與Cr協同強化網/球狀銅材料及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于有色金屬材料領域，設及一種AUSiC4與Cr協同強化網/球狀銅材料及 其制備方法。
【背景技術】
[0002] 銅的化學穩(wěn)定性強，無磁性，美觀耐用，導電導熱，易于烙接，被廣泛用于電子、通 訊、家電、交通和機械工程等領域，可用作諸如汽車同步器齒環(huán)、集成電路引線框架、空調冷 凝管、艦船和海水淡化器件的原材料。但是，銅卻因其面屯、立方(fee)晶體結構及滑移系多 的特性，而具有低強/硬度，易磨損的缺點。運限制了銅質元器件在大載荷工況條件下的應 用。所W，在保證足夠導電性的前提下，提高銅材料的硬度和強度具有重要意義。
[0003] 銅材料的復合化是提高其強度和硬度的重要途徑，該方法常通過烙煉或者粉末冶 金工藝向銅中添加具有高硬度、高烙點的硬質相來實現。硬質相主要包括了金屬的氧化物、 氮化物和碳化物，如Al203、Si02、AlN、WC、SiC、NbC、VC等，運些硬質相增強銅材料的機理與其 對Cu的位錯釘扎作用密切相關，一般來講，硬質相的分布越均勻，則其彌散強化效果越好； 同時，硬質相的強化效果也與其物化特性有關。目前，粉末冶金工藝是實現硬質相與銅材料 復合化的有效途徑，即銅粉與添加物充分混勻后，按照"壓巧一燒結"制備環(huán)節(jié)，獲得塊體材 料。該方法能夠使硬質相均勻分布在銅基體之中，然而，硬質相卻不易與銅基體潤濕，導致 硬質相與基體相的界面結合性差，運不利于材料的導電性。因此，選用合適的硬質相，提高 增強體與銅基體之間的潤濕性，是提高銅材料綜合性能的重要途徑。
[0004] 此外，銅中添加吐、2'少6、1'1等過渡族合金元素，也會提高材料的硬度和強度，因 為運些元素起到固溶時效的作用。強化效果取決于銅基體中合金元素的固溶數量和分布狀 況。在平衡狀態(tài)下合金元素在Cu中難W固溶，強化效果受到限制?？梢?，提高合金元素在銅 基體中的固溶數量，是增強銅材料強/硬度的重要途徑。

【發(fā)明內容】

[000引針對上述技術現狀中存在的問題，考慮到AUSiC4的優(yōu)異抗氧化和抗水化性，基于 彌散強化與固溶時效強化機制的協同效應，利用高能球磨能夠提高合金元素在銅中固溶度 且均勻分散增強體的特點，本發(fā)明綜合利用多步驟機械球磨和同步熱壓燒結技術，提供了 一種Al4SiC4與化協同強化網/球狀銅材料及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明技術方案是：AUSiC4與Cr協同強化銅材料，其組成為：（Cui日日-xCrx)i〇〇-y (A；USiC4)y;x為Cr元素在Cuioo-xCrx合金中的原子百分比，lat〇/〇 < X <10at〇/〇，y為AUSiC* 在復合材料中的體積百分比，1 vol〇/〇 <y < 30 vol 〇/〇。
[0007] 所述的Al4SiC4與化協同強化網/球狀銅材料，優(yōu)選的是2at% < X <7 at% (優(yōu)選 的，3at〇/〇 < X <6 at〇/〇)。
[000引所述的AUSiC4與化協同強化網/球狀銅材料，優(yōu)選的是5 vol% <y < 25 vol 0/0 (優(yōu)選的，8 vol0/0 < X <16 vol0/0)。
[0009] 本發(fā)明還提供了所述的Al4SiC4與Cr協同強化網/球狀銅材料的制備方法，其步驟 如下： 步驟1:按照（加日0-xCrx)i00-y(Al4SiC4)y的成分配比，稱量Cu、Cr和Al4SiC4粉料，并稱量 硬脂酸，按照每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，調制出硬脂酸與乙醇混合的球磨過程控 制劑； 步驟2:將步驟1準備的AUSiC4和一半質量的Cu原材料、鋼球與機械球磨過程控制劑， 裝入真空球磨罐，之后封蓋、抽真空、充入高純氣，進行高能機械球磨，球磨時間30~150小 時，球磨轉速250~500轉/分鐘，獲得化包AUSiC4的高活性納米晶粉體;在無氧環(huán)境中，將化/ A^SiC4納米晶粉與步驟1準備的化粉和另一半質量的Cu粉一起裝入帶有球磨過程控制劑的 真空罐內，之后抽真空和充入高純氣，并在球磨機上進行短時間球磨，此時的球料比及轉 速，與上述球磨Cu/A^SiC4的參數范圍相同，球磨時間為5~25小時，獲得Cu、Cr和AUSiC4分 布均勻的粉料； 步驟3:將步驟2制備得的粉體，放入真空熱壓燒結爐的模具里，把爐內真空度抽至10-3~l(T4pa數量級，之后進行熱壓燒結，加熱與加壓過程異步進行，升溫到420°C后開始施加壓 力，燒結結束后爐冷至室溫，獲得硬度高且導電性良好的銅基復合材料。
[0010] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟1: Cu、Cr和AUSiC4粉料的平均粒徑為10微米，純 度在99%W上。
[00川所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟1:硬脂酸的用量為化、Cr和Al4SiC4粉料總質量的 0.1~5% (優(yōu)選的，硬脂酸的用量為Cu、Cr和Al4SiC4粉料總質量的0.5~2%)。
