一种自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，将混合均匀的Fe-C粉体与铜粉进行球磨混粉，然后经过预压制形成毛坯，毛坯经过热压烧结后经过热处理，得到Cu-FeC复合材料。本发明自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，通过在制备Cu-FeC复合材料的过程中向还原铁粉中渗碳，在不改变铁含量的同时，通过将FeC合金由奥氏体相变为马氏体或贝氏体，很大程度提高了原有Cu-Fe复合材料的硬度和强度，制备出了具有高强度高导电率的Cu-FeC复合材料。
【专利说明】—种自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料制备【技术领域】，具体涉及一种自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]Cu-Fe复合材料具有高强度和高导电率的综合性能可广泛应用于微电子、电力及机械等行业。还可应用于大型电阻焊机底座及电极、大容量汽轮发电机转子槽楔、护环材料、超大规模集成电路引线框架、高速轨道交通用架空导线、国防军工用电子对抗、雷达、大功率军用微波管、热核实验反应堆(ITER)偏滤器垂直靶散热片及高脉冲磁场导体材料等领域。但是，现有的Cu-Fe复合材料通过增加含铁比例提高强度的同时，对材料的导电性能也产生了很大的影响。其次，采用一般的还原铁粉研制复合材料，其强度也具有很大的局限性。
[0003]随着科学技术的不断发展，国内外已经通过向Cu-Fe复合材料中加入一定量的Ag制备出Cu-Fe-Ag复合材料，虽然在材料的性能上有了很大改观，但却增加了材料的生产成本，不利于复合材料的大规模生产使用，因此改良Cu-Fe复合材料的制备方法仍具有很大空间。
[0004]为了获得成本低廉而且具有高强度高导电率的Cu-Fe复合材料，本发明采用对一般的还原铁粉渗碳的工艺从而获得高碳铁粉，通过铜基体与高碳铁粉的结合制备出自硬强化铜基复合材料。目前，对于本发明中提到的这种低成本高性能Cu/FeC复合材料的制备方法还没有相关报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，解决现有Cu_Fe复合材料强度和导电性能较低的问题。
[0006]本发明所采用的技术方案是，一种自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，将混合均匀的Fe-C粉体与铜粉进行球磨混粉，然后经过预压制形成毛坯，毛坯经过热压烧结后经过热处理，得到Cu-FeC复合材料。
[0007]本发明的特点还在于，
[0008]Fe-C粉体通过以下方式得到:将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在300?1250°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体。
[0009]Fe-C粉体中炭黑的质量百分比为0?0.8wt%，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7%。
[0010]Fe-C粉体与铜粉球磨混粉的方式如下:按质量百分比分别称取12% Fe_C粉体、88%铜粉,将Fe-C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的20?40倍加入磨球,进行12?24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体。
[0011]预压制是将Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力10?300KN，保压30?120秒形成毛坯。
[0012]热压烧结是将预压制形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到950?1050°C后，在1.5?3MPa的压强下进行热压并保温30?60min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理。
[0013]热处理是将热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为727?880°C，保温20?60min，水冷淬火；再加热到150?350°C，保温30?90min退火，空冷。
[0014]本发明的有益效果是，本发明自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，通过在制备Cu-FeC复合材料的过程中向还原铁粉中渗碳，在不改变铁含量的同时，通过将FeC合金由奥氏体相变为马氏体或贝氏体，很大程度提高了原有Cu-Fe复合材料的硬度和强度，制备出了具有高强度高导电率的Cu-FeC复合材料，为此类复合材料的研究提供了新的思路。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是实施例1中Fe-C粉体的电镜扫描图；
[0016]图2实施例1中铁粉的扫描电镜图；
[0017]图3是实施例1制备的Cu-FeC复合材料的微观组织图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019]本发明自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，将混合均匀的Fe_C粉体与铜粉进行球磨混粉，然后经过预压制形成毛坯，毛坯经过热压烧结后经过热处理，得到Cu-FeC复合材料。
[0020]具体按照以下步骤实施:
[0021]步骤1，按质量百分比分别称取0?0.8wt%炭黑，其余为铁粉，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7 %，将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在300?1250°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体；
[0022]步骤2，按质量百分比分别称取12 %步骤1得到的Fe-C粉体、88 %铜粉，将Fe_C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的20?40倍加入磨球，进行12?24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体；
[0023]步骤3，将步骤2得到的Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力10?300KN，保压30?120秒形成毛坯；
[0024]步骤4，将步骤3形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到950?1050°C后，在1.5?3MPa的压强下进行热压并保温30?60min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理；
[0025]步骤5，将步骤4热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为727?880°C，保温20?60min，水冷淬火；再加热到150?350°C，保温30?90min退火，空冷，即得到Cu-FeC复合材料。
