Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及制备方法技术

本发明专利技术属于有色金属材料领域，涉及一种Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及其制备方法。本发明专利技术利用硬质相弥散强化和合金元素固溶强化原理，采用机械球磨和同步热压烧结技术，制备出了高硬度且导电性优良的铜基复合材料。材料的制备方法为：先将Cu和Al4SiC4反应物粉料按比例进行机械球磨获得纳米晶粉，再与Cr粉和剩余的Cu粉球磨，最后运用同步热压烧结技术，获得Al4SiC4增强的铜铬复合材料。本发明专利技术主要特点：Al4SiC4和Cr均匀弥散在铜基体中，硬质相与铜钛合金基体界面结合强度高，材料的硬度高导电性良好。

【技术实现步骤摘要】
Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及制备方法
本专利技术属于有色金属材料领域，涉及一种Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及其制备方法。
技术介绍
铜的化学稳定性强，无磁性，美观耐用，导电导热，易于熔接，被广泛用于电子、通讯、家电、交通和机械工程等领域，可用作诸如汽车同步器齿环、集成电路引线框架、空调冷凝管、舰船和海水淡化器件的原材料。但是，铜却因其面心立方(fcc)晶体结构及滑移系多的特性，而具有低强/硬度，易磨损的缺点。这限制了铜质元器件在大载荷工况条件下的应用。所以，在保证足够导电性的前提下，提高铜材料的硬度和强度具有重要意义。铜材料的复合化是提高其强度和硬度的重要途径，该方法常通过熔炼或者粉末冶金工艺向铜中添加具有高硬度、高熔点的硬质相来实现。硬质相主要包括了金属的氧化物、氮化物和碳化物，如Al2O3、SiO2、AlN、WC、SiC、NbC、VC等，这些硬质相增强铜材料的机理与其对Cu的位错钉扎作用密切相关，一般来讲，硬质相的分布越均匀，则其弥散强化效果越好；同时，硬质相的强化效果也与其物化特性有关。目前，粉末冶金工艺是实现硬质相与铜材料复合化的有效途径，即铜粉与添加物充分混匀后，按照“压坯－烧结”制备环节，获得块体材料。该方法能够使硬质相均匀分布在铜基体之中，然而，硬质相却不易与铜基体润湿，导致硬质相与基体相的界面结合性差，这不利于材料的导电性。因此，选用合适的硬质相，提高增强体与铜基体之间的润湿性，是提高铜材料综合性能的重要途径。此外，铜中添加Cr、Zr、Fe、Ti等过渡族合金元素，也会提高材料的硬度和强度，因为这些元素起到固溶时效的作用。强化效果取决于铜基体中合金元素的固溶数量和分布状况。在平衡状态下合金元素在Cu中难以固溶，强化效果受到限制。可见，提高合金元素在铜基体中的固溶数量，是增强铜材料强/硬度的重要途径。
技术实现思路
针对上述技术现状中存在的问题，考虑到Al4SiC4的优异抗氧化和抗水化性，基于弥散强化与固溶时效强化机制的协同效应，利用高能球磨能够提高合金元素在铜中固溶度且均匀分散增强体的特点，本专利技术综合利用多步骤机械球磨和同步热压烧结技术，提供了一种Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及其制备方法。本专利技术技术方案是：Al4SiC4与Cr协同强化铜材料，其组成为：(Cu100-xCrx)100-y(Al4SiC4)y；x为Cr元素在Cu100-xCrx合金中的原子百分比，1at%≤x≤10at%，y为Al4SiC4在复合材料中的体积百分比，1vol%≤y≤30vol%。所述的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料，优选的是2at%≤x≤7at%(优选的，3at%≤x≤6at%)。所述的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料，优选的是5vol%≤y≤25vol%(优选的，8vol%≤x≤16vol%)。本专利技术还提供了所述的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料的制备方法，其步骤如下：步骤1：按照(Cu100-xCrx)100-y(Al4SiC4)y的成分配比，称量Cu、Cr和Al4SiC4粉料，并称量硬脂酸，按照每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控制剂；步骤2：将步骤1准备的Al4SiC4和一半质量的Cu原材料、钢球与机械球磨过程控制剂，装入真空球磨罐，之后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间30~150小时，球磨转速250~500转/分钟，获得Cu包Al4SiC4的高活性纳米晶粉体；在无氧环境中，将Cu/Al4SiC4纳米晶粉与步骤1准备的Cr粉和另一半质量的Cu粉一起装入带有球磨过程控制剂的真空罐内，之后抽真空和充入高纯氩，并在球磨机上进行短时间球磨，此时的球料比及转速，与上述球磨Cu/Al4SiC4的参数范围相同，球磨时间为5~25小时，获得Cu、Cr和Al4SiC4分布均匀的粉料；步骤3：将步骤2制备得的粉体，放入真空热压烧结炉的模具里，把炉内真空度抽至10-3~10-4pa数量级，之后进行热压烧结，加热与加压过程异步进行，升温到420℃后开始施加压力，烧结结束后炉冷至室温，获得硬度高且导电性良好的铜基复合材料。所述的制备方法，优选的是，步骤1：Cu、Cr和Al4SiC4粉料的平均粒径为10微米，纯度在99%以上。所述的制备方法，优选的是，步骤1：硬脂酸的用量为Cu、Cr和Al4SiC4粉料总质量的0.1~5%(优选的，硬脂酸的用量为Cu、Cr和Al4SiC4粉料总质量的0.5~2%)。所述的制备方法，优选的是，步骤2：将步骤1准备的Cu和Al4SiC4原材料、钢球与机械球磨过程控制剂，装入真空球磨罐，球料比9：1~35：1（优选的，10：1~20：1）。所述的制备方法，优选的是，步骤3：烧结温度为600-1000℃，烧结时间为0.5-5小时（优选的，烧结温度850-950，烧结时间2-4小时）。所述的制备方法，优选的是，步骤3：烧结保温时压力达到30-200MPa（优选的，烧结保温时压力达到80-150MPa）。本专利技术属于有色金属材料领域，涉及一种Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及其制备方法。本专利技术利用硬质相弥散强化和合金元素固溶强化原理，采用机械球磨和同步热压烧结技术，制备出了高硬度且导电性优良的铜基复合材料。材料的制备方法为：先将Cu和Al4SiC4反应物粉料按比例进行机械球磨获得纳米晶粉，再与Cr粉和剩余的Cu粉球磨，最后运用同步热压烧结技术，获得Al4SiC4增强的铜铬复合材料。本专利技术主要特点：Al4SiC4和Cr均匀弥散在铜基体中，硬质相与铜钛合金基体界面结合强度高，材料的硬度高导电性良好。本专利技术的优异效果是，由于采用上述技术方案，本专利技术制得的铜基复合材料与添加其它单一强化相的铜基复合材料相比，具有更加优异的硬度和导电性；同时，本专利技术的实施采用了常用设备，便于技术推广和规模化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料组织及元素分布图。具体实施方式以下将结合实施例对本专利技术做进一步说明，本专利技术的实施例仅用于说明本专利技术的技术方案，并非限定本专利技术。实施例中所用Cu和Cr原料可从市场购买。Al4SiC4为自制原料，其制备方法如下：步骤1：按照Al4SiC4的成分配比，称量平均粒径10微米纯度在99％以上的Al、Si和C粉，按照每100克粉料1克硬脂酸比例称量硬脂酸，作为球磨过程控制剂；步骤2：将步骤1准备的原料粉、硬脂酸和钢球装入真空球磨罐，之后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间20小时，球磨转速380转/分钟，获得混合粉料；步骤3：将步骤2制备得的粉体，放入真空烧结炉内，把炉内真空度抽至2×10-3pa之后进行烧结，烧结温度为1800℃，烧结时间为3小时，烧结结束后炉冷至室温，可获得Al4SiC4粉料。本专利技术具有网/球状特征(Cu100-xCrx)100-y(Al4SiC4)y材料的制备方法，常规步骤如下：步骤1：按照(Cu100-xCrx)100-y(Al4SiC4)y的成分配比，称量平均粒径为10微米的纯度在99%以上的Cu、Cr和Al4SiC4粉料，并称量与Cu、Ti和C粉料总质量0.1~5%相当的硬脂酸，本文档来自技高网...

