一种超大尺寸滚轮及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种超大尺寸滚轮及其制备方法。在本发明中，通过在铜基体中加入高温性能稳定的氧化物相粒子制备得到，使材料在保持它的高导电性的同时，最大限度的提高铜合金材料的强度，该材料强度高、导电率和导热率好，抗软化温度高，将Al2O3弥散强化铜材料粉末进行冷等静压成型为坯料、包套抽气封口处理，热等静压致密化，加工成￠300mm后切片加工后最终得到超大尺寸滚轮。本发明的超大尺寸滚轮在高温状态下依然能保持本身良好的强度、硬度、软化温度以及导电率。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于高性能材料制造领域，尤其涉及一种超大尺寸滚轮及其制备方法。 一种超大尺寸滚轮及其制备方法
【背景技术】
[0002] 现有加工大直径导电滚轮的方法是利用熔铸工艺浇铸制取坯料，进行自由锻造、 机械加工。利用熔铸工艺，材料的成分大多是Cu-Cr、Cu-Cr-Zr系列合金，属于固溶强化合 金材料，难以克服的缺陷是在较低温度下约在固溶温度的一半时，将失去它们的大部分强 度，因而在高温环境下（500°C以上），合金材料强度、硬度下降，导致滚轮软化变形性能下 降的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种超大尺寸滚轮及其制备方法，旨在克服浇铸合金加工 大直径滚轮所存在的导电材料高温性能差的缺陷。
[0004] 本发明是这样实现的，一种超大尺寸滚轮的制备方法，包括以下步骤：
[0005] (1)将A1203弥散强化铜材料进行冷等静压成型为坯料，使其均匀致密得到坯锭；
[0006] (2)将所述坯锭包入包套，进行不同阶段加温抽气封口处理；
[0007] (3)将所述包套后的坯锭进行热等静压致密化后，加工成0 300mm的滚轮轮坯；
[0008] (4)将所述滚轮轮坯按照技术要求进行切片加工，得到超大尺寸滚轮。
[0009] 优选地，所述冷等静压成型具体为：
[0010] 在密实振动设备上，把A1203弥散强化铜材料填充在冷等静压设备的橡皮袋内，利 用冷等静压成型工艺制备尺寸为0 330 X 250mm，相对密度为86?90%的坯料。
[0011] 优选地，所述进行不同阶段加温抽气封口处理具体为：
[0012] 将所述坯锭装入包套中，先将包套预除气到真空度为10Pa，在温度150°C? 250°C，250°C?350°C、350°C?450°C三个温度段进行除气，每一温度段除气的真空度达到 10Pa以上后，再升温到下一温度段。在温度450°C时，真空度达到10Pa以上后封口。
[0013] 优选地，所述包套后的坯锭进行热等静压致密化具体为：
[0014] 将包套后的坯锭置于热等静压设备中，通入高纯氩气，分段升温，并在900°C、压力 为100?105MPa时保温45分钟后冷却至室温取出。
[0015] 优选地，所述A1203弥散强化铜材料通过以下步骤制备：
[0016] A、在中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至20?30KW，加入 铜：错含量为1:1的铜-铝中间合金，使溶液中的A1含量在0.5?0.6%范围，提高电炉功 率使合金熔液过热到1150?1250°C，保温10?15分钟，用惰性雾化气体雾化成粉末，在 100?150°C烘烤并筛分出粒径不大于150um的铜-铝合金粉末；
[0017] B、将所述铜-铝合金粉末在导氧设备导氧机上连续作业，温度控制在350? 450°C，使合金粉末颗粒表面反应生成一层氧化膜；
[0018] C、将生成氧化膜后的铜-铝合金粉置于炉体氧化铝生长炉中，密封升温，在温度 达到600?800°C时，保温120分钟，然后降温至100°C以下取出，得到弥散铜-铝合金粉 末；
[0019] D、将所述弥散铜-铝合金粉末经过粉碎、筛分、磁选以及还原后得到A1203弥散强 化铜材料。
[0020] 优选地，所述雾化介质为氮气或氩气。
