專利名稱：一種梯度銅基復(fù)合材料的制備及零件成型一體化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種梯度銅基復(fù)合材料的制備及零件成型一 體化方法。
背景技術(shù)：
銅基復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、高溫穩(wěn)定性和較 高的強(qiáng)度，在機(jī)電、宇航、微電子等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨 大，已被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路引線框架、電焊電極、 轉(zhuǎn)換開關(guān)、電觸頭等，是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料。 純銅雖然有著很高的電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)及良好的抗電弧侵蝕 能力，但是純銅的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度均較低，難以滿足某 些特殊領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求。
傳統(tǒng)的合金強(qiáng)化法雖然提高了合金的強(qiáng)度，但是合金的 電導(dǎo)率也隨之下降，而且合金元素含量較低，析出強(qiáng)化作用 有限，難以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度高電導(dǎo)率的"雙高"性能。固溶在銅基 體中的原子引起銅原子點(diǎn)陣畸變對(duì)電子的散射作用比第二相引起的散射作用更明顯，所以顆粒復(fù)合強(qiáng)化不會(huì)顯著降低 銅基體的導(dǎo)電性，而且由于第二相的強(qiáng)化作用改善了基體的 室溫性能和高溫性能，成為目前獲得高強(qiáng)度高電導(dǎo)率銅合金 的主要手段。制備原位內(nèi)生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的常見
方法主要有XD法(美國專利，U.S. Patent No. 4710348)、 接觸反應(yīng)法(中國專利，專利號(hào)93104814)，這些方法技 巧性較強(qiáng)，難度高，不易掌握，主要用來制造顆粒增強(qiáng)的A1 基、Ti基、Zn基等復(fù)合材料，而且只能制備整體增強(qiáng)的復(fù)合 材料。
自蔓延高溫合成(Self-propagating High-tempera ture Synthesis,縮寫SHS)，是利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱制 備材料的新技術(shù)。其最顯著的特點(diǎn)就是利用元素間形成化合 物時(shí)發(fā)生高能放熱反應(yīng)，除了引發(fā)合成反應(yīng)所必須的少量外 加能量，整個(gè)反應(yīng)過程主要依靠物料自身的放熱來維持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種梯度銅基復(fù)合材料的制備 及零件成型一體化方法，該方法利用高溫液態(tài)Cll引燃Al粉、 Cii0粉、Cu粉組成的疊層梯度的反應(yīng)預(yù)制塊，零件在成型的 同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了零件的表面梯度復(fù)合強(qiáng)化，即實(shí)現(xiàn)表面梯度 強(qiáng)化與零件成型一體化，降低成本，提高銅基復(fù)合材料的強(qiáng) 度、高溫抗蠕變及抗磨損性，提高了零件的質(zhì)量。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案主要包括以下步驟首先，制備不同配比的反應(yīng)薄片，在行星式球磨機(jī)中將反應(yīng)物和不同設(shè)
計(jì)含量的銅粉分別球磨0.5 1小時(shí)，球磨后在成型模具中 用《0.5噸的壓力將充分混合后的粉體壓成厚度約l 3mm的 反應(yīng)薄片；其中Al粉和CuO粉為反應(yīng)物，Cu粉為稀釋劑， Al粉和CuO粉的摩爾比為1:1. 5,稀釋劑Cu粉的加入量根 據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒徑為25 150 u m; 然后，將上述反應(yīng)薄片根據(jù)Cii粉含量的高低梯度疊層，再 在模具中進(jìn)行冷壓成型得到厚度為2 15mm左右的反應(yīng)預(yù)制 塊，壓力機(jī)噸位為10 20噸；最后，在砂型或金屬型鑄造 模的型腔上部固定反應(yīng)預(yù)制塊，反應(yīng)預(yù)制塊與外界保持良好 的出氣通道，將純銅放入坩堝電阻爐加熱熔化，并保證在 1133 1183t:進(jìn)行澆鑄，即可在零件的表面得到AL03成分呈 梯度分布的銅基復(fù)合材料。
本發(fā)明的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備及零件成型一 體化方法中，在反應(yīng)物中加入粘結(jié)劑纖維素，纖維素為反應(yīng) 物總量的0. 1%。
