專利名稱：碳化鈦彌散強化銅基復(fù)合材料的自蔓延高溫合成制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種自蔓延高溫合成制備碳化
鈦彌散強化銅基復(fù)合材料的方法，可用于電力產(chǎn)業(yè)、國防工業(yè)、集成電路、焊接設(shè)備等領(lǐng)域 廣泛應(yīng)用的高強高導(dǎo)銅基復(fù)合材料的生產(chǎn)制備。
背景技術(shù)：
高強高導(dǎo)銅合金是一類有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能材料，在眾多
工業(yè)領(lǐng)域中有著不可替代的作用，廣泛應(yīng)用于集成電路的引線框架口、各類點焊和滾焊機
的電極、大功率異步牽引電動機轉(zhuǎn)子、電氣化鐵路接觸導(dǎo)線、熱核實驗反應(yīng)堆(ITER)偏濾
器垂直靶散熱片等電力、電工、機械制造領(lǐng)域。但是，銅合金中的強度和導(dǎo)電性一直是一對
相矛盾的特性，此消彼漲，一般只能在犧牲電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的前提下改善銅的力學(xué)性能，以
獲得高的強度。如何解決這一矛盾，一直是高強高導(dǎo)銅合金研究的關(guān)鍵課題。
目前獲得高強高導(dǎo)銅合金的途徑主要有兩種一是合金化途徑，即向銅中引入合
金元素以形成銅合金來進行強化；二是復(fù)合化途徑，即向銅基體中引入第二強化相以形成
復(fù)合材料來進行強化。 合金化法是在銅中添加合金元素，溶質(zhì)原子溶入晶格后會引起晶格點陣畸變，造 成應(yīng)力場，從而使強度提高。傳統(tǒng)的合金化法主要通過固溶強化和析出強化等手段來強化 銅基體。根據(jù)合金固溶強化原理，銅合金中常用的固溶合金元素有Sn、Cd、Ag等。根據(jù)析出 強化原理，目前已開發(fā)的該類銅合金有Cu-Cr、Cu-Zr、Cu-Ti、Cu-Fe等。合金化法的優(yōu)點在 于技術(shù)較成熟、工藝簡單、成本較低，適宜規(guī)?；a(chǎn)。其缺點是晶體中畸變的點陣對運動 電子的散射作用相應(yīng)加劇，降低了導(dǎo)電性。 一般只能在犧牲電導(dǎo)率的前提下改善銅的力學(xué) 性能。合金化法制備的銅合金強度在350 650MPa之間，電導(dǎo)率一般不超過90% IACS，難 以滿足新一代電器件對性能的要求。 根據(jù)導(dǎo)電理論，第二相在銅基體中的引起的電子的散射作用比固溶原子在銅基體 中引起的散射作用弱得多，故復(fù)合強化不會引起銅基體導(dǎo)電性的明顯降低，且增強相還能 改善基體的機械性能，成為獲得高強度高導(dǎo)電性銅合金的主要手段。研究資料表明，利用材 料復(fù)合化制備的Cu-Ta、 Cu-Nd等復(fù)合材料強度大于1400MPa，導(dǎo)電率達90% IACS以上，并 已得到工程應(yīng)用。復(fù)合化途徑根據(jù)強化相引入方式的不同可以分為人工復(fù)合法和原位復(fù)合 法。 人工復(fù)合法通過人為地向銅中加入第二相的晶須或纖維對銅基體進行強化，或依 靠強化相本身來增大材料強度的方法，例如氧化強化法、機械合金化法以及碳纖維復(fù)合法 等。人工復(fù)合法的特點是部分方法比較成熟，其產(chǎn)品已獲得工程應(yīng)用，但工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成 本高。原位復(fù)合法是向銅中加入一定量合金元素，通過一定工藝，使銅內(nèi)部原位生成增強 相，而不是加工前就存在增強體與基體銅兩種材料，包括塑性變形復(fù)合法、原位反應(yīng)復(fù)合法 和原位生長復(fù)合法。對比人工復(fù)合法，原位復(fù)合法所獲得的產(chǎn)品中基體和第二相界面相容 性更好，制備工藝步驟減少，生產(chǎn)成本降低。
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碳化鈦(TiC)是一種FCC結(jié)構(gòu)的間隙化合物，具有高硬度、高熔點、低電阻率等諸 多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于粉末冶金等領(lǐng)域。若把TiC彌散分布到純銅基體中，就可制備出一種高 強高導(dǎo)的TiC彌散強化銅基復(fù)合材料。傳統(tǒng)的TiC彌散強化銅基復(fù)合材料是先單獨制備 TiC和Cu粉，然后在通過機械合金化等方法來獲得的。但是傳統(tǒng)的TiC粉末制備工藝較為 復(fù)雜，成本較高，從而導(dǎo)致TiC彌散強化銅基復(fù)合材料的生產(chǎn)工序復(fù)雜，成本較高。
