原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法和设备技术

本发明专利技术提供一种原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法和设备，原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法包括以下步骤：1）将纯铜置于真空熔炼炉炉膛中，将炉膛抽真空后，反充惰性气体，加热至纯铜完全熔化，并升温到1000-1500℃；2）向铜液中加入Cu-B中间合金，待Cu-B中间合金均匀熔化于铜液中；3）向铜液中加入Cu-Ti中间合金，反应2-10分钟；4）将铜液调整温度至1000-1500℃，并将铜液浇铸在位于旋转磁场中的石墨铸模中，在浇铸时，施加旋转磁场；5）冷凝获得TiB2/Cu复合材料。本发明专利技术步骤科学、合理，制备得到的TiB2/Cu复合材料在保证导电性的同时，还具有较高的抗拉强度。

Method and apparatus for in situ preparation of TiB2 reinforced copper matrix composites

The invention provides a preparation in situ TiB2 method and equipment for reinforced copper matrix composite, in situ methods for preparing TiB2 reinforced copper based composite material comprises the following steps: 1) will be placed in the vacuum melting furnace of copper in the furnace, vacuum pumping, reverse filling inert gas, heating to pure copper is completely melted, and heating to 1000-1500 deg.c; 2) adding Cu-B master alloy to copper solution, the Cu-B master alloy melting in uniform copper solution; 3) adding Cu-Ti master alloy to copper solution, reaction 2-10 minutes; 4) will adjust the copper liquid temperature of 1000-1500 Deg. C, and casting in liquid copper in rotating magnetic field graphite mold, casting, the rotating magnetic field; 5) to obtain TiB2/Cu composite condensation. The method of the invention is scientific and reasonable, and the prepared TiB2/Cu composite material has high tensile strength while ensuring electric conductivity.