[0012] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟2:將步驟1準備的Cu和AUSiC4原材料、鋼球與機 械球磨過程控制劑，裝入真空球磨罐，球料比9 a~35:1 (優(yōu)選的，10 a~20:1)。
[0013] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟3:燒結溫度為600-1000°C，燒結時間為0.5-5小 時(優(yōu)選的，燒結溫度850-950，燒結時間2-4小時）。
[0014] 所述的制備方法，優(yōu)選的是，步驟3:燒結保溫時壓力達到30-200 MPa (優(yōu)選的，燒 結保溫時壓力達到80-150 MPa)。
[0015] 本發(fā)明屬于有色金屬材料領域，設及一種AUSiC4與Cr協同強化網/球狀銅材料及 其制備方法。本發(fā)明利用硬質相彌散強化和合金元素固溶強化原理，采用機械球磨和同步 熱壓燒結技術，制備出了高硬度且導電性優(yōu)良的銅基復合材料。材料的制備方法為:先將Cu 和Al4SiC4反應物粉料按比例進行機械球磨獲得納米晶粉，再與化粉和剩余的Cu粉球磨，最 后運用同步熱壓燒結技術，獲得AUSiC4增強的銅銘復合材料。本發(fā)明主要特點：A^SiC4和 Cr均勻彌散在銅基體中，硬質相與銅鐵合金基體界面結合強度高，材料的硬度高導電性良 好。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)異效果是，由于采用上述技術方案，本發(fā)明制得的銅基復合材料與添 加其它單一強化相的銅基復合材料相比，具有更加優(yōu)異的硬度和導電性;同時，本發(fā)明的實 施采用了常用設備，便于技術推廣和規(guī)?；a。
【附圖說明】
[00Π ]圖巧本發(fā)明實施例1的Al4SiC4與Cr協同強化網/球狀銅材料組織及元素分布圖。
【具體實施方式】
[0018] W下將結合實施例對本發(fā)明做進一步說明，本發(fā)明的實施例僅用于說明本發(fā)明的 技術方案，并非限定本發(fā)明。
[0019] 實施例中所用化和化原料可從市場購買。M4SiC4為自制原料，其制備方法如下： 步驟1:按照Al4SiC4的成分配比，稱量平均粒徑10微米純度在99%w上的Al、Si和C粉， 按照每100克粉料1克硬脂酸比例稱量硬脂酸，作為球磨過程控制劑； 步驟2:將步驟1準備的原料粉、硬脂酸和鋼球裝入真空球磨罐，之后封蓋、抽真空、充入 高純氣，進行高能機械球磨，球磨時間20小時，球磨轉速380轉/分鐘，獲得混合粉料； 步驟3:將步驟2制備得的粉體，放入真空燒結爐內，把爐內真空度抽至2Xl(T3pa之后 進行燒結，燒結溫度為1800°C，燒結時間為3小時，燒結結束后爐冷至室溫，可獲得M4SiC4粉 料。
[0020] 本發(fā)明具有網/球狀特征(加日0-xCrx)i00-y(Al4SiC4)y材料的制備方法，常規(guī)步驟如 下： 步驟1:按照（C山日日-xCrx)i日日-y(Al4SiC4)y的成分配比，稱量平均粒徑為10微米的純度在 99%W上的Cu、化和Al4SiC4粉料，并稱量與Cu、T巧日C粉料總質量0.^5%相當的硬脂酸，按照 每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，調制出硬脂酸與乙醇混合的球磨過程控制劑。
[0021 ] 步驟2:將步驟1準備的Al4SiC4和一半質量的化粉、鋼球與機械球磨過程控制劑，裝 入真空球磨罐，球料比8:1~40:1，之后封蓋、抽真空、充入高純氣，進行高能機械球磨，球磨 時間30~150小時，球磨轉速250~500轉/分鐘，獲得化包Al4SiC4的高活性納米晶粉體;在無氧 環(huán)境中，將AUSiC*/化納米晶粉與步驟1準備的化粉和另一半質量的化粉一起裝入帶有球磨 過程控制劑的真空罐內，之后抽真空和充入高純氣，并在球磨機上進行短時間球磨，此時的 球料比及轉速，與上述球磨Al4SiC4/化的參數范圍相同，球磨時間為5~20小時，獲得Cu、化和 A^SiC4分布均勻的粉料。
[0022] 步驟3:將步驟2制備得的粉體，放入真空熱壓燒結爐的模具里，把爐內真空度抽至 10-3~l(T4pa數量級，之后進行熱壓燒結，加熱與加壓過程同步進行，燒結溫度為600-1000 °C，燒結時間為0.5-5小時，燒結保溫時壓力達到30-150 MPa,燒結結束后爐冷至室溫，獲得 硬度高且導電性良好的銅基復合材料。
[0023] 實施例1: (1) Cu包Al4SiC4納米晶粉的制備:基于(加95姑)91(4]_45沿)9的成分配比，稱量平均粒 徑10微米且純度在99.5%的Cu、Ti和AUSiC4粉，并W與粉料總質量1.5%相當的硬脂酸和3毫 升/100克的乙醇混合物為球磨過程控制劑;把Al4SiC4和一半質量的化粉和球磨過程控制劑 裝入真空球磨罐中，球料比15:1，之后封蓋、抽真空、充入高純氣，進行高能機械球磨，球磨 時間100小時，球磨轉速400轉/分鐘，獲得化包Al4SiC4的高活性納米晶粉體。
[0024] (2)均勻粉料的制備：將步驟1準備的Cu包AUSiC4納米晶粉作為前驅料，并與Cr 粉、另一半Cu粉、鋼球、機械球磨過程控制劑一起，在無氧環(huán)境中，放入真空罐內，之后抽真 空和充入高純氣，并在球磨機上進行機械球磨，此時的球料比及轉速，與前驅料的球磨參