2006年，中國專利CN1804077A報道了一種原位生產(chǎn)碳化鈦彌散強化銅基復(fù)合材 料及其制備方法將錫碳化鈦超細粉按預(yù)定比例與銅粉混合，球磨5 15小時后，裝入石墨 模具中冷壓，在800 90(TC溫度下的保護氣氛熱壓室內(nèi)燒結(jié)0. 5 3小時，最后再將得到 的復(fù)合材料在950 105(TC退火2 8小時。這種方法能成功制備出TiC彌散強化銅基復(fù) 合材料，但需要先制備出超細高純的錫碳化鈦粉末，增加了制備工序，提高了生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種自蔓延高溫合成制備碳化鈦彌散 強化銅基復(fù)合材料的方法，縮短工藝路線，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 本發(fā)明自蔓延高溫合成制備碳化鈦彌散強化銅基復(fù)合材料的技術(shù)方案是以粒度 均小于100目，純度均大于99 %的Cu粉、Ti粉和C粉為原料，先將一定量的Cu粉、Ti粉和 C粉(Cu粉與Ti+C粉的質(zhì)量比為50 : 50 70 : 30，其中Ti粉與C粉的摩爾比為l : 1)
混合均勻，把球料比為io : i ioo : i的鋼球和混合粉末在充滿氬氣的手套箱中放入球
磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的10 50% ;在室溫下以1000 2000轉(zhuǎn)/分的 轉(zhuǎn)速進行高能球磨3 10小時；然后將球磨后的混合粉末冷壓成型；最后在真空室內(nèi)采用 電弧引燃壓坯，通過壓坯的自蔓延高溫合成制備TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料，TiC顆粒的 平均粒徑2 8 i！ m。本發(fā)明采用簡單的自蔓延高溫合成方法，使純Cu粉、Ti粉和C粉原位 反應(yīng)合成制備TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料，具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量 高等優(yōu)點。 本發(fā)明通過對高能球磨和自蔓延高溫合成參數(shù)的控制，利用純Cu粉、Ti粉和C粉 原位反應(yīng)合成制備TiC彌散強化銅基復(fù)合材料，縮短工藝路線，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì) 量，以實現(xiàn)TiC彌散強化銅基復(fù)合材料的大規(guī)模廣泛應(yīng)用。
具體實施例方式
下面以實例進一步說明本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于此。 實施例1 :以粒度均為150目，純度均為99. 9%的Cu粉、Ti粉和C粉為原料，先將
一定量的Cu粉、Ti粉和C粉(Cu粉與Ti+C粉的質(zhì)量比為50 : 50，其中Ti粉與C粉的摩
爾比為i : i)混合均勻，把球料比為20 : i的鋼球和混合粉末在充滿氬氣的手套箱中放
入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的15% ;在室溫下以1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進行
高能球磨3小時；然后將球磨后的混合粉末冷壓成①30mmX30mm的圓柱坯；最后在真空室 內(nèi)采用電弧引燃壓坯，通過壓坯的自蔓延高溫合成制備TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料，TiC 顆粒的平均粒徑7. 5 ii m左右。 實施例2 :以粒度均為200目，純度均為99. 9%的Cu粉、Ti粉和C粉為原料，先將 一定量的Cu粉、Ti粉和C粉(Cu粉與Ti+C粉的質(zhì)量比為60 : 40，其中Ti粉與C粉的摩爾比為i : i)混合均勻，把球料比為40 : i的鋼球和混合粉末在充滿氬氣的手套箱中放