【技术实现步骤摘要】
原位制备T i B2增强铜基复合材料的方法和设备
本专利技术涉及材料技术，尤其涉及一种原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法和设备。
技术介绍
铜合金由于其较高的强度和导电性在航空航天、电工电子等行业有着广泛的应用。如轨道交通接触线、集成电路 引线框架等，都需要既有高导电导热性，又有高强度的耐热性的铜合金。传统的铜合金由于合金元素的固溶强化，使得铜晶格畸变较大，电导率大幅度下降，无法满足航空航天、电工电子等行业有关导电性能的需要，因此铜基复合材料的研究越来越必要，也成为了当今研究的热点。弥散分布的第二相粒子能很好地强化铜基体，TiB2颗粒不仅导电、导热性好，具有熔点高、硬度高、化学稳定性佳、耐腐蚀性佳和耐磨性优异的优点，同其他陶瓷基颗粒相比使金属的导电率导热率下降较小，使TiB2/Cu复合材料具有较高的电导率和抗高温软化性能，而且其标准吉布斯自由能较低，可由氟硼酸钾、氟钛酸钾复合盐合成，也可由钛、硼在高温直接生成，因此能在金属基体中原位反应生成，解决了普通外加方法制备的复合材料增强相与基体的润湿性问题，成为了金属基复合材料中广泛添加的增强相颗粒。然而，采用传统方法直接添加增强相颗粒到基体中，或者Cu-B中间合金，Cu-Ti中间合金原位反应制备TiB2/Cu复合材料，难以解决TiB2颗粒团聚的问题，双熔体法虽然可已部分解决但是工艺较为复杂，成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有制备TiB2/Cu复合材料的方法难以解决TiB2颗粒团聚的问题，提出一种原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法，该方法制备的TiB2增强铜基复合材料中TiB2较好的弥散于铜金属基体中，使TiB2增强铜基复合材料具有了良好的综合性能。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是:一种原位制备TiBjf强铜基复合材料的方法，包括以下步骤: 1)将纯铜置于真空熔炼炉炉膛中，将炉膛抽真空后，反充惰性气体，加热至纯铜完全熔化并升温到1000-1500°c ； 2)向铜液中加入Cu-B中间合金，待Cu-B中间合金均匀熔化于铜液中； 3)向铜液中加入Cu-Ti中间合金，反应2-10分钟； 4)将铜液调整温度至1000-1500°C，并将铜液浇铸在位于旋转磁场中的石墨铸模中，在烧铸时，施加旋转磁场； 5)冷凝获得TiB2/Cu复合材料。进一步地,所述旋转磁场强度为l(T80mT。进一步地，所述纯铜、Cu-B中间合金和Cu-Ti中间合金在步骤I)前，进行如下预处理:(1)将材料用稀盐酸清洗，洗去材料表面氧化物及杂质；(2)用无水乙醇在超声波清洗机内清洗材料表面，洗去残留的盐酸以及杂质；(3)将超声清洗后的材料在鼓风干燥箱中烘干(100°C下烘干2h)。进一步地，步骤I)中炉膛抽真空至5-10Pa后，反充惰性气体至0.02-0.08MPa,所述惰性气体为氩气。进一步地,步骤4)中石墨铸|旲为预热的石墨铸丰旲。进一步地，步骤4)中预热的石墨铸模的温度为200-400°C。本专利技术的另一个目的还公开了一种能实现原位制备TiB2增强铜基复合材料方法的设备。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是:一种原位制备TiBjf强铜基复合材料的设备，包括炉体，所述炉体顶端设置有加料斗，所述炉体内靠近顶端设置有加热线圈，所述炉体内靠近底端设置有旋转磁场发生装置，所述旋转磁场发生装置中设置有石墨铸模。进一步地，所述炉体顶端或侧壁还设置有能观测到炉体内的窥视窗。进一步地，所述炉体顶端设置有捣料棒。本专利技术的另一个目的还提供了一种TiB2增强铜基复合材料，该TiB2增强铜基复合材料采用所述原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法制备而成。本专利技术原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法步骤科学、合理，在施加磁场后，TiB2/Cu复合材料抗拉强度有一个明显的提升，这是因为施加磁场后，TiB2颗粒在铜基体中均匀分布，且颗粒比较细小，都在1-10 μ m范围，在发生塑性变形时，有效的阻碍了裂纹的萌生以及扩展，获得了强度较高，且导电性较好的复合材料。本专利技术还提供了原位制备TiB2增强铜基复合材料的设备，该设备结构简单、合理、紧凑，能有效用于实现原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法。