本發(fā)明涉及冶金復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
很早以前人們就開始在cu中添加tic等陶瓷顆粒的研究，以制備高強(qiáng)度耐高溫cu基復(fù)合材料。然而，tic和cu的相互溶解度很小，cu對tic的潤濕性較差，即使在高溫下潤濕角仍較大，在1200℃的真空狀態(tài)下，潤濕角為109°，這不利于形成良好的界面結(jié)合，且由于微細(xì)增強(qiáng)顆粒間存在較大的表面能作用，在固化時極易團(tuán)聚，很難在基體中制備出均勻分布的小尺寸增強(qiáng)相，阻礙了tic/cu基復(fù)合材料綜合性能的提高。非計(jì)量比ticx相不僅具有tic優(yōu)良的的性能特征，還可與銅發(fā)生良好的潤濕，隨著x值的減小，潤濕角逐漸減小，當(dāng)x＝0.5時，兩者的潤濕角接近0°，達(dá)到完全潤濕。以非計(jì)量比ticx代替tic顆粒制備銅基復(fù)合材料將有可從根本上克服增強(qiáng)相彌散和增強(qiáng)相/基體間的界面問題。
目前，常規(guī)原位直接反應(yīng)體系產(chǎn)生非計(jì)量比ticx相的方法至少存在兩個問題：(1)ticx的生成能隨著x值降低而迅速增大，反應(yīng)產(chǎn)物傾向于tic，而不是非計(jì)量比的ticx，因此難以避免tic相的存在；(2)反應(yīng)難以充分進(jìn)行，不可避免殘留反應(yīng)相的存在，往往都會有未完全反應(yīng)的石墨相，石墨與cu之間天然的不浸潤，殘留的石墨與cu基體很難形成強(qiáng)的界面，影響材料的性能。因此，開發(fā)新的原位反應(yīng)方法制備純凈非計(jì)量比ticx相成為制備高性能ticx/銅基復(fù)合材料的重要問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種強(qiáng)度大、耐磨性高且塑性良好的非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明通過將ti2snc、碳化硅鈦及銅粉真空原位反應(yīng)燒結(jié)制備成tic/cu中間體材料，將中間體材料進(jìn)行氣霧化處理后，再依次進(jìn)行球磨、冷壓制坯、真空燒結(jié)、擠壓和熱處理后，即得tic/cu基復(fù)合材料，該方法制備的tic/cu基復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度和耐磨性。
為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述復(fù)合材料按質(zhì)量比由1～5wt％非計(jì)量比tic顆粒和余量的基體銅合金組成；所述基體銅合金為cu-ni-sn-si合金。
進(jìn)一步地，所述基體銅合金含有如下質(zhì)量比的成分：7～8.5wt％sn、0.15～0.4wt％si、14.5～15.5wt％ni、fe≤0.3wt％、zn≤0.3wt％、mn≤0.12wt％、nb≤0.08wt％、pb≤0.02wt％、雜質(zhì)≤0.5wt％、余量為cu。
進(jìn)一步地，所述基體銅合金含有如下質(zhì)量比的成分8wt％sn、0.25wt％si、15wt％ni、fe≤0.3wt％、zn≤0.3wt％、mn≤0.12wt％、nb≤0.08wt％、pb≤0.02wt％、雜質(zhì)≤0.5wt％、余量為cu。
本發(fā)明還提供了一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法,具體步驟如下：
(1)將ti2snc和ti3sic2置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的ti2snc和ti3sic2晾干后與cu粉末在充滿氬氣的球磨罐中進(jìn)行球磨混合，即得混合粉體；
(2)將步驟(1)中所制備的混合粉體進(jìn)行冷壓制坯和真空燒結(jié)處理，即得tic/cu中間體材料；
(3)將cu置于快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐中，待cu完全溶化后，再將ni、tic/cu中間體材料、sn及si依次加入到真空感應(yīng)熔煉爐中，將真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行保溫處理直至真空感應(yīng)熔煉爐中的材料完全熔化，即得混合液體；
(4)在陶瓷管內(nèi)徑為4.5～6.5mm、噴嘴氣體間隙0.5～1.5mm、氮?dú)鈿怏w流量為20～35m3/h、溫度為1250～1400℃的條件下對步驟(3)中所得的混合液體進(jìn)行氣霧化處理，即得非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料，將所制備的非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料過300目篩，即得預(yù)合金粉。
