铜基合金/不锈钢自组装复合粉体及其制备方法

文档序号:3350786阅读:251来源:国知局
专利名称:铜基合金/不锈钢自组装复合粉体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合粉体材料,尤其是涉及一种铜基合金/不锈钢自组装复合粉体及其制 备方法。
背景技术
随着半导体制品和精密仪器趋于小型化和功能化,粉体材料已经越来越多地被直接作为 功能材料使用,因而对粉体材料除了机械性能的要求以外,对其功能性的要求也越来越高。 因此,制备复合粉体从而实现粉体材料功能的多样性也成了目前粉体材料研究的一个热点。 铜基合金/不锈钢的复合粉体在电子、催化和粉末冶金领域有着广泛的应用前景(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^义 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饥 52, 154(2002)),但由于不锈钢与铜基合金性能上的差异,两种材料的复合是非常困难的, 一般 的方法是通过化学法制备出复合粉体。例如公开号为CN1548261的发明专利申请提供一种铜 包铁复合粉的制造方法,它是在搅拌的状态下,把还原铁粉迅速加入掺有稳定剂且pH值为 0.5 4.8的硫酸铜溶液中,继续搅拌2 10min,使铜完全包覆在铁粉颗粒的表面,即形成铜 包铁复合粉;让铜包铁复合粉沉降3 20min,去掉上清液,加清水洗涤,使其无酸性为止; 再经脱水干燥处理后,进行筛分;然后进行防氧化处理,进行混粉、检验、包装入库。本发 明可以使铜均匀、紧密、牢固地完全包覆于铁粉颗粒上,而且确保放置六个月不氧化,提高 其抗氧化性能。公开号为CN101116909的发明专利申请提供一种铜包铁复合粉的制备方法, 它包括如下步骤将含铜碱性蚀刻废液加入酸性蚀刻废液中,配制成溶液pH为2 4.5、铜 浓度为50 100g/L的原料液,将还原铁粉酸洗处理后加入带涡轮式搅拌的反应釜中,加水, 搅拌并顺次加入分散剂、缓蚀剂,均匀加入铜原料液,继续搅拌,使铜完全包覆在铁粉颗粒 的表面,得到铜包铁复合粉,进行抽滤,洗漆,离心脱水,防氧化处理,真空干燥,筛分后 得到最终产品。该发明的方法可使铜均匀、紧密、牢固地完全包覆于铁粉颗粒上,且放置六 个月不氧化,提高了其抗氧化性能。该发明制备的铜包铁粉,表面色泽亮,包覆率高,表面 包覆均匀、致密,且由于避免了使用硫酸铜,因此比以往的制造方法成本更低廉。但上述制备工艺比较复杂,并且工艺过程中原料损失严重,因而产业化受到很大限制。因此,寻找一 种简单而且廉价的铜基合金/不锈钢复合粉体的制备技术是十分重要的。 发明内容本发明的目的是针对现有的制备铜基合金/不锈钢复合粉体的工艺比较复杂,工艺过程中 原料损失严重,产业化受到很大限制等问题,提供一种简单廉价的铜基合金/不锈钢自组装复 合粉体及其制备方法。本发明的技术方案是利用发展成熟的雾化法制粉工艺,制备出内核/外层(二层结构)或 内核/次外层/最外层(三层结构)的铜基合金/不锈钢复合粉体。同时利用液相调幅分解型合 金(即合金在液相中呈现两相分离)的性质,可以有效地控制复合粉体的内外组成相的成分, 从而实现了对复合粉体结构的可调控型设计,这种复合粉体在此称作自组装复合粉体。本发明所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体包括内核和外层,内核为不锈钢内核或铜 基合金内核,外层为铜基合金层或为不锈钢层和铜基合金层复合层,所述不锈钢层和铜基合 金层复合层是由不锈钢层和铜基合金层复合组成,不锈钢层在内层,铜基合金层在内层外。不锈钢选自马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢等。