【附图说明】图1为本专利技术一种原位制备TiB2增强铜基复合材料的设备的结构示意图； 图2为对照例中O mT磁场下Cu-1TiB2SEM的微观组织； 图3为图2局部放大图； 图4为实施例1中20 mT磁场下Cu-1TiB2SEM的微观组织； 图5为图4局部放大图； 图6为实施例2中40 mT磁场下Cu-1TiB2SEM的微观组织； 图7为图6局部放大图； 图8不同磁场强度下TiB2/Cu复合材料室温力学性能。【具体实施方式】本专利技术公开了一种旋转磁场法原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法，通过在铜液凝固阶段施加不同大小的旋转磁场，使铜液凝固阶段依靠电磁力打散团聚的TiB2颗粒，使之较好的弥散于铜金属基体中，得到了具有良好的综合性能的TiB2增强铜基复合材料。本专利技术原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法，包括以下步骤:I)将纯铜置于真空熔炼炉炉膛中，将炉膛抽真空至5-10Pa后，反充惰性气体(例如氩气)至0.02-0.08MPa,优选的反充惰性气体至0.06MPa。加热至纯铜完全熔化并升温到1000-1500°C，优选的为1250°C，该温度为探索最佳浇铸温度，得到的TiB2增强铜基复合材料既不会因为温度过低产生浇不足、冷隔、夹渣、析出性气孔偏多，也不会因为温度过高引起缩孔、缩松、热裂、反应性气孔偏多等缺陷。本专利技术所述纯铜纯度大于99.97%。本专利技术真空熔炼时，炉膛内气压较低，高温金属熔体容易挥发，金属损耗加大，在造成浪费的同时还不便于成分精确控制，因此充入惰性气体，以减少金属挥发损耗。2)向铜液中加入Cu-B中间合金，待Cu-B中间合金均匀熔化于铜液中。3)向铜液中加入Cu-Ti中间合金，反应2-10分钟，优选的反应5分钟；反应温度过短，反应不完全，导致TiB2生长畸形，在熔体中分布不均匀；反应过长又会使得TiB2颗粒长大，易团聚，且对基体的增强作用减弱。4)将铜液调整温度至1000-1500°C，优选的为1250°C，并将铜液浇铸在位于旋转磁场中的石墨铸模中，该石墨铸模为预热的石墨铸模，温度为200-400°C，优选的为300°C。在烧铸时，施加旋转磁场；所述旋转磁场强度为10、0mT,优选旋转磁场强度为60mT。在烧铸时施加旋转磁场可使熔体(铜液)旋转，搅拌更加剧烈，有助于打散团聚在Cu基体中的TiB2，因此本专利技术在铜液浇铸时施加旋转磁场，而普通磁场不能达到此目的。可以理解本专利技术除石墨铸模外也可使用铁铸模或砂铸模等铸模。为了使铸件表面光滑，减少加工余量，并且延长铁铸模使用寿命，铁铸模需在表面涂涂料，该涂料成分为松香10g，铝粉3飞g，酒精100go砂铸模需采用原砂二氧化硅含量大于85%的砂铸模，优选水玻璃砂或树脂砂。本专利技术优选的石墨铸模简单易用，可以不用涂料，在真空下石墨不易被氧化，使用寿命也大大延长。采用预热石墨铸模可以去除模具表面吸附的自由水和结合水，以防产生氢脆，表面产生气孔等缺陷，还可以减少铸造应力，减少铸件热裂纹的倾向。 5)冷凝获得TiB2/Cu复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将纯铜置于真空熔炼炉炉膛中，将炉膛抽真空后，反充惰性气体，加热至纯铜完全熔化并升温到1000?1500℃；2）向铜液中加入Cu?B中间合金，待Cu?B中间合金均匀熔化于铜液中；3）向铜液中加入Cu?Ti中间合金，反应2?10分钟；4）将铜液调整温度至1000?1500℃，并将铜液浇铸在位于旋转磁场中的石墨铸模中，在浇铸时，施加旋转磁场；5）冷凝获得TiB2/Cu复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将纯铜置于真空熔炼炉炉膛中，将炉膛抽真空后，反充惰性气体，加热至纯铜完全熔化并升温到1000-1500°c ； 2)向铜液中加入Cu-B中间合金，待Cu-B中间合金均匀熔化于铜液中； 3)向铜液中加入Cu-Ti中间合金，反应2-10分钟； 4)将铜液调整温度至1000-1500°C，并将铜液浇铸在位于旋转磁场中的石墨铸模中，在烧铸时，施加旋转磁场； 5)冷凝获得TiB2/Cu复合材料。2.根据权利要求1所述原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法，其特征在于，所述旋转磁场强度为l(T80mT。3.根据权利要求1所述原位制备TiB2增强铜基复合材料的方法，其特征在于，所述纯铜、Cu-B中间合金和Cu-Ti中间合金在步骤I)前，进行如下预处理:(I)将材料用稀盐酸清洗，洗去材料表面氧化物及杂质；(2)用无水乙醇在超声波清洗机内清洗材料表面，洗去残留的盐酸以及杂质；(3)将超声清洗后的材料在鼓风干燥箱中烘干。4.根据权利要求1所述原位制备TiB2增强铜基...

【专利技术属性】
技术研发人员：王同敏，邹存磊，李明宇，王维，张鹏超，曹志强，李廷举，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：