一种高强高导耐热弥散强化铜合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高导耐热弥散强化铜合金及其制备方法，包括以下组份：金属氧化物0.01‑10.00wt.％，Mg 0.025‑0.075wt.％，Sr 0.01‑0.05wt.％，余量为Cu；其中，金属氧化物为Y2O3、Al2O3、V2O3、Cr2O3、Mn2O5、ZrO、NbO、SnO、MgO中的一种或多种。本发明专利技术在Cu‑金属氧化物合金中引入了Mg元素，发现在铜基体中均匀分布的Mg元素可有效作为氧元素进入粉体内部的通道，因而在铜合金的制备过程中，通过在Cu‑X合金中引入一定比例的Mg元素，可使合金粉体内部氧化更充分更均匀；本发明专利技术的内氧化处理工艺中，采用自行自动推送多温区密封回转气氛炉直接制备弥散强化铜合金粉末，操作更简单，并大幅缩短了制备弥散强化铜合金粉末的工艺流程；本发明专利技术的工艺中还采用高低温循环工艺可促进晶界迁移，进一步提高氧的扩散能力。

A Dispersion Strengthened Copper Alloy with High Strength, High Conductivity and Heat Resistance and Its Preparation Method

The invention discloses a high-strength, high-conductivity and heat-resistant dispersion strengthened copper alloy and its preparation method, which comprises the following components: metal oxide 0.01 10.00wt.%, Mg 0.025 0.075wt.%, Sr 0.01 0.05wt.%, and residual amount of copper; among them, metal oxide is Y2O3, Al2O3, V2O3, Cr2O3, Mn2O5, ZrO, NbO, SnO, MgO. The present invention introduces Mg element into the copper metal oxide alloy, and finds that the Mg element evenly distributed in the copper matrix can effectively act as the channel for oxygen element to enter the powder body. Therefore, in the preparation process of the copper alloy, by introducing a certain proportion of Mg element into the copper alloy, the internal oxidation of the alloy powder body can be more fully and evenly oxidized. Dispersion-strengthened copper alloy powder is prepared directly by self-propelled multi-temperature zone sealed rotary atmosphere furnace, which is simpler to operate and greatly shortens the process flow for preparing dispersion-strengthened copper alloy powder. The high-low temperature cycling process is also adopted in the process of the invention to promote grain boundary migration and further improve the oxygen diffusion ability.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高导耐热弥散强化铜合金及其制备方法
本专利技术属于纳米合金材料
，具体涉及一种高强高导耐热弥散强化铜合金及其制备方法。
技术介绍