按国家标准,按质量百分 比,马氏体不锈钢的成分为C: 0 1.20%, Cr: 13% 20%,可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等中的至少一种,Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等的总含量不超过3%,余为铁;奥氏体不锈 钢的成分为C<0.15%, Cr: 17% 19%, Ni: 8% 12%,可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si等中 的至少一种,Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si等的总含量不超过3M,余为铁;铁素体不锈钢的成分为 C<0.12%, Cr: 16% 18%,可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等中的至少一种,Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等的总含量不超过3X,余为铁。本发明所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体的制备方法包括以下步骤1) 按质量百分比,按预先设定的铜基合金/不锈钢自组装复合材料的成分,称量铜、铁、 铬各金属放入真空感应炉内的熔炼装置熔化;2) 将熔化的合金液体倾倒于受液斗,在液体流入雾化室的瞬间,用惰性气体(最好为氩 气或氮气等)或水蒸汽吹之,即得铜基合金/不锈钢自组装复合粉体。真空感应炉的工作频率最好为150 250KHz。惰性气体或水蒸汽的流速尽可能快,以便 尽可能获得高的温度梯度(粉体中心与外层之间)。与现有的铜基合金与不锈钢复合粉体的制备方法相比,本发明采用简单的雾化法制粉工 艺,制备出铜基合金/不锈钢自组装复合粉体,其界面接触良好。同时利用液相调幅分解型合 金(即合金在液相中呈现两相分离)的性质,可以有效地控制复合粉体的内外组成相的成分, 从而实现了对复合粉体结构的可调控型设计。本发明适用于一切可通过液相调幅分解型合金(即合金在液相中呈现两相分离)来制备的复合粉体。


图1为合金Cu-44Fe-llCr (wt.%)相关系与温度示意图。在图1中,横坐标为铜的质量 分数(Cu/ wt.%),纵坐标为温度(Temperature/K),细线所示处成分即为Cu-44Fe-llCr(wt.%)。 该合金在1600 1750K的温度范围内,液相呈两相分离(Ll+L2)。图2为合金Cu-44Fe-llCr (wt.%)在Ll+L2区域内,两液相的体积分数与温度的关系 图。在图2中,横坐标为温度(Temperature/K),纵坐标为液相体积分数(Volume fraction)。 线a所示为富铁相(不锈钢Fe-richphase)的体积分数,线b所示为富铜相(铜基合金Cu-rich phase)的体积分数。图3为合金Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)相关系与温度示意图。在图3中,横坐标为铜的质 量分数(Cu/wt.%),纵坐标为温度(Temperature/K),细线所示处成分即为Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)。该合金在1600 1750K的温度范围内,液相呈两相分离(Ll+L2)。图4为合金Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)在Ll+L2区域内,两液相的体积分数与温度的关 系图。在图4中,横坐标为温度(Temperature/K),纵坐标为液相体积分数(Volume fraction)。 线a所示为富铜相(铜基合金Cu-richphase)的体积分数,线b所示为富铁相(不锈钢Fe-rich phase)的体积分数。图5为铜基合金/不锈钢自组装复合粉体横截面组织示意图,内核为富铜相(铜基合金内 核Cu-rich),次外层为富铁相(铁素体不锈钢层Fe-rich),最外层为富铜相(铜基合金层 Cu-rich)。在图5中,标尺为20pm。图6为不锈钢/铜基合金自组装复合粉体横截面组织示意图,内核为富铁相(马氏体不锈 钢内核Fe-rich),外层为富铜相(铜基合金层Cu-rich)。在图6中,标尺为20iam。
具体实施方式
