專利名稱：Cu－TiB的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Cu-TiB2合金及其制備方法，該銅合金具有高強度、高導(dǎo)電、抗高溫退火軟化特性，可應(yīng)用于電真空、電阻焊電極、高壓開關(guān)、電子電工、核技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波技術(shù)、微電子、電工、汽車制造、冶金、核技術(shù)等領(lǐng)域中，廣泛需求一種高強度、高導(dǎo)電、抗高溫退火軟化特性的銅合金，它是制造電真空微波管、大規(guī)模集成電路引線框架、高壓開關(guān)導(dǎo)電桿、汽車電阻焊電極、連鑄機結(jié)晶器、受控?zé)岷朔磻?yīng)熱沉部件等的關(guān)鍵材料。純銅雖然導(dǎo)電性高(98～102％IACS)，但強度太低(σ0.2僅50MPa)；Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等系列銅合金雖具有高強度、高導(dǎo)電的特性，但它們是時效強化型合金，在溫度大于500℃時會出現(xiàn)過時效現(xiàn)象，即發(fā)生退火軟化。特別是溫度高于600℃時，這類合金不但因急劇軟化而強度降低，而且會因沉淀粒子的回溶而導(dǎo)致導(dǎo)電性急劇降低，從而使合金喪失高強高導(dǎo)的特性。Cu-Al2O3合金是一類具有高強度、高導(dǎo)電、抗高溫退火軟化優(yōu)異特性的納米彌散強化銅合金，但其強化粒子Al2O3不導(dǎo)電。這一點在微電子領(lǐng)域和電真空領(lǐng)域的應(yīng)用上尤為不利，它不但影響用其制作的精密器件的電火花或電子束加工，而且會引起用其制作的微器件局部區(qū)域?qū)щ娦灾袛?，甚至不能工作。因此需要制作這類器件的材料不但具有Cu-Al2O3合金同樣優(yōu)異的高強度、高導(dǎo)電和抗高溫退火軟化特性，而且需要其強化粒子也具有導(dǎo)電性，以利于微器件的精密電火花加工或電子束加工和防止微器件微區(qū)導(dǎo)電性中斷。
納米彌散強化銅合金的制備通常均采用原位反應(yīng)法，如內(nèi)氧化法制備Cu-Al2O3合金、機械合金化法制備Cu-Al2O3、Cu-TiB2、Cu-Nb合金等。內(nèi)氧化法是利用控制氧分壓來使Cu-Al合金粉中發(fā)生內(nèi)氧化原位反應(yīng)，在銅粉基體中生成Al2O3納米粒子的。該方法制備Cu-Al2O3合金工藝相當(dāng)復(fù)雜，包括Cu-Al合金熔煉、噴粉、氧化劑制備、混料、內(nèi)氧化、還原、冷等靜壓、真空燒結(jié)、包套熱擠壓、冷加工成形等，過程很難控制，國內(nèi)外廠家很少有能真正掌握其關(guān)鍵技術(shù)的。機械合金化法是利用高能球磨來使兩種或兩種以上的合金粉發(fā)生原位反應(yīng)生成納米粒子的，如高能球磨Cu、Ti、B粉，并通過后續(xù)熱處理或熱加工形成Cu-TiB2合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的發(fā)明一種Cu-TiB2納米彌散強化銅合金及其雙熔體原位反應(yīng)制備方法，該銅合金具有高強度、高導(dǎo)電、抗高溫退火軟化特性。
一種Cu-TiB2合金，其重量組成為0.20～3.0％TiB2，其余為銅。
Cu-TiB2納米彌散強化銅合金制備方法，采用Cu-Ti和Cu-B作為中間合金，將中間合金分別熔化并過熱至1300℃～1400℃后，兩熔體混合采用105～2×105Pa的高壓惰性氣體(高純N2氣或Ar氣)，使將合金熔體分別從兩個管道壓入反應(yīng)腔，在相互碰撞混合時發(fā)生原位反應(yīng)。使兩熔體混合發(fā)生原位反應(yīng)，生成TiB2納米粒子和純銅熔體的均勻混合體，將此混合體用噴射沉積的方法快速冷凝，噴射沉積的條件為壓力3×105～6×105Pa，霧化氣體N2氣或Ar氣，制成Cu-TiB2合金坯錠，加工制成Cu-TiB2合金成品。
