弥散强化铜基复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铜基复合材料技术领域，尤其涉及一种Al2O3弥散强化铜基复合材料 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 弥散强化铜合金是在铜基体中引入热稳定性高、颗粒细小且呈弥散分布的氧化物 粒子，通过阻碍位错运动，抑制再结晶，从而在不明显降低材料导电性的基础上，大幅提高 铜基体高温强度的一种复合材料，通常称为"弥散强化铜基复合材料"。此类材料由于具有 高的导热率和导电率以及优良的高温性能和抗蚀性能，被广泛应用于微波器件、焊接电极、 集成电路引线框架、转换开关、触头材料等方面。常见的氧化物粒子有A1 203、Cr203、Zr20 3、 5102、1102、1%0工&0等，其中又以41 203最为常用。弥散强化铜合金的制备方法主要有：粉末 冶金法、机械合金化法、复合电沉积法、混合铸造法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、反应喷射沉 积法、内氧化法等，其中内氧化法是目前规模化生产弥散强化铜合金的较佳方法。内氧化法 又可分为：粉末内氧化法和薄板内氧化热挤压法。粉末内氧化法的工艺流程为：熔炼Cu-Al 合金一水雾化或N2雾化法制备Cu-Al合金粉末一Cu-Al合金粉末与Cu2O粉末混合一混合粉 末内氧化一用H 2除去残余氧一热压、烧结一热挤压成型。薄板内氧化热挤压法的工艺流程 为：熔炼Cu-Al合金一热轧或冷轧法制备Cu-Al合金薄板一合金薄板内氧化一内氧化薄板 真空包套封装一热挤压成型。可见，粉末内氧化法需要粉末雾化设备以及真空烧结设备，存 在工艺复杂、生产成本高等问题；而薄板内氧化热挤压法在制备薄板状弥散强化铜合金材 料时可省去真空包套封装和热挤压成型，工艺简单，但在制备块状弥散强化铜合金材料时， 在后续工艺过程中需进行真空包套封装。真空包套封装效率较低，同样使该方法存在生产 成本高的问题。
[0003] 现有技术中，专利CN 101956094 B公开了一种通过掺杂微量金属元素并利用粉末 内氧化法来制备高强高导弥散强化铜合金，该方法采用的是粉末内氧化法，生产周期长，工 艺复杂，且用该方法制备出的铜合金在材料的致密性上可能存在问题。专利CN 101121974 B公开了一种利用薄板内氧化制备Cu-Al2O3合金的方法，该方法是薄板内氧化热挤压法，与 粉末内氧化法相比，取消了粉末制备过程，工艺流程相对简单；但利用该方法制备块状合金 时，需利用包套对内氧化后的薄板进行真空包套封装，效率较低，不利于规模化生产，且在 制备的块状材料中易存在薄板界面结合较差的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种具有高致密度、高强度、高导电性的Al2O3弥散强化铜 基复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单、生产周期短、生产效率高。
[0005] 为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种Al2O3弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括下列步骤：
[0007] 1)合金熔炼：熔炼Cu-Al合金，并浇铸成合金铸锭；
[0008] 2)合金薄板轧制：将步骤1)所得合金铸锭先热锻，后热轧成坯料，再冷轧成合金 薄板，冷轧过程需经中间退火；
[0009] 3)合金薄板内氧化：将步骤2)所得合金薄板埋入由Cu20、Cu、A1 203组成的混合粉 末中进行内氧化，得内氧化薄板；
[0010] 4)内氧化薄板重熔：将步骤3)所得内氧化薄板重新熔炼后浇铸，即得Al2O3弥散 强化铜基复合材料。
[0011] 步骤1)中，所述的Cu-Al合金是在纯Cu基料中加入质量百分数为0.15 %? 0· 50%的 A1。
[0012] 步骤2)中，所述热锻和热轧的温度是700°C?900°C。始锻和始轧温度900°C，终 锻和终轧温度700°C。
[0013] 步骤2)中，所述的中间退火是当坯料厚度每减少30%，进行一次中间退火，退火 温度为450°C，保温时间为I. 5h。
[0014] 步骤2)所得合金薄板厚度是0· 5mm?I. 5mm。Al含量越高，合金薄板厚度最好越 薄。
[0015] 步骤3)中，所述的Cu20、Cu、Al2O3组成的混合粉末质量比为Cu 20 :Cu !Al2O3= 3 : 3 :4〇