(5)將步驟(4)中所得的預(yù)合金粉置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的預(yù)合金粉進(jìn)行球磨、冷壓制坯、真空燒結(jié)、擠壓和熱處理后，即得tic/cu基復(fù)合材料。
進(jìn)一步地，所述步驟(1)中ti2snc和ti3sic2的粒度均小于20um；將步驟(1)中的球磨罐置于轉(zhuǎn)速為100～250r/min的條件下球磨8～16h。
進(jìn)一步地，所述步驟(2)中將冷壓制坯后的混合粉體置于溫度大于1000℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)1～1.5h。
進(jìn)一步地，所述步驟(3)中快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐的真空度高于10-3pa，冷卻速度大于5×103k/s。
進(jìn)一步地，所述步驟(5)中將冷壓制坯后的預(yù)合金粉置于溫度為800～950℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)0.5～1.5h；所述步驟(5)中的擠壓比為2.5:1。
進(jìn)一步地，所述熱處理包括固溶處理和時效處理，固溶處理的溫度介于800～850℃，固溶處理的時間為0.5～1h；時效處理的溫度介于350～400℃，時效處理的時間介于1～4h。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
(1)本發(fā)明中將混合粉體進(jìn)行冷壓制坯和真空燒結(jié)處理，這一工序可以促進(jìn)sn、si原子脫嵌擴(kuò)散及ti2snc和碳化硅鈦結(jié)構(gòu)潰散，原位形成tic0.5和tic0.67兩種非計(jì)量比ticx相，非計(jì)量比ticx相不僅具有tic優(yōu)良的的性能特征，還可與銅發(fā)生良好的潤濕，隨著x值的減小，潤濕角逐漸減小，當(dāng)x＝0.5時，兩者的潤濕角接近0°，達(dá)到完全潤濕。
(2)本發(fā)明中在對混合粉體和預(yù)合金粉進(jìn)行燒結(jié)時，均向燒結(jié)爐中充入氬氣，一方面氬氣是惰性氣體，不會與物料發(fā)生任何的化學(xué)反應(yīng)，保證了物料的純度，另一方面氬氣在燒結(jié)爐中循環(huán)流動，起到冷卻的作用；
(3)本發(fā)明中對預(yù)合金粉進(jìn)行固溶處理，主要是改善物料的塑性和韌性，為沉淀硬化處理作好準(zhǔn)備；將固溶處理后的預(yù)合金粉再進(jìn)行時效處理，物料的硬度和強(qiáng)度都有所增加，從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。
(4)本發(fā)明中非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)和高耐磨性，因此，該復(fù)合材料適合在冶金復(fù)合材料領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述復(fù)合材料由1kg非計(jì)量比tic顆粒和99kg基體銅合金組成；所述基體銅合金為cu-ni-sn-si合金。
在本實(shí)施例中，所述基體銅合金含有如下的成分：7kgsn、0.15kgsi、14.5kgni、0.3kgfe、0.3kgzn、0.12kgmn、0.08kgnb、0.02kgpb、雜質(zhì)≤0.5kg、余量為cu。
一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法,具體步驟如下：
(1)將ti2snc和ti3sic2置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的ti2snc和ti3sic2晾干后與cu粉末在充滿氬氣的球磨罐中進(jìn)行球磨混合，即得混合粉體；
(2)將步驟(1)中所制備的混合粉體進(jìn)行冷壓制坯和真空燒結(jié)處理，即得tic/cu中間體材料；
(3)將cu置于快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐中，待cu完全溶化后，再將ni、tic/cu中間體材料、sn及si依次加入到真空感應(yīng)熔煉爐中，將真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行保溫處理直至真空感應(yīng)熔煉爐中的材料完全熔化，即得混合液體；
(4)在陶瓷管內(nèi)徑為4.5mm、噴嘴氣體間隙0.5mm、氮?dú)鈿怏w流量為20m3/h、溫度為1250℃的條件下對步驟(3)中所得的混合液體進(jìn)行氣霧化處理，即得非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料，將所制備的非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料過300目篩，即得預(yù)合金粉。