[0021] 本发明克服现有技术的不足，首先提供一种A1203弥散强化铜材料及其制备方法。 为了改善铜及铜合金在高温下强度不足的缺陷，在本发明中，A1 203弥散强化铜材料的制备 过程中，通过在铜基体中加入高温性能稳定的氧化物相粒子，使材料在保持它的高导电性 的同时，最大限度的提高铜合金材料的强度。A1 203弥散强化铜材料粉末是通过向铜基体中 引入均匀分布、细小具有优良热稳定性的氧化铝颗粒，强化铜基体而制得的材料。该材料不 但强度高，导电率和导热率也非常好，更具特征的是材料处在高温环境下，它比任何铜合金 能保持的强度都高，即优良的抗软化温度。这一特征主要是来自均匀分布在铜基体中微小 的氧化铝颗粒。
[0022] 本发明的A1203弥散强化铜材料是一种具有优良物理性能和力学性能的功能材 料，可以广泛应用于集成电路的引线框架、各种点焊、高档轿车车身点焊、滚焊电极、触头材 料、电动工具换向器、高速电气化铁路架空线、大功率异步牵引电动机转子、高脉冲磁场导 体材料，航空航天导体材料。
[0023] 在此基础上，本发明进一步提供了利用上述A1203弥散强化铜材料制备一种超大 尺寸滚轮材料及其制备方法。
[0024] 在本发明中，通过将A1203弥散强化铜材料进行冷等静压成型为坯料，使其均匀致 密得到坯锭；然后将坯锭包入包套，进行不同阶段加温抽气封口处理；然后将包套后的坯 锭进行热等静压致密化后，加工成0 300mm的滚轮轮坯；最后对滚轮轮坯按照技术要求进 行切片加工，得到超大尺寸滚轮。
[0025] 在本发明中，利用A1203弥散强化铜粉末原料，根据超大尺寸导电滚轮的材料与 加工特性，相应的使用液压机、冷等压机、挤压机、热等静压机、高速锻锤以及模具加工成 形。利用A1 203相弥散强化铜粉末制备技术、包套技术、等静压技术来制备含有陶瓷成分材 料的大直径导电滚轮，使常规条件下难以加工的材料变为可行。实现超大直径滚轮在高温 (900°C以上）达到高强度、高导电、高软化，解决普通浇注材料在高温（500°C)以上强度低， 容易软化的缺陷。
[0026] 此外，在本发明中，热等静压非致密性粉料物品时，包套起着非常关键性的作用。 包套相当于模具，是装填粉料的容器，同时又是气密性的。因为装好料后，要进行真空抽气， 排除粉料中的气体、湿气与容易挥发性的杂质成分，封口后热压。再热压过程中，必须保证 压力介质（氩气）不会进入粉料的空隙中，从而确保热等静压的顺利进行。如果没有气密 性的包套，或者包套有孔洞等缺陷，高压气体就会进入粉料空隙，就不能压成部件，或部件 产品的质量很差。即使有少量的气体（〇.5ppm)进入粉料的基体，都会使热压体的质量大大 降低，甚至报废。根据包套的作用，选择、设计包套时，必须遵循几个基本原则：1、包套材料 不应与粉料发生反应；2、包套材料必须适应所选定的温度、压力特性；3、包套本身的气密 性要可靠；4、包套应易于加工成形。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0028] 实施例1
[0029] A1203弥散强化铜材料的制备方法，包括以下步骤：
[0030] (1)在中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至30KW，加入铜： 铝含量为1:1的铜-铝中间合金，使溶液中的A1含量在0. 5%范围，再提高电炉功率到满负 荷，使合金熔液过热到1150°C，保温15分钟。使用氮气雾化介质雾化制取所需化学成分的 铜-铝合金粉末原料。在150°C下烘烤粉末原料，经过筛分合批获取粒度在150um以下合格 的铜-错合金粉末。
[0031] (2)合金粉低温导氧：将铜-铝合金粉末在专用导氧设备导氧机上连续作业，温度 控制在450 °C，使合金粉末颗粒表面反应生成一层氧化膜。
[0032] (3)氧化铝相原位生长：将导入氧源的铜-铝合金粉置于特制的炉体氧化铝生长 炉中，密封升温。当温度达到800°C时，保温120分钟，然后降温至100°C以下取出。
[0033] (4)经粉碎机粉碎一振动筛筛分一磁选设备磁选一还原炉还原即成为加工高强 度、高导电、高软化温度的A1 203弥散强化铜材料1。
[0034] 实施例2
[0035] A1203弥散强化铜材料的制备方法，包括以下步骤：