实施例1将450g纯铜(电解铜,纯度为99.99 wt.%), 440g纯铁(纯度为99.9wt.%), 110g纯铬 (Cr,纯度为99.8 wt.%)放置于氧化铝坩锅中,然后将氧化铝坩锅放入内置于雾化设备的真 空感应炉(电源电压110V/220VAC;电源频率50~60Hz;工作频率150 250KHz)中, 关闭炉门后抽真空至真空感应炉内的真空度至1x10—3Pa,加大电流至上述三种纯金属完全熔 化至液体,所得合金液体成分为Cu-44Fe-llCr (wt.%)。将熔化了的合金液体(约lkg)倾倒 于受液斗,在液体流入雾化室的瞬间,用氩气气流吹之,在雾化室的最下端可得铜基合金/不 锈钢自组装复合粉体。关闭氩气气流阀,同时将电流值减小至零,当雾化设备冷却到常温(约25°C)时,打开充气阀注入空气,至雾化设备内外压强平衡时开启出料门,取出铜基合金/不锈钢(铁合金)复合粉体,铜基合金/不锈钢复合粉体的横截面组织示意图见图5。合金 Cu-44Fe-llCr(wt。/。)在1600 1750K的温度范围内,液相呈两相分离(Ll+L2)(参见图1), 富铁的液相体积分数大于富铜液相的体积分数(参见图2),结合所得复合粉体的横截面组织 示意图(参见图5),内核为富铜相(铜基合金)内核,次外层为铁素体不锈钢,最外层甚薄 (铜基合金),可知体积分数小的液相形成内核,体积分数多的液相形成外层,此即为自组装 复合粉体结构可调控设计的原理。 实施例2将600g纯铜(电解铜,纯度为99.99 wt.%), 328g纯铁(纯度为99.9wt.%), 72g纯铬(Cr, 纯度为99.8wt.。/。)放置于氧化铝坩锅中,然后将氧化铝坩锅放入内置于雾化设备的真空感应 炉(电源电压110V/220V AC;电源频率50~60Hz;工作频率150 250KHz)中,关闭 炉门后抽真空至真空感应炉内的真空度至1x10—3Pa,加大电流至上述三种纯金属完全熔化至 液体,所得合金液体成分为Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)。将熔化了的合金液体(约lkg)倾倒于 受液斗,在液体流入雾化室的瞬间,用氮气气流吹之,在雾化室的最下端可得铜基合金/不锈 钢自组装复合粉体。关闭氮气气流阖,同时将电流值减小至零,当雾化设备冷却到常温(约 25°C)时,打开充气阀注入空气,至雾化设备内外压强平衡时开启出料门,取出不锈钢/铜基 合金复合粉体,其复合粉体的横截面组织示意图见图6。合金01-32^6-7.20" %)在1600 1750K的温度范围内,液相呈两相分离(Ll+L2)(参见图3),富铜的液相体积分数大于富 铁液相的体积分数(参见图4),结合所得复合粉体的横截面组织示意图(参见图6),内核为 马氏体不锈钢内核,外层为富铜相(铜基合金)层,可知体积分数小的液相形成内核,体积 分数多的液相形成外层,进一步验证了自组装复合粉体结构的可调控性。实施例3将440g纯铜(电解铜,纯度为99.99 wt.%), 440g纯铁(纯度为99.9wt.%), 110g纯铬 (Cr,纯度为99.8wt.。/。), 10g纯钼(纯度为99.9wt.%)放置于氧化铝坩锅中,按照实施例1 所述的步骤操作,既得铜基合金/不锈钢复合粉体,复合粉体的横截面组织的内核为富铜相(铜 基合金)内核,次外层为铁素体不锈钢层,最外层甚薄(铜基合金)。 实施例4将590g纯铜(电解铜,纯度为99.99 wt.%), 328g纯铁(纯度为99.9wt.%), 72g纯铬(Cr, 纯度为99.8wty。), 10g纯镍(纯度为99.9wt/1/。)放置于氧化铝坩锅中放置于氧化铝坩锅中, 按照实施例2所叙的步骤操作,既得铜基合金/不锈钢复合粉体,复合粉体的横截面组织的内 核为奥氏体不锈钢内核,外层为富铜相(铜基合金)层。实施例5将435g纯铜(电解铜,纯度为99.99 wt.%), 440g纯铁(纯度为99.9wt.%), 110g纯铬 (Cr,纯度为99.8 wt.%), 5g纯铌(纯度为99.9wt.%), 5g纯钛(纯度为995wt.%)放置于 氧化铝坩锅中,按照实施例1所述的步骤操作,既得铜基合金/不锈钢复合粉体,复合粉体的 横截面组织的内核为富铜相(铜基合金)内核,次外层为铁素体不锈钢层,最外层甚薄(铜基 合金)。实施例6将585g纯铜(电解铜,纯度为99.99 wt.%), 328g纯铁(纯度为99.9wt.%), 72g纯铬(Cr, 纯度为99.8 wt.%), 9g纯硅(纯度为99.9wt.%), 4g纯钒(纯度为99.8wt.%)放置于氧化铝 坩锅中放置于氧化铝坩锅中,按照实施例2所叙的步骤操作,既得铜基合金/不锈钢复合粉体, 复合粉体的横截面组织的内核为马氏体不锈钢内核,外层为富铜相(铜基合金)层。