一種制備Cu-TiB2合金坯錠的雙熔體原位反應(yīng)裝置，主要包括兩個爐腔和一個噴霧腔，爐腔和噴霧腔的下部分別設(shè)置有對腔體抽氣、送氣的孔，在爐腔內(nèi)設(shè)置有能熔化中間合金的感應(yīng)爐，在兩個感應(yīng)爐之間有“Y”型雙熔體原位反應(yīng)器，用于輸送感應(yīng)爐內(nèi)中間合金并進行原位反應(yīng)，在“Y”型雙熔體原位反應(yīng)器節(jié)點上部兩個管道上設(shè)置閥門用于控制合金熔體的流量和控制爐腔內(nèi)的氣壓狀態(tài)(真空狀態(tài)或高壓充氣狀態(tài))，在“Y”型雙熔體原位反應(yīng)器節(jié)點下部的垂直管道上設(shè)置超聲裝置，在“Y”型雙熔體原位反應(yīng)器的末端即與噴霧腔的接觸處設(shè)置有霧化器，霧化器下方設(shè)有支撐噴射沉積坯錠的可旋轉(zhuǎn)可升降基板和牽引坯錠運動的導(dǎo)向輪，爐腔和噴霧腔之間安裝有隔板，支撐爐腔并封閉噴霧腔。
本發(fā)明合金與無氧銅(C10100、TU1)相比，具有強度高、抗高溫退火軟化性能高的優(yōu)勢。視TiB2粒子含量不同，其σ0.2可比無氧銅高3～12倍，抗退火軟化溫度可高達900℃以上，而導(dǎo)電率可達95％IACS，非常接近無氧銅，高濃度Cu-TiB2合金導(dǎo)電率可達75％IACS，仍屬高導(dǎo)電范圍。與Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系沉淀強化型合金相比，在強度相當(dāng)?shù)那闆r下，Cu-TiB2合金導(dǎo)電性要明顯高些，且無過時效和高溫回溶造成的強度和導(dǎo)電率急劇下降問題。與Cu-Al2O3彌散銅相比，二者強度、導(dǎo)電性、抗高溫退火軟化性能相當(dāng)，但TiB2粒子具有導(dǎo)電性，避免了Cu-Al2O3合金難以進行精密電火花或電子束加工，以及微區(qū)導(dǎo)電不連續(xù)等問題。在制備方法上，與內(nèi)氧化法相比，雙熔體原位反應(yīng)法是一種短流程制備方法，具有生產(chǎn)裝備簡單、制備成本低、中間環(huán)節(jié)少、易于控制等一系列優(yōu)點。


圖1本發(fā)明工藝流程圖；圖2雙熔體原位反應(yīng)裝置圖；圖3Cu-TiB2合金中TiB2粒子TEM照片(a)，及相應(yīng)電子衍射花樣(b)具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明雙熔體原位反應(yīng)裝置作進一步說明。雙熔體原位反應(yīng)在混合反應(yīng)腔內(nèi)進行，其工作原理示于圖2。將Cu-Ti和Cu-B合金分別置于左右兩個感應(yīng)爐9中，關(guān)閉閥門1，并通過抽氣送氣孔10將兩個爐腔2抽空，同時啟動兩個感應(yīng)爐9，熔化中間合金。熔化過程中保持真空度至10-1Pa附近，到達設(shè)定溫度1300℃～1400℃后，停止抽空，并通過抽氣送氣孔10向兩爐腔內(nèi)送入高純N2氣或Ar氣，使腔內(nèi)氣壓與腔外相同。此時打開雙熔體原位反應(yīng)器7上方的兩個閥門1，啟動雙熔體原位反應(yīng)器7外圍的超聲裝置4，同時分別從兩抽氣送氣孔10中送入高壓氣體將熔體3(Cu-B)和熔體8(Cu-Ti)壓入雙熔體原位反應(yīng)器7，并使兩熔體在“Y”型雙熔體原位反應(yīng)器7交匯處碰撞形成紊流，并發(fā)生原位反應(yīng)，在Cu熔體中生成TiB2納米粒子。為使反應(yīng)充分進行和防止Cu熔體中已生成的TiB2粒子長大，特在雙熔體原位反應(yīng)器7的反應(yīng)腔體外部設(shè)置了超聲裝置4。在高壓氣體的作用下，在反應(yīng)腔體內(nèi)完成原位反應(yīng)的Cu-TiB2混合體，迅速進入霧化器12，用另一股高壓(3～6個大氣壓)N2氣或Ar氣霧化，并在噴霧腔14內(nèi)的基板6上快速冷凝沉積為Cu-TiB2合金錠坯5。噴霧腔14通過隔板11與爐腔2分隔開來。為使霧化時合金不氧化，噴霧腔14內(nèi)應(yīng)先通過孔道15抽出大氣，并充入N2氣或Ar氣，霧化時高壓氣體進入噴霧腔14由通氣孔道15排出。按上述方法獲得Cu-TiB2合金錠坯5，Cu-TiB2合金錠坯5通過導(dǎo)向輪13向下運動。Cu-TiB2合金坯錠5經(jīng)熱、冷加工成材。