铜是优良的导体材料，在金属中其导电率仅次于银。传统的纯铜(如T1，TU1，TP2等)强度不高，且耐高温能力差，不能在高温环境下使用。在纯铜中添加合金化元素可以提高其强度和抗退火软化性能，如固溶强化Cu-Ce、Cu-Mg、Cu-Sn、Cu-Ag和沉淀强化Cu-Ni-Si、Cu-Fe-P、Cu-Cr-Zr等合金。但无论是固溶强化合金还是沉淀强化合金，一方面合金元素的加入使其电导率影响较大，另一方面当温度超过500℃时，其力学性能下降很快。随着科技的飞速发展，在核能、航天航空、高能电子器件等领域对高强高导铜合金的耐热稳定性提出了更高的要求，部分材料要求其使用温度高达800℃，因此需要开发耐热高强高导铜合金。弥散强化铜合金是一类通过纳米弥散相强化的新型功能铜合金，其强化相一般为陶瓷粒子，与铜基体不相溶，因此对合金的导电率影响较小，同时，陶瓷粒子在高温下比较稳定，纳米级别的陶瓷粒子亦可有效钉扎位错，使合金具有较强的抗高温退火软化和抗高温蠕变特性。因此，弥散强化铜合金是核电系统散热器、大规模集成电路引线框架、大功率异步电动机转子、电阻焊电极、点真空微波管、大推力火箭发动机等的理想材料。弥散强化铜合金的制备方法主要还是机械合金化法和内氧化法。机械合金化法是将铜与陶瓷颗粒进行高能球磨获得混合粉末，然后对混合粉末进行热压或热挤压成型；如专利CN108149044A公布的一种氧化锆弥散强化铜合金的制备方法中，其将铜粉和氧化锆粉末在氮气保护下，球磨30-48小时制备了过饱和的Cu-ZrO2粉末；但该方法制备的合金产生的陶瓷增强相大小和分布无法控制，且机械合金化过程中容易引入球磨设备的杂质，极大影响了材料的性能，故而难以用于产业化。内氧化法一般采用Cu2O为氧化剂对合金粉末中元素进行氧化，然后通过后续加工成型。如专利CN105132736A公布了一种弥散铜复合材料及其制备方法，其采用Cu-Al-Y合金粉末和氧化剂Cu2O为原料，经混料、压制、烧结内氧化、挤压、锻造等工序制备了Cu-Al2O3-Y2O3弥散铜复合材料，导电率可达80％IACS，但由于烧结内氧化坯成型后难以还原，因此残余氧含量无法控制。又如CN105838911A同样采用氧化剂Cu2O进行内氧化，然后采用冷等静压和冷变形制备了Cu-Al2O3弥散铜复合材料，但由于没有致密化和热挤压过程，其导电率仅为68％IACS。另外，以上所述的方法，其内氧化层深度随着第二相成分的含量的升高而极具降低，使弥散强化铜合金内氧化不完全，制备的弥散强化铜合金电导率极具下降。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可氧化完全，且残余氧可控的高强高导耐热弥散强化铜合金及其制备方法。本专利技术这种高强高导耐热弥散强化铜合金，按照质量百分比，包括以下组份：金属氧化物0.01-10.00wt.％，Mg0.025-0.075wt.％，Sr0.01-0.05wt.％，余量为Cu；其中，金属氧化物为Y2O3、Al2O3、V2O3、Cr2O3、Mn2O5、ZrO、NbO、SnO、MgO中的一种或多种。作为优选，高强高导耐热弥散强化铜合金，按照质量百分比，包括以下组份：金属氧化物0.04-5.0wt.％，Mg0.01-0.05wt.％，Sr0.01-0.02wt.％，余量为Cu。本专利技术这种高强高导耐热弥散强化铜合金的制备方法，包括以下步骤：(1)Cu-X-Mg合金粉体制备：将单质铜、Cu-X中间合金、Cu-Mg中间合金按设定的比例在真空熔炼炉中熔化，熔化后将熔体进行过热处理，过热处理后，将熔体浇入雾化装置，在高纯Ar气的条件下，通过雾化器将Cu-X-Mg合金熔体雾化成Cu-X-Mg合金粉末；(2)Cu-X-Mg合金粉末的内氧化处理：将步骤1)中的Cu-X-Mg合金粉末过筛后，置于陶瓷容器中，接着在多温区密封回转气氛炉中进行内氧化处理，得到弥散强化铜合金粉末；(3)残余氧的去除：将步骤(2)中的弥散强化铜合金粉末与Cu-Sr合金粉末在V型混料机中进行混合，得到混合粉末；(4)成型：步骤(3)所得的混合粉末冷压成型并真空铜皮包套，然后热挤压成型，得到高强高导耐热弥散强化铜合金。所述步骤(1)中，X为Y、Al、Cr、Zr、V、Mn、Nb、Sn金属中的一种或多种，Cu-X合金中X质量百分数为5-20％；Cu-Mg合金中Mg质量百分数为5-10％；合金中最终生成的X氧化物总质量与Mg的质量之比为(60-120):1，优选为(80-100):1；熔化温度为1180℃-1380℃，过热处理温度为1250℃-1450℃；Ar气压为4.0×105Pa～6.0×105Pa。所述步骤(2)中，过筛后，Cu-X-Mg合金粉末的粒径应小于200目。所述步骤(2)中，内氧化处理包括以下步骤：a)在氩气保护下，将回转加热区温度升至300-400℃，将Cu-X-Mg合金粉末推送至回转加热区，关闭氩气，打开炉膛回转功能，在转速为5-20转/分钟，氧气流量为0.5-1.0L/min的条件下，保温0.5-1h；b)关闭氧气，通Ar气保护，将内氧化加热区的温度升至800-900℃，将Cu-X-Mg合金粉末推至内氧化加热区，保温0.5-1h，接着将Cu-X-Mg合金粉末推送至回转加热区，保温0.5-1h，然后在内氧化加热区和回转加热区进行循环保温处理，循环次数为2-4次；c)关闭加热区1，将内氧化加热区温度降至还原温度700-800℃，将粉末推至内氧化加热区，关闭氩气，将气氛换成氢气，气体流量0.5-1.0L/min，保温时间1-3h，还原用氢气为高纯氢，露点为-40℃以下；d)将处理后的Cu-X-Mg合金粉末推送至冷却区，待冷却后取出得到弥散强化铜合金粉末。