权利要求
1. 铜基合金/不锈钢自组装复合粉体,其特征在于包括内核和外层,内核为不锈钢内核或铜基合金内核,外层为铜基合金层或为不锈钢层和铜基合金层复合层,所述不锈钢层和铜基合金层复合层是由不锈钢层和铜基合金层复合组成,不锈钢层在内层,铜基合金层在内层外。
2. 如权利要求1所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体,其特征在于不锈钢选自马氏 体不锈钢、奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢。
3. 如权利要求2所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体,其特征在于按质量百分比, 马氏体不锈钢的成分为C: 0 1.20%, Cr: 13% 20%,可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni中 的至少一种,Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni的总含量不超过3。/。,余为铁。
4. 如权利要求2所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体,其特征在于奥氏体不锈钢的 成分为C<0.15%, Cr: 17% 19%, Nh 8% 12%,可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si中的至少 一种,Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si的总含量不超过3。/。,余为铁。
5. 如权利要求2所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体,其特征在于铁素体不锈钢的 成分为C<0.12%, Cr: 16%~18%,可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni中的至少一种,Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等总含量不超过3X,余为铁。
6. 如权利要求1所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体的制备方法,其特征在于包括 以下步骤1) 按质量百分比,按预先设定的铜基合金/不锈钢自组装复合材料的成分,称量铜、铁、 铬各金属放入真空感应炉内的熔炼装置熔化;2) 将熔化的合金液体倾倒于受液斗,在液体流入雾化室的瞬间,用惰性气体或水蒸汽吹 之,即得铜基合金/不锈钢自组装复合粉体。
7. 如权利要求6所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体的制备方法,其特征在于真空 感应炉的工作频率为150 250KHz。
8. 如权利要求6所述的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体的制备方法,其特征在于惰性 气体为氩气或氮气。
全文摘要
铜基合金/不锈钢自组装复合粉体及其制备方法,涉及一种复合粉体材料。提供一种简单廉价的铜基合金/不锈钢自组装复合粉体及其制备方法。包括内核和外层,内核为不锈钢内核或铜基合金内核,外层为铜基合金层或为不锈钢层和铜基合金层复合层,所述不锈钢层和铜基合金层复合层是由不锈钢层和铜基合金层复合组成,不锈钢层在内层,铜基合金层在内层外。按质量百分比,按预先设定的铜基合金/不锈钢自组装复合材料的成分,称量铜、铁、铬各金属放入真空感应炉内的熔炼装置熔化;将熔化的合金液体倾倒于受液斗,在液体流入雾化室的瞬间,用惰性气体或水蒸汽吹之,即得铜基合金/不锈钢自组装复合粉体。
文档编号B22F1/02GK101269415SQ20081007097
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者刘兴军, 王翠萍 申请人:厦门大学
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