實施例1合金成分為TiB2-0.25wt％，其余為銅和不可避免雜質(zhì)。制備合金的原材料為Cu-0.34wt％Ti和Cu-0.17wt％B，將其分別在圖2所示裝置中的兩個坩堝中熔化后，過熱至1350℃后，用2×105Pa的高壓高純N2氣將合金熔體分別從兩個管道壓入反應(yīng)腔，使兩熔體在相互碰撞混合時發(fā)生原位反應(yīng)，生成TiB2納米粒子和純銅熔體的均勻混合體，將此混合體用噴射沉積的方法快速冷凝，噴射沉積的條件為壓力3×105～6×105Pa，霧化氣體N2氣，制成Cu-TiB2合金坯錠，再經(jīng)熱軋、冷軋后制成厚0.30mm的薄板。其主要性能見表1，為便于比較，表1中還列出了TU1純銅的對應(yīng)性能(兩合金均經(jīng)900℃燒氫退火0.5h)。本例發(fā)明合金已用制備微波管柵網(wǎng)。
表1本發(fā)明合金與TU1純銅的性能比較

實施例2合金成分為TiB2-0.5wt％，其余為銅和不可避免雜質(zhì)。制備合金的原材料為Cu-0.68wt％Ti，Cu-0.34wt％B，將其分別在圖2所示裝置中的兩個坩堝中熔化后并過熱至1350℃后，用2×105Pa的高壓高純Ar氣將合金熔體分別從兩個管道壓入反應(yīng)腔，使兩熔體在相互碰撞混合時發(fā)生原位反應(yīng)，生成TiB2納米粒子和純銅熔體的均勻混合體，將此混合體用噴射沉積的方法快速冷凝，噴射沉積的條件為壓力3×105～6×105Pa，霧化氣體Ar氣，制成Cu-TiB2合金坯錠，經(jīng)熱擠壓、冷拉拔成Φ12的棒材。其主要性能見表2，為便于比較，表2中還列出了Cu-0.35wt％Al2O3彌散強化銅合金的對應(yīng)性能(兩合金均經(jīng)900℃燒氫退火0.5h)，可見兩者相當(dāng)。圖3示出了本例發(fā)明合金TEM照片和相應(yīng)的電子衍射花樣，可見本發(fā)明合金強化粒子為TiB2，其大小約為10～50nm。
表2本發(fā)明合金與Cu-0.35wt％Al2O3彌散強化銅性能比較

權(quán)利要求
1.一種Cu-TiB2合金，其特征在于重量組成為0.20～3.0％ TiB2，其余為銅。
2.一種權(quán)利要求1所述Cu-TiB2的制備方法，其特征在于采用Cu-Ti和Cu-B作為中間合金，將中間合金分別熔化并過熱至1300℃～1400℃后，使兩熔體混合發(fā)生原位反應(yīng)，生成TiB2納米粒子和純銅熔體的均勻混合體，將此混合體用噴射沉積的方法快速冷凝，噴射沉積的條件為壓力3×105～6×105Pa，霧化氣體N2氣或Ar氣，制成Cu-TiB2合金坯錠，加工制成Cu-TiB2合金成品。
3.一種采用權(quán)利要求2所述方法制備權(quán)利要求1所述Cu-TiB2合金的雙熔體原位反應(yīng)裝置，其特征在于主要包括兩個爐腔和一個噴霧腔，爐腔和噴霧腔的下部分別設(shè)置有對腔體抽氣、送氣的孔，在爐腔內(nèi)設(shè)置有能熔化中間合金的感應(yīng)爐，在兩個感應(yīng)爐之間有“Y”型雙熔體原位反應(yīng)器，用于輸送感應(yīng)爐內(nèi)中間合金并進行原位反應(yīng)，在“Y”型原位反應(yīng)器節(jié)點上部兩個管道上設(shè)置閥門用于控制合金熔體的流量和控制爐腔內(nèi)的氣壓狀態(tài)，在“Y”型原位反應(yīng)器節(jié)點下部的垂直管道上設(shè)置超聲裝置，在“Y”型原位反應(yīng)器的末端即與噴霧腔的接觸處設(shè)置有霧化器，霧化器下方設(shè)有支撐噴射沉積坯錠的可旋轉(zhuǎn)可升降基板和牽引坯錠運動的導(dǎo)向輪，爐腔和噴霧腔之間安裝有隔板，支撐爐腔并封閉噴霧腔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Cu－TiB
文檔編號C22C1/03GK1940103SQ20051003220
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者汪明樸, 李周, 郭明星, 譚望, 賈延琳 申請人:中南大學(xué)