本發(fā)明的基本原理是CuO和Al在一定的溫度下發(fā)生強(qiáng) 烈的化學(xué)反應(yīng)，生成Ah03和Cu，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其產(chǎn) 生的熱量可維持反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行，無需再提供額外的熱量， 通過高溫液態(tài)Cu提供的能量，可保證化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，同 時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)， 一體化實(shí)現(xiàn)零件表面復(fù)合層原位合 成反應(yīng)及零件成型。本發(fā)明與目前已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)①本發(fā)明通 過Cu0和Al在銅基體表層發(fā)生原位反應(yīng)生成Al203硬質(zhì)增強(qiáng)
相，并與銅基體形成冶金結(jié)合，使銅基復(fù)合材料既有高導(dǎo)電 導(dǎo)熱性能，又提高了銅的強(qiáng)度、高溫抗蠕變及抗磨損性能； ②本發(fā)明制備的表面增強(qiáng)梯度銅基復(fù)合材料的方法不同于 整體復(fù)合法，實(shí)現(xiàn)了材料的表面梯度強(qiáng)化與零件成型一體 化，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，易于推廣，可有效地解決由于整 體強(qiáng)化帶來的導(dǎo)電性能變差的問題；③現(xiàn)有顆粒增強(qiáng)技術(shù)大 多是通過在銅液熔煉過程中形成，從而影響了銅液的流動(dòng) 性，易產(chǎn)生夾雜、澆不足等鑄造缺陷，本發(fā)明的強(qiáng)化層中的 八1203顆粒增強(qiáng)相是原位內(nèi)生的，潤濕性好，界面結(jié)合良好， 分布彌散，解決了外加顆粒所產(chǎn)生的潤濕性差、易污染、界 面結(jié)合不好、顆粒偏聚等缺陷，不影響銅液的流動(dòng)性，鑄件 質(zhì)量不受影響；④復(fù)合材料的基體為銅，強(qiáng)化層中增強(qiáng)體為 AL03相，Al203在強(qiáng)化層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由表及里呈梯度分布， 提高了復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。 本發(fā)明獲得的A1A顆粒 增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具有優(yōu)良的物理性能和力學(xué)性能，可以用 在大功率微波管結(jié)構(gòu)材料、集成電路IC引線框架、轉(zhuǎn)換開關(guān) 觸頭、電阻焊電極頭、高強(qiáng)度電力線、高級(jí)激光反射鏡、電 阻焊電極、連鑄結(jié)晶器、煉鋼用氧槍噴頭、計(jì)算機(jī)引線框架 等場(chǎng)合，在替代銀基觸頭材料方面有著其他材料不可比擬的 優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景-，
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體的實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明。應(yīng)理 解，這些實(shí)施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式 限制本發(fā)明的范圍。 實(shí)施例1:
根據(jù)引線框表面耐磨性能要求，確定復(fù)合層表面A1203 的含量在12.5%，復(fù)合層厚度為5mm，梯度疊層確定為5層， 由表及里設(shè)計(jì)Cu粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12. 5%、 10%、 7. 5%、 5% 和2. 5%，反應(yīng)薄片各層厚度均為lmm。
根據(jù)Al粉和Cu0粉的摩爾比1:1. 5，每100g反應(yīng)物中 Al粉18.4g 、 Cu0粉81.6g，另按100g反應(yīng)物計(jì)算Cu粉的 摻入量分別為177.6g、 247g、 362.7g、 594g、 1288g， Al 粉、CuO粉、Cu粉的粒徑75um。
首先，利用0. 5噸壓力機(jī)將反應(yīng)物和不同量的Cu粉在 成型模具中分別預(yù)壓成約1.2mm厚的反應(yīng)薄片；然后，將上 述薄片按照Cu粉含量梯度疊層，在模具中進(jìn)行冷壓得反應(yīng) 預(yù)制塊，壓力機(jī)噸位選擇為10噸；最后，在砂型鑄造模的 型腔上部固定反應(yīng)預(yù)制塊，坩堝電阻爐將純銅熔化，并加熱 至1158。C進(jìn)行澆鑄，在零件的表面得到AL03成分呈梯度分 布的銅基復(fù)合材料。
實(shí)施例2:
根據(jù)連鑄結(jié)晶器表面耐磨性能要求，確定復(fù)合層表面八1203的含量在25%，復(fù)合層厚度為15mm，梯度疊層確定為5 層，由表及里設(shè)計(jì)Cu粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、 20%、 15%、 10% 和5%，反應(yīng)薄片各層厚度為3mm。
根據(jù)Al粉和CuO粉的摩爾比1: 1.5，每100g反應(yīng)物中 Al粉18. 4g 、 Cu0粉81. 6g，另按100g反應(yīng)物計(jì)算Cu粉 的摻入量分別為36. 8g、 73. 5g、 131g、 247g、 594g，纖維素 含量0. lg， Al粉、Cu0粉、Cu粉的粒徑150 u m。
