專利名稱：銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合粉體材料，尤其是涉及一種銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體及其制 備方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體制品和精密儀器趨于小型化和功能化，粉體材料已經(jīng)越來越多地被直接作為 功能材料使用，因而對粉體材料除了機(jī)械性能的要求以外，對其功能性的要求也越來越高。 因此，制備復(fù)合粉體從而實(shí)現(xiàn)粉體材料功能的多樣性也成了目前粉體材料研究的一個熱點(diǎn)。 銅基合金/不銹鋼的復(fù)合粉體在電子、催化和粉末冶金領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景(1、 M. Van Cleemput， H. Jones， M. Van Der Burgt， J隱R Barrau, J.A. Lee, Y.Eyssa, and H-J. Schneider-Muntau: Copper/stainless steel conductor for high field pulsed magnets. iV^義 5 (S4/wWen^a/w」216, 226(1996); 2、 W. Grunberger， M. Heilmaier, and L. Schultz: High-strength, high-nitrogen stainless steel —copper composite wires for conductors in pulsed high-field magnets.她&K Z饑 52， 154(2002))，但由于不銹鋼與銅基合金性能上的差異，兩種材料的復(fù)合是非常困難的， 一般 的方法是通過化學(xué)法制備出復(fù)合粉體。例如公開號為CN1548261的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N銅 包鐵復(fù)合粉的制造方法，它是在攪拌的狀態(tài)下，把還原鐵粉迅速加入摻有穩(wěn)定劑且pH值為 0.5 4.8的硫酸銅溶液中，繼續(xù)攪拌2 10min，使銅完全包覆在鐵粉顆粒的表面，即形成銅 包鐵復(fù)合粉；讓銅包鐵復(fù)合粉沉降3 20min，去掉上清液，加清水洗滌，使其無酸性為止； 再經(jīng)脫水干燥處理后，進(jìn)行篩分；然后進(jìn)行防氧化處理，進(jìn)行混粉、檢驗(yàn)、包裝入庫。本發(fā) 明可以使銅均勻、緊密、牢固地完全包覆于鐵粉顆粒上，而且確保放置六個月不氧化，提高 其抗氧化性能。公開號為CN101116909的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N銅包鐵復(fù)合粉的制備方法， 它包括如下步驟將含銅堿性蝕刻廢液加入酸性蝕刻廢液中，配制成溶液pH為2 4.5、銅 濃度為50 100g/L的原料液，將還原鐵粉酸洗處理后加入帶渦輪式攪拌的反應(yīng)釜中，加水， 攪拌并順次加入分散劑、緩蝕劑，均勻加入銅原料液，繼續(xù)攪拌，使銅完全包覆在鐵粉顆粒 的表面，得到銅包鐵復(fù)合粉，進(jìn)行抽濾，洗漆，離心脫水，防氧化處理，真空干燥，篩分后 得到最終產(chǎn)品。該發(fā)明的方法可使銅均勻、緊密、牢固地完全包覆于鐵粉顆粒上，且放置六 個月不氧化，提高了其抗氧化性能。該發(fā)明制備的銅包鐵粉，表面色澤亮，包覆率高，表面 包覆均勻、致密，且由于避免了使用硫酸銅，因此比以往的制造方法成本更低廉。但上述制備工藝比較復(fù)雜，并且工藝過程中原料損失嚴(yán)重，因而產(chǎn)業(yè)化受到很大限制。因此，尋找一 種簡單而且廉價的銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體的制備技術(shù)是十分重要的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的制備銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體的工藝比較復(fù)雜，工藝過程中 原料損失嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)化受到很大限制等問題，提供一種簡單廉價的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù) 合粉體及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是利用發(fā)展成熟的霧化法制粉工藝，制備出內(nèi)核/外層(二層結(jié)構(gòu))或 內(nèi)核/次外層/最外層(三層結(jié)構(gòu))的銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體。同時利用液相調(diào)幅分解型合 金(即合金在液相中呈現(xiàn)兩相分離)的性質(zhì)，可以有效地控制復(fù)合粉體的內(nèi)外組成相的成分， 從而實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合粉體結(jié)構(gòu)的可調(diào)控型設(shè)計，這種復(fù)合粉體在此稱作自組裝復(fù)合粉體。本發(fā)明所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體包括內(nèi)核和外層，內(nèi)核為不銹鋼內(nèi)核或銅 基合金內(nèi)核，外層為銅基合金層或?yàn)椴讳P鋼層和銅基合金層復(fù)合層，所述不銹鋼層和銅基合 金層復(fù)合層是由不銹鋼層和銅基合金層復(fù)合組成，不銹鋼層在內(nèi)層，銅基合金層在內(nèi)層外。