一种超细碳化锆颗粒-硼化锆棒晶增强铜基电极材料及其制备方法技术

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，公开了一种超细碳化锆颗粒‑硼化锆棒晶增强铜基电极材料及其制备方法：将均匀混合的Cu‑Zr‑B4C混合粉末放入高温管式气氛炉中加热至1250℃，得到含Cu的超细ZrC颗粒与ZrB2棒晶复合粉体，接着在真空熔炼炉中熔炼无氧铜与含Cu的超细ZrC‑ZrB2复合粉体的混合物、并施加磁搅拌，从而制备出超细ZrC颗粒‑ZrB2棒晶增强铜基电极材料。本发明专利技术方法具有成本低、工艺简易、生产效率高、增强体细小、分布均匀等特点。

Ultrafine zirconium carbide particle zirconium zirconium rod crystal reinforced copper based electrode material and preparation method thereof

The invention belongs to the field of preparation of copper-based composite materials for welding electrodes, and discloses an ultra-fine zirconium carbide particle_zirconium boride rod crystal reinforced copper-based electrode material and a preparation method thereof: the uniformly mixed Cu_Zr_B4C powder is heated in a high-temperature tubular atmosphere furnace to 1250 C, and the ultra-fine ZrC particles containing Cu and ZrB2 rod crystals are obtained. The composite powders were then melted in a vacuum smelting furnace with a mixture of oxygen-free copper and ultrafine ZrC_ZrB2 composite powders containing Cu and stirred by magnetic field to prepare ultrafine ZrC particles_ZrB2 rod-reinforced copper-based electrode materials. The method has the advantages of low cost, simple process, high production efficiency, fine reinforcement and uniform distribution.