(5)將步驟(4)中所得的預(yù)合金粉置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的預(yù)合金粉進(jìn)行球磨、冷壓制坯、真空燒結(jié)、擠壓和熱處理后，即得tic/cu基復(fù)合材料。
在本實(shí)施例中，所述步驟(1)中ti2snc和ti3sic2的粒度均小于20um；將步驟(1)中的球磨罐置于轉(zhuǎn)速為100r/min的條件下球磨8h。
在本實(shí)施例中，所述步驟(2)中將冷壓制坯后的混合粉體置于溫度大于1000℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)1h。
在本實(shí)施例中，所述步驟(3)中快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐的真空度高于10-3pa，冷卻速度大于5×103k/s。
在本實(shí)施例中，所述步驟(5)中將冷壓制坯后的預(yù)合金粉置于溫度為800℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)0.5h；所述步驟(5)中的擠壓比為2.5:1。
在本實(shí)施例中，所述熱處理包括固溶處理和時效處理，固溶處理的溫度為800℃，固溶處理的時間為1h；時效處理的溫度為350℃，時效處理的時間為4h。
實(shí)施例2
一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述復(fù)合材料由3kg非計(jì)量比tic顆粒和97kg基體銅合金組成；所述基體銅合金為cu-ni-sn-si合金。
在本實(shí)施例中，所述基體銅合金含有如下的成分：8kgsn、0.25kgsi、15kgni、0.3kgfe、0.3kgzn、0.12kgmn、0.08kgnb、0.02kgpb、雜質(zhì)≤0.5kg、余量為cu。
一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法,具體步驟如下：
(1)將ti2snc和ti3sic2置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的ti2snc和ti3sic2晾干后與cu粉末在充滿氬氣的球磨罐中進(jìn)行球磨混合，即得混合粉體；
(2)將步驟(1)中所制備的混合粉體進(jìn)行冷壓制坯和真空燒結(jié)處理，即得tic/cu中間體材料；
(3)將cu置于快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐中，待cu完全溶化后，再將ni、tic/cu中間體材料、sn及si依次加入到真空感應(yīng)熔煉爐中，將真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行保溫處理直至真空感應(yīng)熔煉爐中的材料完全熔化，即得混合液體；
(4)在陶瓷管內(nèi)徑為5.5mm、噴嘴氣體間隙1mm、氮?dú)鈿怏w流量為30m3/h、溫度為1300℃的條件下對步驟(3)中所得的混合液體進(jìn)行氣霧化處理，即得非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料，將所制備的非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料過300目篩，即得預(yù)合金粉。
(5)將步驟(4)中所得的預(yù)合金粉置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的預(yù)合金粉進(jìn)行球磨、冷壓制坯、真空燒結(jié)、擠壓和熱處理后，即得tic/cu基復(fù)合材料。
在本實(shí)施例中，所述步驟(1)中ti2snc和ti3sic2的粒度均小于20um；將步驟(1)中的球磨罐置于轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下球磨10h。
在本實(shí)施例中，所述步驟(2)中將冷壓制坯后的混合粉體置于溫度大于1000℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)1.5h。
在本實(shí)施例中，所述步驟(3)中快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐的真空度高于10-3pa，冷卻速度大于5×103k/s。
在本實(shí)施例中，所述步驟(5)中將冷壓制坯后的預(yù)合金粉置于溫度為900℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)1.5h；所述步驟(5)中的擠壓比為2.5:1。