入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的25% ;在室溫下以1500轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進行 高能球磨6小時；然后將球磨后的混合粉末冷壓成①30mmX30mm的圓柱坯；最后在真空室 內(nèi)采用電弧引燃壓坯，通過壓坯的自蔓延高溫合成制備TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料，TiC 顆粒的平均粒徑4. 5 ii m左右。 實施例3 :以粒度均為300目，純度均為99. 9%的Cu粉、Ti粉和C粉為原料，先將 一定量的Cu粉、Ti粉和C粉(Cu粉與Ti+C粉的質(zhì)量比為70 : 30，其中Ti粉與C粉的摩
爾比為i : i)混合均勻，把球料比為so : i的鋼球和混合粉末在充滿氬氣的手套箱中放
入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的35% ;在室溫下以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進行 高能球磨9小時；然后將球磨后的混合粉末冷壓成①30mmX30mm的圓柱坯；最后在真空室 內(nèi)采用電弧引燃壓坯，通過壓坯的自蔓延高溫合成制備TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料，TiC 顆粒的平均粒徑2. 5 ii m左右。
權(quán)利要求
一種碳化鈦彌散強化銅基復(fù)合材料的自蔓延高溫合成制備方法，其特征在于含有以下步驟以粒度均小于100目，純度均大于99％的Cu粉、Ti粉和C粉為原料，先將Cu粉、Ti粉和C粉混合均勻，把球料比為10∶1～100∶1的鋼球和混合粉末在充滿氬氣的手套箱中放入球磨罐中，使球料混合物占球磨罐內(nèi)腔體積的10～50％；在室溫下以1000～2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進行高能球磨3～10小時；然后將球磨后的混合粉末冷壓成型；最后在真空室內(nèi)采用電弧引燃壓坯，通過壓坯的自蔓延高溫合成制備TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化鈦彌散強化銅基復(fù)合材料的自蔓延高溫合成制備 方法，其特征在于所述的先將Cu粉、Ti粉和C粉混合均勻時的混合粉末中，Cu粉與Ti+C粉的質(zhì)量比為50 : 50 70 : 30，其中Ti粉與c粉的摩爾比為i : i。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳化鈦彌散強化銅基復(fù)合材料的自蔓延高溫合成制備 方法，其特征在于所述的TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料的TiC顆粒的平均粒徑2 8 m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳化鈦彌散強化銅基復(fù)合材料的自蔓延高溫合成制備方法以粒度均小于100目，純度均大于99％的Cu粉、Ti粉和C粉為原料，將一定量的Cu粉、Ti粉和C粉(Cu粉與Ti+C粉的質(zhì)量比為50∶50～70∶30，其中Ti粉與C粉的摩爾比為1∶1)混合后在室溫下高能球磨3～10小時；然后將混合粉末冷壓成型；最后在真空室內(nèi)采用電弧引燃壓坯，通過壓坯的自蔓延高溫合成制備TiC彌散強化的銅基復(fù)合材料，TiC顆粒的平均粒徑為2～8μm。本發(fā)明采用簡單的自蔓延高溫合成方法，使純Cu粉、Ti粉和C粉原位反應(yīng)合成制備TiC彌散強化銅基復(fù)合材料，具有工藝簡單、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量高等優(yōu)點。
文檔編號C22C29/10GK101709398SQ20091009517
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者周蕓, 朱心昆, 李才巨, 陳鐵力, 陶靜梅 申請人:昆明理工大學(xué)