不銹鋼選自馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼等。按國家標(biāo)準(zhǔn)，按質(zhì)量百分 比，馬氏體不銹鋼的成分為C: 0 1.20%， Cr: 13% 20%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等中的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等的總含量不超過3%，余為鐵；奧氏體不銹 鋼的成分為C<0.15%， Cr: 17% 19%， Ni: 8% 12%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si等中 的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si等的總含量不超過3M，余為鐵；鐵素體不銹鋼的成分為 C<0.12%， Cr: 16% 18%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等中的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等的總含量不超過3X，余為鐵。本發(fā)明所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體的制備方法包括以下步驟1) 按質(zhì)量百分比，按預(yù)先設(shè)定的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合材料的成分，稱量銅、鐵、 鉻各金屬放入真空感應(yīng)爐內(nèi)的熔煉裝置熔化；2) 將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用惰性氣體(最好為氬 氣或氮?dú)獾?或水蒸汽吹之，即得銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體。真空感應(yīng)爐的工作頻率最好為150 250KHz。惰性氣體或水蒸汽的流速盡可能快，以便 盡可能獲得高的溫度梯度(粉體中心與外層之間)。與現(xiàn)有的銅基合金與不銹鋼復(fù)合粉體的制備方法相比，本發(fā)明采用簡單的霧化法制粉工 藝，制備出銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體，其界面接觸良好。同時利用液相調(diào)幅分解型合 金(即合金在液相中呈現(xiàn)兩相分離)的性質(zhì)，可以有效地控制復(fù)合粉體的內(nèi)外組成相的成分， 從而實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合粉體結(jié)構(gòu)的可調(diào)控型設(shè)計。本發(fā)明適用于一切可通過液相調(diào)幅分解型合金(即合金在液相中呈現(xiàn)兩相分離)來制備的復(fù)合粉體。


圖1為合金Cu-44Fe-llCr (wt.%)相關(guān)系與溫度示意圖。在圖1中，橫坐標(biāo)為銅的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)(Cu/ wt.%)，縱坐標(biāo)為溫度(Temperature/K)，細(xì)線所示處成分即為Cu-44Fe-llCr(wt.%)。 該合金在1600 1750K的溫度范圍內(nèi)，液相呈兩相分離(Ll+L2)。圖2為合金Cu-44Fe-llCr (wt.%)在Ll+L2區(qū)域內(nèi)，兩液相的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系 圖。在圖2中，橫坐標(biāo)為溫度(Temperature/K)，縱坐標(biāo)為液相體積分?jǐn)?shù)(Volume fraction)。 線a所示為富鐵相(不銹鋼Fe-richphase)的體積分?jǐn)?shù)，線b所示為富銅相(銅基合金Cu-rich phase)的體積分?jǐn)?shù)。圖3為合金Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)相關(guān)系與溫度示意圖。在圖3中，橫坐標(biāo)為銅的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)(Cu/wt.%)，縱坐標(biāo)為溫度(Temperature/K)，細(xì)線所示處成分即為Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)。該合金在1600 1750K的溫度范圍內(nèi)，液相呈兩相分離(Ll+L2)。圖4為合金Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)在Ll+L2區(qū)域內(nèi)，兩液相的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān) 系圖。在圖4中，橫坐標(biāo)為溫度(Temperature/K)，縱坐標(biāo)為液相體積分?jǐn)?shù)(Volume fraction)。 線a所示為富銅相(銅基合金Cu-richphase)的體積分?jǐn)?shù)，線b所示為富鐵相(不銹鋼Fe-rich phase)的體積分?jǐn)?shù)。圖5為銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體橫截面組織示意圖，內(nèi)核為富銅相(銅基合金內(nèi) 核Cu-rich)，次外層為富鐵相(鐵素體不銹鋼層Fe-rich)，最外層為富銅相(銅基合金層 Cu-rich)。在圖5中，標(biāo)尺為20pm。圖6為不銹鋼/銅基合金自組裝復(fù)合粉體橫截面組織示意圖，內(nèi)核為富鐵相(馬氏體不銹 鋼內(nèi)核Fe-rich)，外層為富銅相(銅基合金層Cu-rich)。