所述步骤(3)中，Cu-Sr合金中Sr的百分含量为5～10％，Cu-Sr合金的粒径应小于300目；合金中最终生成的X氧化物总质量与Sr的质量之比为(100-200):1；混料速度为60-110rpm；混合时间为30-60min。所述步骤(4)中，冷压压力为350-500MPa，保压30-60s，所述的铜皮包套内真空度为10-2Pa以下，所述的热挤压挤压温度为900℃-950℃，所述热挤压的挤压比在10:1-20:1之间。本专利技术的有益效果：1)本专利技术在Cu-金属氧化物合金中引入了Mg元素，我们首次发现在铜基体中均匀分布的Mg元素可有效作为氧元素进入粉体内部的通道，因而在铜合金的制备过程中，通过在Cu-X合金中引入一定比例的Mg元素，可使合金粉体内部氧化更充分更均匀；2)本专利技术的内氧化处理工艺中，采用自行自动推送多温区密封回转气氛炉直接制备弥散强化铜合金粉末，避免了传统内氧化法需要进行氧化剂制备、内氧化、破碎等复杂工艺，操作更简单，并大幅缩短了制备弥散强化铜合金粉末的工艺流程；而且本专利技术的工艺中还采用高低温循环工艺可促进晶界迁移，进一步提高氧的扩散能力；3)本专利技术采用Cu-Sr合金作为二次还原剂，可有效去除合金内部残余氧；4)本专利技术工艺方法简单，可制备弥散相含量为0.05wt％～10.0wt％的弥散强化铜合金，合金内部弥散相细小均匀，获得的弥散强化铜合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高导耐热弥散强化铜合金，按照质量百分比，包括以下组份：金属氧化物0.01‑10.00wt.％，Mg 0.025‑0.075wt.％，Sr 0.01‑0.05wt.％，余量为Cu；其中，金属氧化物为Y2O3、Al2O3、V2O3、Cr2O3、Mn2O5、ZrO、NbO、SnO、MgO中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种高强高导耐热弥散强化铜合金，按照质量百分比，包括以下组份：金属氧化物0.01-10.00wt.％，Mg0.025-0.075wt.％，Sr0.01-0.05wt.％，余量为Cu；其中，金属氧化物为Y2O3、Al2O3、V2O3、Cr2O3、Mn2O5、ZrO、NbO、SnO、MgO中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的高强高导耐热弥散强化铜合金，其特征在于，高强高导耐热弥散强化铜合金，按照质量百分比，包括以下组份：金属氧化物0.04-5.0wt.％，Mg0.01-0.05wt.％，Sr0.01-0.02wt.％，余量为Cu。3.根据权利要求1所述的高强高导耐热弥散强化铜合金的制备方法，包括以下步骤：(1)Cu-X-Mg合金粉体制备：将单质铜、Cu-X中间合金、Cu-Mg中间合金按设定的比例在真空熔炼炉中熔化，熔化后将熔体进行过热处理，过热处理后，将熔体浇入雾化装置，在高纯Ar气的条件下，通过雾化器将Cu-X-Mg合金熔体雾化成Cu-X-Mg合金粉末；(2)Cu-X-Mg合金粉末的内氧化处理：将步骤1)中的Cu-X-Mg合金粉末过筛后，置于陶瓷容器中，接着在多温区密封回转气氛炉中进行内氧化处理，得到弥散强化铜合金粉末；(3)残余氧的去除：将步骤(2)中的弥散强化铜合金粉末与Cu-Sr合金粉末在V型混料机中进行混合，得到混合粉末；(4)成型：步骤(3)所得的混合粉末冷压成型并真空铜皮包套，然后热挤压成型，得到高强高导耐热弥散强化铜合金。4.根据权利要求3所述的高强高导耐热弥散强化铜合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，X为Y、Al、Cr、Zr、V、Mn、Nb、Sn金属中的一种或多种，Cu-X合金中X质量百分数为5-20％；Cu-Mg合金中Mg质量百分数为5-10％；合金中最终生成的X氧化物总质量与Mg的质量之比为(60-120):1，熔化温度为1180℃-1380℃，过热处理温度为1250℃-1450℃；Ar气压为4.0×105Pa～6.0×105Pa。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖柱，李周，邱文婷，龚深，雷前，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43