【技术实现步骤摘要】
一种超细碳化锆颗粒-硼化锆棒晶增强铜基电极材料及其制备方法
本专利技术属于焊接电极用铜基电极材料的制备领域，主要用于焊机电极头、电极帽等，具体涉及一种超细碳化锆颗粒-硼化锆棒晶增强铜基电极材料及其制备方法。
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超细陶瓷增强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、ZrB2陶瓷具有高硬度、高熔点、良好的化学稳定性的优点，尤其是导电性优异，是一种更为理想的电极材料增强体。因此，铜基体中超细ZrC-ZrB2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。通过自蔓延高温合成技术能制备ZrC-ZrB2/Cu复合材料(MengxianZhang,YanqiuHuo,MinHuang,etal.TheeffectofB4CparticlesizeonthereactionprocessandproductintheCu-Zr-B4Csystem.JournalofAsianCeramicSocieties.2015,3:38-43)。该方法具有时间短、能耗低等优点，但自蔓延高温合成产物的孔隙率太高，强硬度太低，实际难以直接使用。因此，需寻求更适宜于ZrC-ZrB2/Cu复合材料制备方法。本专利技术提出一种超细碳化锆颗粒-硼化锆棒晶增强铜基电极材料及其制备方法，该方法操作简单、便于控制、对原材料要求宽松、产物硬度高、空隙率低。
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超细碳化锆颗粒-硼化锆棒晶增强铜基电极材料及其制备方法，可在保持铜优良导电性的前提下提高其机械性能，同时有效解决了超细碳化锆与硼化锆粉末价格昂贵的问题，该方法还具有设备简单、操作简易、对原材料要求低、生产效率高、增强体细小、分布均匀、产物硬度高、空隙率低等优点。本专利技术提供一种超细碳化锆颗粒-硼化锆棒晶增强铜基电极材料，其特征在于，由无氧铜、超细ZrC颗粒与ZrB2棒晶构成，其中，铜含量为99.0～99.9wt.％，超细ZrC和ZrB2的总含量为0.1～1.0wt.％。本专利技术还提供上述超细碳化锆颗粒-硼化锆棒晶增强铜基电极材料及其制备方法，其制备过程包含以下步骤：步骤一、以Cu粉、Zr粉和B4C粉为原料制备含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合颗粒；步骤二、将疏松态含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合颗粒研磨成粉体；步骤三、将含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体与铜箔放入手套箱中，接着在惰性气体环境中用铜箔密封含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体；步骤四、将无氧铜块与含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体放入真空熔炼炉中，其中，含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体放在无氧铜块下面；待抽取真空后，将熔炼炉加热至1200～1250℃，使无氧铜块熔化并覆盖在含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体的表面；接着保温5～10min，并施加磁搅拌使ZrC和ZrB2均匀分布于Cu液内，最后浇铸到金属模具中得到超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶增强铜基电极材料。上述步骤一的具体制备过程包含以下步骤：步骤(1)、以Cu粉、Zr粉和B4C粉为原料，其中，Zr粉与B4C粉摩尔比值为3，Cu粉的添加量为10wt.％～40wt.％；步骤(2)、将称量好的Cu粉、Zr粉、B4C粉，在惰性气体环境中用滚筒式球磨机中混合10～14小时，得到Cu-Zr-B4C混合粉末；步骤(3)、将松散的Cu-Zr-B4C混合粉末放入陶瓷舟中，然后把装有粉末的陶瓷舟放入高温管式气氛炉中，再布置为惰性气体环境；步骤(4)、将高温管式炉按20～30℃/min的升温速率加热，待温度升高到1250℃后，随炉冷却到室温，即可得到疏松态、含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合颗粒。所述Cu粉，其纯度>99％，平均粒径0.5～75μm。所述Zr粉，其纯度>98％，粒径～45μm。所述B4C粉，其纯度>99％，平均粒径为14～28μm。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/每分钟。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20～30A。制备的超细ZrC-ZrB2陶瓷增强Cu基电极材料中，ZrC平均粒径<100nm，ZrB2棒晶的直径为50nm～0.2μm，ZrC-ZrB2复合陶瓷的总含量为0.1～1.0wt.％，其余为Cu。上述步骤(1)中，所述Cu-Zr-B4C混合粉末中Zr粉和C粉的摩尔比值为3，否则反应不全，含Cu的超细ZrC-ZrB2复合粉体中会残留未反应的B4C或副产物Cu-Zr化合物。上述步骤(2)中，在惰性气体环境中把装入粉末与磨球装入球磨罐中，可以防止机械球磨过程中Zr等粉末的氧化。上述步骤(3)中，惰性气体环境的布置过程为：先将高温气氛炉抽真空至5～10Pa后；接着冲入Ar气至0.06～0.08MPa，反复抽气、充气三次；最后对高温管式气氛炉冲入Ar气至常压后，持续通入流量为0.5～0.7L/min的Ar气。装入陶瓷舟中的Cu-Zr-B4C混合粉末为松散状态，用高纯氩气对高温管式炉洗炉三次，从而排除炉膛内的空气，预防加热过程中Zr等粉末的氧化。上述步骤(4)中，加热过程中持续通入保护气氛Ar气，流量为0.5～0.7L/min，以防止加热过程中氧的入侵与Zr的氧化；升温速率为20～30℃/min，过快会导致ZrC-ZrB2陶瓷的合成不完全，过慢会导致ZrC-ZrB2陶瓷的粗化。上述步骤二中，需要将疏松态含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶研磨成粉体，以利于后续熔炼过程中ZrC-ZrB2陶瓷在铜液内的搅拌分散。上述步骤三中，将含Cu的纳米ZrC-ZrB2粉体与铜箔放入手套箱中，抽取真空后冲入氩气至常压，接着用铜箔密封含Cu的ZrC-ZrB2复合粉体，从而避免超细ZrC-ZrB2粉体表面吸附空气中的氧、水。另一方面，防止在后续熔炼过程中、抽真空阶段，粉末被吸走。上述步骤四中，铜箔密封的含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体放在无氧铜块下面，防止铜熔化之后、搅拌之前纳米ZrC-ZrB2陶瓷漂浮于铜液表面并聚集；熔炼的温度为1200～1250℃，温度过低时会造成铜液的流动性较差，搅拌作用有限，温度过高则在浇铸到模具之后的长时间冷却过程中，超细ZrC、ZrB2因比重小而发生偏聚现象；施加的磁搅拌电流为20-30A，时间为5-10min，以保证超细ZrC-ZrB2复合陶瓷在铜中的均匀分布。本专利技术中，Cu粉添加剂对含Cu的超细ZrC-ZrB2复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超细碳化锆颗粒‐硼化锆棒晶增强铜基电极材料，其特征在于，由无氧铜、超细ZrC颗粒与ZrB2棒晶构成，其中，铜含量为99.0～99.9wt.％，超细ZrC和ZrB2的总含量为0.1～1.0wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种超细碳化锆颗粒‐硼化锆棒晶增强铜基电极材料，其特征在于，由无氧铜、超细ZrC颗粒与ZrB2棒晶构成，其中，铜含量为99.0～99.9wt.％，超细ZrC和ZrB2的总含量为0.1～1.0wt.％。2.一种超细碳化锆颗粒‐硼化锆棒晶增强铜基电极材料的制备方法，其步骤包括：步骤一、以Cu粉、Zr粉和B4C粉为原料制备含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合颗粒；步骤二、将疏松态含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合颗粒研磨成粉体；步骤三、将含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体与铜箔放入手套箱中，接着在惰性气体环境中用铜箔密封含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体；步骤四、将无氧铜块与铜箔密封的含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体放入真空熔炼炉中，其中，铜箔密封的含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体放在无氧铜块下面；待抽取真空后，将熔炼炉加热至1200～1250℃，使无氧铜块熔化并覆盖在含Cu的超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶复合粉体的表面；接着保温5～10min、并施加磁搅拌使ZrC和ZrB2均匀分布于Cu液内，最后浇铸到金属模具中得到超细ZrC颗粒-ZrB2棒晶增强铜基复合材料。3.根据权利要求2所述的一种超细碳化锆颗粒‐硼化锆棒晶增强铜基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一的具体制备过程包括以下步骤，步骤(1)、以Cu粉、Zr粉和B4C粉为原料，其中，Zr粉与B4C粉摩尔比值为3，Cu粉的添加量为10wt.％～40wt.％；步骤(2)、将称量好的Cu粉、Zr粉、B4C粉，在惰性气体环境中用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梦贤，姚海龙，王洪涛，陈清宇，白小波，赵先锐，方一航，霍颜秋，王天乐，
申请(专利权)人：九江学院，台州学院，
类型：发明
国别省市：江西,36