[0036] (1)在中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至20KW，加入铜： 铝含量为1:1的铜-铝中间合金，使溶液中的A1含量在0. 6%范围，再提高电炉功率到满负 荷，使合金熔液过热到1200°C，保温10分钟。使用氩气雾化介质雾化制取所需化学成分的 铜-铝合金粉末原料。在l〇(TC下烘烤粉末原料，经过筛分合批获取粒度在150um以下合格 的铜-错合金粉末。
[0037] (2)合金粉低温导氧：将铜-铝合金粉末在专用导氧设备导氧机上连续作业，温度 控制在450 °C，使合金粉末颗粒表面反应生成一层氧化膜。
[0038] (3)氧化铝相原位生长：将导入氧源的铜-铝合金粉置于特制的炉体氧化铝生长 炉中，密封升温。当温度达到800°C时，保温120分钟，然后降温至100°C以下取出。
[0039] (4)经粉碎机粉碎一振动筛筛分一磁选设备磁选一还原炉还原即成为加工高强 度、高导电、高软化温度的A1 203弥散强化铜材料2。
[0040] 实施例3
[0041] A1203弥散强化铜材料的制备方法，包括以下步骤：
[0042] (1)在中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至25KW，加入铜： 铝含量为1:1的铜-铝中间合金，使溶液中的A1含量在0.6%范围，再提高电炉功率到满 负荷，使合金熔液过热到1250°C，保温12分钟。使用氮气或氩气雾化介质雾化制取所需化 学成分的铜-铝合金粉末原料。在130°C下烘烤粉末原料，经过筛分合批获取粒度在150um 以下合格的铜_错合金粉末。
[0043] (2)合金粉低温导氧：将铜-铝合金粉末在专用导氧设备导氧机上连续作业，温度 控制在40(TC，使合金粉末颗粒表面反应生成一层氧化膜。
[0044] (3)氧化铝相原位生长：将导入氧源的铜-铝合金粉置于特制的炉体氧化铝生长 炉中，密封升温。当温度达到700°C时，保温120分钟，然后降温至100°C以下取出。
[0045] (4)经粉碎机粉碎一振动筛筛分一磁选设备磁选一还原炉还原即成为加工高强 度、高导电、高软化温度的A1 203弥散强化铜材料3。
[0046] 实施例4
[0047] 一种超大尺寸滚轮的制备方法，包括以下步骤：
[0048] (1)将实施例1制备的A1203弥散强化铜材料1在密实振动设备上填充在冷等静 压设备的橡皮袋内，利用冷等静压成型工艺制备尺寸为0 350mm，相对密度为90%的坯锭。
[0049] (2)将坯锭包入包套，进行不同阶段加温抽气封口处理。其中，不同阶段加温抽 气封口处理具体为：将坯锭装入包套中，先将包套预除气到真空度为l〇Pa，在温度150°C? 250°C，250°C?350°C、350°C?450°C三个温度段进行除气，每一温度段除气到真空度为 10Pa以上后再升温到下一温度段。在温度450°C真空度达到10Pa以上时方可封口。
[0050] (3)将包套后的坯锭置于热等静压设备中，通入高纯氩气，分段升温，并在900°C、 压力为105MPa时保温45分钟后冷却至室温取出，加工成0 300mm的滚轮轮坯。
[0051] (4)将滚轮轮坯按照技术要求进行切片加工，得到超大尺寸滚轮1。
[0052] 实施例5
[0053] -种超大尺寸滚轮的制备方法，包括以下步骤：
[0054] (1)将实施例2制备的A1203弥散强化铜材料2在密实振动设备上填充在冷等静 压设备的橡皮袋内，利用冷等静压成型工艺制备尺寸为0 350mm，相对密度为86%的坯锭。
[0055] (2)将坯锭包入包套，进行不同阶段加温抽气封口处理。其中，不同阶段加温抽 气封口处理具体为：将坯锭装入包套中，先将包套预除气到真空度为l〇Pa，在温度150°C? 250°C，250°C?350°C、350°C?450°C三个温度段进行除气，每一温度段除气到真空度为 10Pa以上时再升温到下一温度段。在温度450°C真空度达到10Pa以上时方可封口。
[0056] (3)将包套后的坯锭置于热等静压设备中，通入高纯氩气，分段升温，并在900°C、 压力为lOOMPa时保温60分钟后冷却至室温取出，加工成0 300mm的滚轮轮坯。