首先，利用0. 5噸壓力機(jī)將反應(yīng)物和不同量的Cu粉在 成型模具中分別預(yù)壓成比設(shè)計(jì)厚度略厚的3. 6mm反應(yīng)薄片， 然后，將上述薄片按照Cu粉含量梯度疊層，在模具中進(jìn)行 冷壓得反應(yīng)預(yù)制塊，壓力機(jī)噸位選擇為20噸；最后，在金 屬型鑄造模的型腔上部固定反應(yīng)預(yù)制塊，坩堝電阻爐將純銅 熔化，并加熱至1183。C進(jìn)行澆鑄，在零件表面得到Ah03成 分呈梯度分布的銅基復(fù)合材料。
實(shí)施例3:
根據(jù)電極材料表面耐磨性能要求和電極材料的結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)，確定復(fù)合層表面A1203的含量在25%，復(fù)合層厚度為2mm， 梯度疊層確定為2層，由表及里設(shè)計(jì)Cu粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25% 和10%,反應(yīng)薄片厚度為1. 0mra。
根據(jù)Al粉和CuO粉的摩爾比l: 1.5，每100g反應(yīng)物中 Al粉18.4g 、 Cu0粉81.6g，另按100g反應(yīng)物計(jì)算Cu粉的 摻入量分別為36. 8g和247g，纖維素含量0. lg， Al粉、CuO粉、Cu粉的粒徑25um。
首先，利用0. 5噸壓力機(jī)將反應(yīng)物和不同量的Cu粉在 成型模具中分別預(yù)壓成比設(shè)計(jì)厚度略厚的1. 5mm反應(yīng)薄片， 然后，將上述薄片按照Cii粉含量梯度疊層，在模具中進(jìn)行 冷壓得2mm反應(yīng)預(yù)制塊，壓力機(jī)噸位選擇在15噸；最后， 在砂型鑄造模的型腔上部固定反應(yīng)預(yù)制塊，坩堝電阻爐將純 銅熔化，并加熱至1133。C進(jìn)行澆鑄，在零件表面得到A1203 成分呈梯度分布的銅基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1. 一種梯度銅基復(fù)合材料的制備及零件成型一體化方法，其特征在于該方法包括以下步驟首先，Al粉、Cu粉和不同含量的Cu粉制備不同配比反應(yīng)薄片；然后，將上述反應(yīng)薄片根據(jù)Cu粉含量梯度疊層，在模具中進(jìn)行冷壓得到反應(yīng)預(yù)制塊；最后，在砂型或金屬型鑄造模的型腔上部固定反應(yīng)預(yù)制塊，利用坩堝電阻爐將純銅熔化并澆鑄，即可得到零件表面Al2O3成分呈梯度分布的銅基復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備 及零件成型一體化方法，其特征在于Al粉和CuO粉為反應(yīng) 物，Cu粉為稀釋劑，Al粉和CuO粉摩爾比為1:1. 5，稀釋劑 Cii粉的加入量根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，Al粉、CuO粉、Cu粉的粒 -B為25 150nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備 及零件成型一體化方法，其特征在于反應(yīng)薄片在球磨機(jī)中 制得，在行星式球磨機(jī)中反應(yīng)物和不同含量的銅粉球磨0. 5 1小時(shí)，充分混合后的粉體在成型模具中《0. 5噸的壓力機(jī)預(yù) 壓成的反應(yīng)薄片。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備 及零件成型一體化方法，其特征在于反應(yīng)薄片厚l-3mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備 及零件成型一體化方法，其特征在于將反應(yīng)薄片根據(jù)Cll粉 含量的高低進(jìn)行疊層，在模具中冷壓得反應(yīng)預(yù)制塊，反應(yīng)預(yù) 制塊的冷壓壓力10 20噸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備及零件成型一體化方法，其特征在于反應(yīng)預(yù)制塊厚度為2 15mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備及零件成型一體化方法，其特征在于純銅的澆鑄溫度為H33 1183。C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度銅基復(fù)合材料的制備 及零件成型一體化方法，其特征在于在反應(yīng)物中加入粘結(jié) 劑纖維素，纖維素為反應(yīng)物總量的0. 1%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種梯度銅基復(fù)合材料的制備及零件成型一體化方法，首先，制備不同配比的反應(yīng)薄片；然后，將上述反應(yīng)薄片根據(jù)Cu含量梯度疊層，在模具中進(jìn)行冷壓得到反應(yīng)預(yù)制塊；最后，在砂型或金屬型鑄造模的型腔上部固定反應(yīng)預(yù)制塊，坩堝電阻爐將純銅熔化并加熱至1133～1183℃進(jìn)行澆鑄，即可得到在零件的表面Al₂O₃成分呈梯度分布的銅基復(fù)合材料。本發(fā)明利用高溫液態(tài)Cu引燃Al粉、CuO粉和Cu粉組成的梯度疊層的反應(yīng)預(yù)制塊，實(shí)現(xiàn)零件表面梯度強(qiáng)化與零件成型一體化，降低了成本，增強(qiáng)了銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度、高溫抗蠕變及抗磨損性能，提高了零件的質(zhì)量。
文檔編號(hào)B22F3/03GK101284307SQ20081009937
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月4日
發(fā)明者丁紅燕, 劉義發(fā), 史紹軍, 周廣宏, 李年蓮, 躍 章 申請(qǐng)人:淮陰工學(xué)院