一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法技术

本发明专利技术公开了一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，首先，制备不同配比的反应薄片；然后，将上述反应薄片根据Ｃｕ含量梯度叠层，在模具中进行冷压得到反应预制块；最后，在砂型或金属型铸造模的型腔上部固定反应预制块，坩埚电阻炉将纯铜熔化并加热至１１３３～１１８３℃进行浇铸，即可得到在零件的表面Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］成分呈梯度分布的铜基复合材料。本发明专利技术利用高温液态Ｃｕ引燃Ａｌ粉、ＣｕＯ粉和Ｃｕ粉组成的梯度叠层的反应预制块，实现零件表面梯度强化与零件成型一体化，降低了成本，增强了铜基复合材料的强度、高温抗蠕变及抗磨损性能，提高了零件的质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一 体化方法。
技术介绍
铜基复合材料具有优良的导电导热性、高温稳定性和较 高的强度，在机电、宇航、微电子等高
应用潜力巨 大，已被广泛应用于大规模集成电路引线框架、电焊电极、 转换开关、电触头等，是现代电子信息产业发展的关键材料。 纯铜虽然有着很高的电导率、导热系数及良好的抗电弧侵蚀 能力，但是纯铜的室温强度和高温强度均较低，难以满足某 些特殊领域的实际应用需求。传统的合金强化法虽然提高了合金的强度，但是合金的 电导率也随之下降，而且合金元素含量较低，析出强化作用 有限，难以实现高强度高电导率的"双高"性能。固溶在铜基 体中的原子引起铜原子点阵畸变对电子的散射作用比第二相引起的散射作用更明显，所以颗粒复合强化不会显著降低 铜基体的导电性，而且由于第二相的强化作用改善了基体的 室温性能和高温性能，成为目前获得高强度高电导率铜合金 的主要手段。制备原位内生颗粒增强金属基复合材料的常见方法主要有XD法(美国专利，U.S. Patent No. 4710348)、 接触反应法(中国专利，专利号93104814)，这些方法技 巧性较强，难度高，不易掌握，主要用来制造颗粒增强的A1 基、Ti基、Zn基等复合材料，而且只能制备整体增强的复合 材料。自蔓延高温合成(Self-propagating High-tempera ture Synthesis,縮写SHS)，是利用化学反应自身放热制 备材料的新技术。其最显著的特点就是利用元素间形成化合 物时发生高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外 加能量，整个反应过程主要依靠物料自身的放热来维持。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种梯度铜基复合材料的制备 及零件成型一体化方法，该方法利用高温液态Cll引燃Al粉、 Cii0粉、Cu粉组成的叠层梯度的反应预制块，零件在成型的 同时，又实现了零件的表面梯度复合强化，即实现表面梯度 强化与零件成型一体化，降低成本，提高铜基复合材料的强 度、高温抗蠕变及抗磨损性，提高了零件的质量。本专利技术的技术解决方案主要包括以下步骤首先，制备不同配比的反应薄片，在行星式球磨机中将反应物和不同设计含量的铜粉分别球磨0.5 1小时，球磨后在成型模具中 用《0.5吨的压力将充分混合后的粉体压成厚度约l 3mm的 反应薄片；其中Al粉和CuO粉为反应物，Cu粉为稀释剂， Al粉和CuO粉的摩尔比为1:1. 5,稀释剂Cu粉的加入量根 据设计要求确定，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒径为25 150 u m; 然后，将上述反应薄片根据Cii粉含量的高低梯度叠层，再 在模具中进行冷压成型得到厚度为2 15mm左右的反应预制 块，压力机吨位为10 20吨；最后，在砂型或金属型铸造 模的型腔上部固定反应预制块，反应预制块与外界保持良好 的出气通道，将纯铜放入坩埚电阻炉加热熔化，并保证在 1133 1183t:进行浇铸，即可在零件的表面得到AL03成分呈 梯度分布的铜基复合材料。本专利技术的一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一 体化方法中，在反应物中加入粘结剂纤维素，纤维素为反应 物总量的0. 1%。本专利技术的基本原理是CuO和Al在一定的温度下发生强 烈的化学反应，生成Ah03和Cu，该反应为放热反应，其产 生的热量可维持反应的自发进行，无需再提供额外的热量， 通过高温液态Cu提供的能量，可保证化学反应的发生，同 时结合传统的铸造技术， 一体化实现零件表面复合层原位合 成反应及零件成型。