在本實(shí)施例中，所述熱處理包括固溶處理和時效處理，固溶處理的溫度為850℃，固溶處理的時間為0.5h；時效處理的溫度為400℃，時效處理的時間為1h。
實(shí)施例3
一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述復(fù)合材料由5kg非計(jì)量比tic顆粒和95kg基體銅合金組成；所述基體銅合金為cu-ni-sn-si合金。
在本實(shí)施例中，所述基體銅合金含有如下的成分：8.5kgsn、0.4kgsi、15.5kgni、0.3kgfe、0.3kgzn、0.12kgmn、0.08kgnb、0.02kgpb、雜質(zhì)≤0.5kg、余量為cu。
一種非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法,具體步驟如下：
(1)將ti2snc和ti3sic2置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的ti2snc和ti3sic2晾干后與cu粉末在充滿氬氣的球磨罐中進(jìn)行球磨混合，即得混合粉體；
(2)將步驟(1)中所制備的混合粉體進(jìn)行冷壓制坯和真空燒結(jié)處理，即得tic/cu中間體材料；
(3)將cu置于快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐中，待cu完全溶化后，再將ni、tic/cu中間體材料、sn及si依次加入到真空感應(yīng)熔煉爐中，將真空感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行保溫處理直至真空感應(yīng)熔煉爐中的材料完全熔化，即得混合液體；
(4)在陶瓷管內(nèi)徑為6.5mm、噴嘴氣體間隙1.5mm、氮?dú)鈿怏w流量為35m3/h、溫度為1400℃的條件下對步驟(3)中所得的混合液體進(jìn)行氣霧化處理，即得非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料，將所制備的非計(jì)量比tic/cu-ni-sn-si粉體材料過300目篩，即得預(yù)合金粉。
(5)將步驟(4)中所得的預(yù)合金粉置于盛有清洗液的超聲波清洗機(jī)中清洗，將清洗后的預(yù)合金粉進(jìn)行球磨、冷壓制坯、真空燒結(jié)、擠壓和熱處理后，即得tic/cu基復(fù)合材料。
在本實(shí)施例中，所述步驟(1)中ti2snc和ti3sic2的粒度均小于20um；將步驟(1)中的球磨罐置于轉(zhuǎn)速為250r/min的條件下球磨16h。
在本實(shí)施例中，所述步驟(2)中將冷壓制坯后的混合粉體置于溫度大于1000℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)1.5h。
在本實(shí)施例中，所述步驟(3)中快速凝固的真空感應(yīng)熔煉爐的真空度高于10-3pa，冷卻速度大于5×103k/s。
在本實(shí)施例中，所述步驟(5)中將冷壓制坯后的預(yù)合金粉置于溫度為950℃且充滿氬氣的燒結(jié)爐中燒結(jié)1.5h；所述步驟(5)中的擠壓比為2.5:1。
在本實(shí)施例中，所述熱處理包括固溶處理和時效處理，固溶處理的溫度為850℃，固溶處理的時間為0.5h；時效處理的溫度為380℃，時效處理的時間為3h。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將本發(fā)明制備的非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料與現(xiàn)有的合金材料進(jìn)行常規(guī)的性能測試，所得數(shù)據(jù)如下表所示：
表一tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料與現(xiàn)有的合金材料的性能對比表
綜合上表數(shù)據(jù)可知，本發(fā)明中所制備的非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料相比于普通的合金材料和加有cu-ni-sn-si合金的合金材料而言，本發(fā)明中的非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度和硬度且耐磨性高，并且該制備工藝簡單，成本也大幅度降低，因此，本發(fā)明中制備的非計(jì)量比tic增強(qiáng)銅基復(fù)合材料適合在復(fù)合材料領(lǐng)域推廣和應(yīng)用。
綜上所述，上述實(shí)施方式并非是本發(fā)明的限制性實(shí)施方式，凡本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的修飾或者等效變形，均在本發(fā)明的技術(shù)范疇。