在圖6中，標(biāo)尺為20iam。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1將450g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 440g純鐵(純度為99.9wt.%)， 110g純鉻 (Cr，純度為99.8 wt.%)放置于氧化鋁坩鍋中，然后將氧化鋁坩鍋放入內(nèi)置于霧化設(shè)備的真 空感應(yīng)爐(電源電壓110V/220VAC;電源頻率50~60Hz;工作頻率150 250KHz)中， 關(guān)閉爐門后抽真空至真空感應(yīng)爐內(nèi)的真空度至1x10—3Pa，加大電流至上述三種純金屬完全熔 化至液體，所得合金液體成分為Cu-44Fe-llCr (wt.%)。將熔化了的合金液體(約lkg)傾倒 于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用氬氣氣流吹之，在霧化室的最下端可得銅基合金/不 銹鋼自組裝復(fù)合粉體。關(guān)閉氬氣氣流閥，同時將電流值減小至零，當(dāng)霧化設(shè)備冷卻到常溫(約25°C)時，打開充氣閥注入空氣，至霧化設(shè)備內(nèi)外壓強(qiáng)平衡時開啟出料門，取出銅基合金/不銹鋼(鐵合金)復(fù)合粉體，銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體的橫截面組織示意圖見圖5。合金 Cu-44Fe-llCr(wt。/。)在1600 1750K的溫度范圍內(nèi)，液相呈兩相分離(Ll+L2)(參見圖1)， 富鐵的液相體積分?jǐn)?shù)大于富銅液相的體積分?jǐn)?shù)(參見圖2)，結(jié)合所得復(fù)合粉體的橫截面組織 示意圖(參見圖5)，內(nèi)核為富銅相(銅基合金)內(nèi)核，次外層為鐵素體不銹鋼，最外層甚薄 (銅基合金)，可知體積分?jǐn)?shù)小的液相形成內(nèi)核，體積分?jǐn)?shù)多的液相形成外層，此即為自組裝 復(fù)合粉體結(jié)構(gòu)可調(diào)控設(shè)計的原理。 實(shí)施例2將600g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 328g純鐵(純度為99.9wt.%)， 72g純鉻(Cr， 純度為99.8wt.。/。)放置于氧化鋁坩鍋中，然后將氧化鋁坩鍋放入內(nèi)置于霧化設(shè)備的真空感應(yīng) 爐(電源電壓110V/220V AC;電源頻率50~60Hz;工作頻率150 250KHz)中，關(guān)閉 爐門后抽真空至真空感應(yīng)爐內(nèi)的真空度至1x10—3Pa，加大電流至上述三種純金屬完全熔化至 液體，所得合金液體成分為Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)。將熔化了的合金液體(約lkg)傾倒于 受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用氮?dú)鈿饬鞔抵?，在霧化室的最下端可得銅基合金/不銹 鋼自組裝復(fù)合粉體。關(guān)閉氮?dú)鈿饬麝H，同時將電流值減小至零，當(dāng)霧化設(shè)備冷卻到常溫(約 25°C)時，打開充氣閥注入空氣，至霧化設(shè)備內(nèi)外壓強(qiáng)平衡時開啟出料門，取出不銹鋼/銅基 合金復(fù)合粉體，其復(fù)合粉體的橫截面組織示意圖見圖6。合金01-32^6-7.20" %)在1600 1750K的溫度范圍內(nèi)，液相呈兩相分離(Ll+L2)(參見圖3)，富銅的液相體積分?jǐn)?shù)大于富 鐵液相的體積分?jǐn)?shù)(參見圖4)，結(jié)合所得復(fù)合粉體的橫截面組織示意圖(參見圖6)，內(nèi)核為 馬氏體不銹鋼內(nèi)核，外層為富銅相(銅基合金)層，可知體積分?jǐn)?shù)小的液相形成內(nèi)核，體積 分?jǐn)?shù)多的液相形成外層，進(jìn)一步驗(yàn)證了自組裝復(fù)合粉體結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性。實(shí)施例3將440g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 440g純鐵(純度為99.9wt.%)， 110g純鉻 (Cr，純度為99.8wt.。/。)， 10g純鉬(純度為99.9wt.%)放置于氧化鋁坩鍋中，按照實(shí)施例1 所述的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體，復(fù)合粉體的橫截面組織的內(nèi)核為富銅相(銅 基合金)內(nèi)核，次外層為鐵素體不銹鋼層，最外層甚薄(銅基合金)。 實(shí)施例4將590g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%), 328g純鐵(純度為99.9wt.%)， 72g純鉻(Cr， 純度為99.8wty。)， 10g純鎳(純度為99.9wt/1/。)放置于氧化鋁坩鍋中放置于氧化鋁坩鍋中， 按照實(shí)施例2所敘的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體，復(fù)合粉體的橫截面組織的內(nèi) 核為奧氏體不銹鋼內(nèi)核，外層為富銅相(銅基合金)層。實(shí)施例5將435g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 440g純鐵(純度為99.9wt.%)， 110g純鉻 (Cr，純度為99.8 wt.%)， 5g純鈮(純度為99.9wt.%)， 5g純鈦(純度為995wt.