米级陶瓷颗粒可采用原位合成方式或外加方式。外加方式的生产成本低，适用于对铜基复合材料的要求不高的场合。原位合成方式具有更佳的弥散强化效果，可用于制备强度、硬度、耐磨性更好的铜基复合材料。微米级增强颗粒可采用外加方式。纳米级陶瓷颗粒采用外加方式掺杂时，将铜、纳米级陶瓷颗粒、微米级增强颗粒按配比取料混合，再经压制和烧结，即可制成铜基电极。纳米级陶瓷颗粒采用原位合成方式掺杂时，将前驱体粉末、微米级增强颗粒压制成坯，将坯体进行烧结即可。压制时，压力可设定为150-300MPa，保压时间可设定为5-10min。如纳米级陶瓷颗粒为Al2O3，相应的前驱体粉末为Cu-Al合金和Cu2O粉，Cu2O的质量为将原料中Al完全氧化成Al2O3时所需Cu2O的理论质量的1.1-1.25倍。Cu-Al合金中Al的含量可以为0.1-0.8wt％。如纳米级陶瓷颗粒为TiB2，相应的前驱体粉末为T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：以铜基电极为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼法进行熔炼、铸锭，即得；所述铜基电极包括铜基体和分散在铜基体中的纳米级陶瓷颗粒和微米级增强颗粒；纳米级陶瓷颗粒增强铜基体的强度，纳米级陶瓷颗粒的添加量为铜基体的0.1‑1.5wt％；微米级增强颗粒增强铜基体的耐磨性，微米级增强颗粒的添加量为复合材料的0.5‑20wt％。

【技术特征摘要】
1.一种高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：以铜基电极为自耗电极，采用真空自耗电弧熔炼法进行熔炼、铸锭，即得；所述铜基电极包括铜基体和分散在铜基体中的纳米级陶瓷颗粒和微米级增强颗粒；纳米级陶瓷颗粒增强铜基体的强度，纳米级陶瓷颗粒的添加量为铜基体的0.1-1.5wt％；微米级增强颗粒增强铜基体的耐磨性，微米级增强颗粒的添加量为复合材料的0.5-20wt％。2.如权利要求1所述的高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于：对熔炼、铸锭的过程中形成的熔池进行超声处理。3.如权利要求1所述的高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述纳米级陶瓷颗粒选自Al2O3、TiB2、ZrB2中的至少一种。4.如权利要求3所述的高温高强高导高耐磨铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述纳米级陶瓷颗粒以原位合成方式掺杂到铜基体中。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋克兴，冯江，国秀花，王旭，李韶林，周延军，程楚，刘海涛，张彦敏，赵培峰，林焕然，张祥峰，杨豫博，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41