[0057] (4)将滚轮轮坯按照技术要求进行切片加工，得到超大尺寸滚轮2。
[0058] 实施例6
[0059] -种超大尺寸滚轮的制备方法，包括以下步骤：
[0060] (1)将实施例3制备的A1203弥散强化铜材料3在密实振动设备上填充在冷等静 压设备的橡皮袋内，利用冷等静压成型工艺制备尺寸为0 330 X 250mm，相对密度为86 %的 坯锭。
[0061] (2)将坯锭包入包套，进行不同阶段加温抽气封口处理。其中，不同阶段加温抽 气封口处理具体为：将坯锭装入包套中，先将包套预除气到真空度为l〇Pa，在温度150°C? 250°C，250°C?350°C、350°C?450°C三个温度段进行除气，每一温度段除气到真空度为 10Pa以上时再升温到下一温度段，在温度450°C真空度达到10Pa以上时方可封口。
[0062] (3)将包套后的坯锭置于热等静压设备中，通入高纯氩气，分段升温，并在900°C、 压力为105MPa时保温45分钟后冷却至室温取出，加工成0 300mm的滚轮轮坯。
[0063] (4)将滚轮轮坯按照技术要求进行切片加工，得到超大尺寸滚轮3。
[0064] 对比实施例
【权利要求】
1. 一种超大尺寸滚轮的制备方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 将A1203弥散强化铜材料进行冷等静压成型为坯料，使其均匀致密得到坯锭； (2) 将所述坯锭包入包套，进行不同阶段加温抽气封口处理； (3) 将所述包套后的坯锭进行热等静压致密化后，加工成C 300mm的滚轮轮坯； (4) 将所述滚轮轮坯按照技术要求进行切片加工，得到超大尺寸滚轮。
2. 如权利要求1所述的超大尺寸滚轮的制备方法，其特征在于，所述冷等静压成型具 体为： 在密实振动设备上，把A1203弥散强化铜材料在密实振动设备上填充在冷等静压设备 的橡皮袋内，利用冷等静压成型工艺制备尺寸为0 330 X 250mm，相对密度为86?90 %的坯 料。
3. 如权利要求2所述的超大尺寸滚轮的制备方法，其特征在于，所述进行不同阶段加 温抽气封口处理具体为： 将所述坯锭装入包套中，先将包套预除气到真空度为l〇Pa，在温度150°C?250°C， 250°C?350°C、350°C?450°C三个温度段进行除气，每一温度段除气的真空度达到10Pa以 上后，再升温到下一温度段，在温度450°C时，真空度达到10Pa以上后封口。
4. 如权利要求3所述的超大尺寸滚轮的制备方法，其特征在于，所述包套后的坯锭进 行热等静压致密化具体为： 将包套后的坯锭置于热等静压设备中，通入高纯氩气，分段升温，并在900°C、压力为 100?105MPa时保温45分钟后冷却至室温取出。
5. 如权利要求1至4任一项所述的超大尺寸滚轮的制备方法，其特征在于，所述A1203 弥散强化铜材料通过以下步骤制备： A、 在中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至20?30KW，加入铜： 铝含量为1:1的铜-铝中间合金，使溶液中的A1含量在0. 5?0. 6 %范围，提高电炉功率 使合金熔液过热到1150?1250°C，保温10?15分钟，用惰性气体雾化成粉末，在100? 150°C烘烤并筛分出粒径不大于150um的铜-铝合金粉末； B、 将所述铜-铝合金粉末在导氧设备导氧机上连续作业，温度控制在350?450°C，使 合金粉末颗粒表面反应生成一层氧化膜； C、 将生成氧化膜后的铜-铝合金粉置于炉体氧化铝生长炉中，密封升温，在温度达到 600?800°C时，保温120分钟，然后降温至100°C以下取出，得到弥散铜-铝合金粉末； D、 将所述弥散铜-铝合金粉末经过粉碎、筛分、磁选以及还原后得到A1203弥散强化铜 材料。
6. 如权利要求5所述的超大尺寸滚轮的制备方法，其特征在于，所述雾化介质为氮气 或氦气。
【文档编号】B22F3/12GK104084585SQ201410291098
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】彭茂公, 亢若谷, 田伟平, 张家敏 申请人:云南科力新材料有限公司