本专利技术与目前已有技术相比具有以下优点①本专利技术通 过Cu0和Al在铜基体表层发生原位反应生成Al203硬质增强相，并与铜基体形成冶金结合，使铜基复合材料既有高导电 导热性能，又提高了铜的强度、高温抗蠕变及抗磨损性能； ②本专利技术制备的表面增强梯度铜基复合材料的方法不同于 整体复合法，实现了材料的表面梯度强化与零件成型一体 化，工艺简单，成本低廉，易于推广，可有效地解决由于整 体强化带来的导电性能变差的问题；③现有颗粒增强技术大 多是通过在铜液熔炼过程中形成，从而影响了铜液的流动 性，易产生夹杂、浇不足等铸造缺陷，本专利技术的强化层中的 八1203颗粒增强相是原位内生的，润湿性好，界面结合良好， 分布弥散，解决了外加颗粒所产生的润湿性差、易污染、界 面结合不好、颗粒偏聚等缺陷，不影响铜液的流动性，铸件 质量不受影响；④复合材料的基体为铜，强化层中增强体为 AL03相，Al203在强化层中的质量分数由表及里呈梯度分布， 提高了复合材料的界面结合性能。 本专利技术获得的A1A颗粒 增强铜基复合材料具有优良的物理性能和力学性能，可以用 在大功率微波管结构材料、集成电路IC引线框架、转换开关 触头、电阻焊电极头、高强度电力线、高级激光反射镜、电 阻焊电极、连铸结晶器、炼钢用氧枪喷头、计算机引线框架 等场合，在替代银基触头材料方面有着其他材料不可比拟的 优点，具有广阔的应用前景-，具体实施例方式下面结合具体的实施例，进一步详细地描述本专利技术。应理 解，这些实施例只是为了举例说明本专利技术，而非以任何方式 限制本专利技术的范围。 实施例1:根据引线框表面耐磨性能要求，确定复合层表面A1203 的含量在12.5%，复合层厚度为5mm，梯度叠层确定为5层， 由表及里设计Cu粉质量分数分别为12. 5%、 10%、 7. 5%、 5% 和2. 5%，反应薄片各层厚度均为lmm。根据Al粉和Cu0粉的摩尔比1:1. 5，每100g反应物中 Al粉18.4g 、 Cu0粉81.6g，另按100g反应物计算Cu粉的 掺入量分别为177.6g、 247g、 362.7g、 594g、 1288g， Al 粉、CuO粉、Cu粉的粒径75um。首先，利用0. 5吨压力机将反应物和不同量的Cu粉在 成型模具中分别预压成约1.2mm厚的反应薄片；然后，将上 述薄片按照Cu粉含量梯度叠层，在模具中进行冷压得反应 预制块，压力机吨位选择为10吨；最后，在砂型铸造模的 型腔上部固定反应预制块，坩埚电阻炉将纯铜熔化，并加热 至1158。C进行浇铸，在零件的表面得到AL03成分呈梯度分 布的铜基复合材料。实施例2:根据连铸结晶器表面耐磨性能要求，确定复合层表面八1203的含量在25%，复合层厚度为15mm，梯度叠层确定为5 层，由表及里设计Cu粉质量分数分别为25%、 20%、 15%、 10% 和5%，反应薄片各层厚度为3mm。根据Al粉和CuO粉的摩尔比1: 1.5，每100g反应物中 Al粉18. 4g 、 Cu0粉81. 6g，另按100g反应物计算Cu粉 的掺入量分别为36. 8g、 73. 5g、 131g、 247g、 594g，纤维素 含量0. lg， Al粉、Cu0粉、Cu粉的粒径150 u m。首先，利用0. 5吨压力机将反应物和不同量的Cu粉在 成型模具中分别预压成比设计厚度略厚的3. 6mm反应薄片， 然后，将上述薄片按照Cu粉含量梯度叠层，在模具中进行 冷压得反应预制块，压力机吨位选择为20吨；最后，在金 属型铸造模的型腔上部固定反应预制块，坩埚电阻炉将纯铜 熔化，并加热至1183。C进行浇铸，在零件表面得到Ah03成 分呈梯度分布的铜基复合材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度铜基复合材料的制备及零件成型一体化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：首先，Ａｌ粉、Ｃｕ粉和不同含量的Ｃｕ粉制备不同配比反应薄片；然后，将上述反应薄片根据Ｃｕ粉含量梯度叠层，在模具中进行冷压得到反应预制块；最后，在砂型或金属型铸造模的型腔上部固定反应预制块，利用坩埚电阻炉将纯铜熔化并浇铸，即可得到零件表面Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］成分呈梯度分布的铜基复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周广宏，丁红燕，章跃，刘义发，李年莲，史绍军，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]