【技术保护点】
Al4SiC4与Cr协同强化铜材料，其特征是，组成为：(Cu100‑xCrx)100‑y(Al4SiC4)y；x为Cr元素在Cu100‑xCrx合金中的原子百分比，1at% ≤ x ≤10 at%，y为Al4SiC4在复合材料中的体积百分比，1 vol% ≤y ≤ 30 vol %。

【技术特征摘要】
1.Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料，其特征是，组成为：(Cu100-xCrx)100-y(Al4SiC4)y；x为Cr元素在Cu100-xCrx合金中的原子百分比，1at%≤x≤10at%，y为Al4SiC4在复合材料中的体积百分比，1vol%≤y≤30vol%。2.权利要求1所述的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料，其特征是，2at%≤x≤7at%。3.权利要求1所述的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料，其特征是，5vol%≤y≤25vol%。4.权利要求1-3任一项所述Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料的制备方法，其特征是，步骤如下：步骤1：按照(Cu100-xCrx)100-y(Al4SiC4)y的成分配比，称量Cu、Cr和Al4SiC4粉料，并称量硬脂酸，按照每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控制剂；步骤2：将步骤1准备的Al4SiC4和一半质量的Cu原材料、钢球与机械球磨过程控制剂，装入真空球磨罐，之后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间30~150小时，球磨转速250~500转/分钟，获得Cu包Al4SiC4的高活性纳米晶粉体；在无氧环境中，将Cu/Al4SiC4纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪俊杰，王永康，刘瑞环，张昊，贾正锋，黄宝旭，马杰，王长征，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：山东;37