[0026]本发明自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，通过在制备Cu_FeC复合材料的过程中向还原铁粉中渗碳，在不改变铁含量的同时，通过将FeC合金由奥氏体相变为马氏体或贝氏体，很大程度提高了原有Cu-Fe复合材料的硬度和强度，制备出了具有高强度高导电率的Cu/FeC复合材料，为此类复合材料的研究提供了新的思路。
[0027]实施例1
[0028]步骤1，按质量百分比分别称取0.4wt%炭黑，其余为铁粉，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7%，将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在500°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体；
[0029]步骤2，按质量百分比分别称取12%步骤1得到的Fe-C粉体、88%铜粉，将Fe-C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的20倍加入磨球，进行12h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体；
[0030]步骤3，将步骤2得到的Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力10KN，保压50秒形成毛坯；
[0031 ] 步骤4，将步骤3形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到1025°C后，在1.5MPa的压强下进行热压并保温60min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理；
[0032]步骤5，将步骤4热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为780°C，保温20min，水冷淬火；再加热到180°C，保温40min退火，空冷，即得到Cu-FeC复合材料。
[0033]经测试，实施例1制备得到的Cu-FeC复合材料的强度为560MPa，电导率12.6MS/m。
[0034]图1实施例1中铁粉的扫描图，可见，原始的Fe粉，颗粒粗大且表面粗糙有缺陷；
[0035]图2是实施例1中Fe-C粉体的电镜扫描图，经过步骤1制备的Fe_C粉体，其颗粒细小；
[0036]图3是实施例1制备的Cu-FeC复合材料的微观组织，图3中黑色颗粒为Fe_C相，其均匀分布在Cu基体中，热处理后起到自硬强化作用。
[0037]实施例2
[0038]步骤1，按质量百分比分别称取0.3wt%炭黑，其余为铁粉，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7%，将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在800°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体；
[0039]步骤2，按质量百分比分别称取12%步骤1得到的Fe-C粉体、88%铜粉，将Fe-C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的30倍加入磨球，进行18h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体；
[0040]步骤3，将步骤2得到的Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力30KN，保压60秒形成毛坯；
[0041 ] 步骤4，将步骤3形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到1040°C后，在2MPa的压强下进行热压并保温40min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理；
[0042]步骤5，将步骤4热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为750°C，保温20min，水冷淬火；再加热到150°C，保温40min退火，空冷，即得到Cu-FeC复合材料。
[0043]经测试，实施例2制备得到的Cu-FeC复合材料的强度为540MPa，电导率12.8MS/m。
[0044]实施例3
[0045]步骤1，按质量百分比分别称取0.6wt%炭黑，其余为铁粉，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7%，将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在300°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体；
[0046]步骤2，按质量百分比分别称取12 %步骤1得到的Fe-C粉体、88 %铜粉，将Fe_C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的20倍加入磨球，进行24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体；
[0047]步骤3，将步骤2得到的Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力50KN，保压40秒形成毛坯；
[0048]步骤4，将步骤3形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到1050°C后，在2.5MPa的压强下进行热压并保温50min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理；
[0049]步骤5，将步骤4热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为840°C，保温35min，水冷淬火；再加热到210°C，保温45min退火，空冷，即得到Cu-FeC复合材料。
[0050]经测试，实施例3制备得到的Cu-FeC复合材料的强度为568MPa，电导率12.2MS/m。
[0051]实施例4
[0052]步骤1，按质量百分比分别称取0.8wt%炭黑，其余为铁粉，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7%，将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在1250°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体；
[0053]步骤2，按质量百分比分别称取12 %步骤1得到的Fe-C粉体、88 %铜粉，将Fe_C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的40倍加入磨球，进行24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体；