%)放置于 氧化鋁坩鍋中，按照實(shí)施例1所述的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體，復(fù)合粉體的 橫截面組織的內(nèi)核為富銅相(銅基合金)內(nèi)核，次外層為鐵素體不銹鋼層，最外層甚薄(銅基 合金)。實(shí)施例6將585g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 328g純鐵(純度為99.9wt.%)， 72g純鉻(Cr， 純度為99.8 wt.%)， 9g純硅(純度為99.9wt.%)， 4g純釩(純度為99.8wt.%)放置于氧化鋁 坩鍋中放置于氧化鋁坩鍋中，按照實(shí)施例2所敘的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復(fù)合粉體， 復(fù)合粉體的橫截面組織的內(nèi)核為馬氏體不銹鋼內(nèi)核，外層為富銅相(銅基合金)層。
權(quán)利要求
1. 銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體，其特征在于包括內(nèi)核和外層，內(nèi)核為不銹鋼內(nèi)核或銅基合金內(nèi)核，外層為銅基合金層或?yàn)椴讳P鋼層和銅基合金層復(fù)合層，所述不銹鋼層和銅基合金層復(fù)合層是由不銹鋼層和銅基合金層復(fù)合組成，不銹鋼層在內(nèi)層，銅基合金層在內(nèi)層外。
2. 如權(quán)利要求1所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體，其特征在于不銹鋼選自馬氏 體不銹鋼、奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼。
3. 如權(quán)利要求2所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體，其特征在于按質(zhì)量百分比， 馬氏體不銹鋼的成分為C: 0 1.20%， Cr: 13% 20%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni中 的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni的總含量不超過3。/。，余為鐵。
4. 如權(quán)利要求2所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體，其特征在于奧氏體不銹鋼的 成分為C<0.15%， Cr: 17% 19%, Nh 8% 12%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si中的至少 一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si的總含量不超過3。/。，余為鐵。
5. 如權(quán)利要求2所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體，其特征在于鐵素體不銹鋼的 成分為C<0.12%， Cr: 16%~18%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni中的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等總含量不超過3X，余為鐵。
6. 如權(quán)利要求1所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于包括 以下步驟1) 按質(zhì)量百分比，按預(yù)先設(shè)定的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合材料的成分，稱量銅、鐵、 鉻各金屬放入真空感應(yīng)爐內(nèi)的熔煉裝置熔化；2) 將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用惰性氣體或水蒸汽吹 之，即得銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體。
7. 如權(quán)利要求6所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于真空 感應(yīng)爐的工作頻率為150 250KHz。
8. 如權(quán)利要求6所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于惰性 氣體為氬氣或氮?dú)狻?br> 全文摘要
銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體及其制備方法，涉及一種復(fù)合粉體材料。提供一種簡單廉價的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體及其制備方法。包括內(nèi)核和外層，內(nèi)核為不銹鋼內(nèi)核或銅基合金內(nèi)核，外層為銅基合金層或?yàn)椴讳P鋼層和銅基合金層復(fù)合層，所述不銹鋼層和銅基合金層復(fù)合層是由不銹鋼層和銅基合金層復(fù)合組成，不銹鋼層在內(nèi)層，銅基合金層在內(nèi)層外。按質(zhì)量百分比，按預(yù)先設(shè)定的銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合材料的成分，稱量銅、鐵、鉻各金屬放入真空感應(yīng)爐內(nèi)的熔煉裝置熔化；將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用惰性氣體或水蒸汽吹之，即得銅基合金/不銹鋼自組裝復(fù)合粉體。
文檔編號B22F1/02GK101269415SQ20081007097
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者劉興軍, 王翠萍 申請人:廈門大學(xué)