[0054]步骤3，将步骤2得到的Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力60KN，保压30秒形成毛坯；
[0055]步骤4，将步骤3形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到1050°C后，在3MPa的压强下进行热压并保温60min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理；
[0056]步骤5，将步骤4热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为860°C，保温40min，水冷淬火；再加热到230°C，保温60min退火，空冷，即得到Cu-FeC复合材料。
[0057]经测试，实施例4制备得到的Cu-FeC复合材料的强度为585MPa，电导率12.0MS/m。
[0058]实施例5
[0059]步骤1，按质量百分比分别称取0.lwt%炭黑，其余为铁粉，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7%，将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在1000°c氢气气氛下加热制成Fe-C粉体；
[0060]步骤2，按质量百分比分别称取12%步骤1得到的Fe-C粉体、88%铜粉，将Fe-C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的30倍加入磨球，进行15h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体；
[0061 ] 步骤3，将步骤2得到的Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力300KN，保压120秒形成毛坯；
[0062]步骤4，将步骤3形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到950°C后，在2MPa的压强下进行热压并保温30min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理；
[0063]步骤5，将步骤4热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为727°C，保温60min，水冷淬火；再加热到350°C，保温90min退火，空冷，即得到Cu-FeC复合材料。
[0064]经测试，实施例5制备得到的Cu-FeC复合材料的强度为588MPa，电导率11.6MS/m。
[0065]实施例6
[0066]步骤1，按质量百分比分别称取0.2wt%炭黑，其余为铁粉，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7%，将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在600°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体；
[0067]步骤2，按质量百分比分别称取12%步骤1得到的Fe-C粉体、88%铜粉，将Fe-C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的40倍加入磨球，进行20h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体；
[0068]步骤3，将步骤2得到的Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力100KN，保压30秒形成毛坯；
[0069]步骤4，将步骤3形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到1000°c后，在2.5MPa的压强下进行热压并保温40min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理；
[0070]步骤5，将步骤4热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为880°C，保温50min，水冷淬火；再加热到300°C，保温30min退火，空冷，即得到Cu-FeC复合材料。
[0071]经测试，实施例6制备得到的Cu-FeC复合材料的强度为535MPa，电导率12.3MS/m。
【权利要求】
1.一种自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，其特征在于，将混合均匀的Fe-C粉体与铜粉进行球磨混粉，然后经过预压制形成毛坯，毛坯经过热压烧结后经过热处理，得到Cu-FeC复合材料。
2.根据权利要求1所述的自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，其特征在于，Fe-C粉体通过以下方式得到:将铁粉和炭黑装入球磨罐中，按粉末总质量的40倍加入磨球，球磨6h后装入高纯石墨坩埚中，在300?1250°C氢气气氛下加热制成Fe-C粉体。
3.根据权利要求2所述的自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，其特征在于，Fe-C粉体中炭黑的质量百分比为O?0.8wt%，铁粉的粒度为200目，纯度为99.7 %。
4.根据权利要求1所述的自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，其特征在于，Fe-C粉体与铜粉球磨混粉的方式如下:按质量百分比分别称取12% Fe-C粉体、88%铜粉，将Fe-C粉体与铜粉装入球磨罐中，按所有粉末总质量的20?40倍加入磨球,进行12?24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉体。
5.根据权利要求1所述的自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，其特征在于，预压制是将Cu-FeC混合粉体过筛后通过冷压模具进行预压制，压制压力10?300KN，保压30?120秒形成毛还。
6.根据权利要求1所述的自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，其特征在于，热压烧结是将预压制形成的毛坯装在高纯石墨坩埚中，放置于气氛保护加压烧结炉内加热到950?1050°C后，在1.5?3MPa的压强下进行热压并保温30?60min，当热压炉温度降低到室温时撤去压强，对毛坯表面加工处理。
7.根据权利要求1所述的自硬强化Cu-FeC复合材料的制备方法，其特征在于，热处理是将热压烧结后的毛坯在箱式热处理炉进行热处理，淬火温度为727?880°C，保温20?60min，水冷淬火；再加热到150?350°C，保温30?90min退火，空冷。
【文档编号】C22C1/05GK104263985SQ201410494099
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】邹军涛, 石浩, 陈镜任, 梁淑华, 王勇, 楚思清 申请人:西安理工大学