[0016] Cu及Cu2O粉末的加入是为保证足够的氧分压进行内氧化，Al2O3粉末可防止合金 薄板在内氧化过程中粘结Cu和Cu 2O粉末。
[0017] 步骤3)中，所述的内氧化温度是900°C，时间是5h?15h。
[0018] 步骤3)是将步骤2)所得的合金薄板埋入密封罐内由Cu20、Cu、Al 2O3组成的混合 粉末中，将密封罐用耐火泥浆密封，经200°C干燥2h，然后进行内氧化。
[0019] 所述的耐火泥浆是铝矾土和水玻璃按质量比为铝矾土：水玻璃=1 :2混合制得。
[0020] 还包括对步骤4)所得的弥散强化铜基复合材料进行热挤压加工，加热温度 为800 °C，保温2h，制备成Al2O3弥散强化铜基复合材料棒材。热挤压过程中，挤压力为 780MPa?900MPa，挤压速率为35mm/s ;模具预热温度为400°C。
[0021] 步骤4)所得Al2O3弥散强化铜基复合材料铸锭，既可经切削加工直接制备零件，也 可经压力加工（热锻、热压、热挤压、乳制、冷拔等，采用其中的一种或多种工序）制备出各 种型材，再经切削加工制备所需零件。
[0022] 步骤4)中重新熔炼后的熔融液中，因 Al2O3颗粒较少且细小（纳米级），不会出现 聚集和上浮，而是均匀悬浮在Cu液中，浇铸凝固后均匀分布在Cu基体中，并且与Cu基体成 共格关系，因此制得的Al 2O3弥散强化铜基复合材料铸锭致密性好，不存在粉末内氧化法以 及薄板内氧化热挤压法制品中可能出现的空洞以及薄板界面结合较差的问题。
[0023] 本发明的Al2O3弥散强化铜基复合材料的制备方法，与粉末内氧化工艺相比，省略 了雾化制粉、热压烧结工序，与薄板内氧化热挤压法相比，省去了真空包装封套工序，大大 缩短了制备弥散强化铜基复合材料的生产周期，降低了成本，提高了生产效率，便于工业化 生产，同时采用本发明制得的Al 2O3弥散强化铜基复合材料是一种高强高导弥散强化铜基 复合材料，其铸态及热挤压态均具有高的强度、导电性、软化温度和良好的致密性。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合实施例对本发明的技术方案进行具体的说明，但不限定本发明的技术方 案。
[0025] 实施例1
[0026] 本实施例的Al2O3弥散强化铜基复合材料的制备方法，是采用质量分数 Cu彡99. 95%的电解铜、质量分数Al彡99. 90%的工业纯铝为原料，具体包括以下步骤：
[0027] 1)合金熔炼：在Cu基材料中添加质量分数为0. 15%的A1，于中频感应电炉中熔 炼，浇铸成合金铸锭，即尺寸为Φ80πιπιΧ 150mm的金属铸模；
[0028] 2)合金薄板制备：合金铸锭除去表面缺陷，700°C?900°C温度范围内热锻成截面 尺寸为95mmX 30mm矩形坯料，始锻温度900°C，终锻温度700°C，再经700 °C?900 °C温度 范围内热轧成15mmX IOOmm的矩形坯料，始轧温度900°C，终轧温度700°C，随后在轧机上 进行多道次冷轧，冷轧过程中坯料厚度每减少30%，需经一次中间再结晶退火，退火温度为 450°C，保温时间为I. 5h，得厚度为I. 5mm的轧制薄板；将轧制薄板截成面积IOOmmX IOOmm 方形合金薄板，用金相砂纸对合金薄板表面进行轻微打磨并清洗；
[0029] 3)合金薄板内氧化：将表面清理干净的多块合金薄板埋入铜罐内质量比为Cu2O : Cu =Al2O3= 3 :3 :4的混合粉末中，铜罐盖上铜盖板并用耐火泥浆将盖与铜罐的缝隙密封， 密封罐经200°C干燥2h后，装入加热炉中进行900°C内氧化12h，充分氧化透，空冷；所述的 耐火泥浆是铝矾土和水玻璃按质量比为铝矾土：水玻璃=1 :2混合制得；
[0030] 4)内氧化薄板重熔：将步骤3)所得的内氧化薄板重新置于中频感应电炉中熔炼， 浇铸成规格为Φ 80mm的铸锭，即得Al2O3弥散强化铜基复合材料铸锭；
[0031] 5)复合材料铸锭的加工：复合材料铸锭去皮后进行加热，加热温度为800°C，保温 2h，模具预热温度为400°C，然后在8MN双动挤压机上进行热挤压，铸锭加热温度挤压速率 为35mm/s，挤压力780MPa，热挤压制备成Φ20πιπι的Al 2O3弥散强化铜基复合材料棒材。
[0032] 实施例2
[0033] 本实施例的Al2O3弥散强化铜基复合材料的制备方法，是采用质量分数 Cu彡99. 95%的电解铜、质量分数Al彡99. 90%的工业纯铝为原料，具体包括以下步骤：
[0034] 1)合金熔炼：在Cu基材料中添加质量分数为0. 15%的A1，于中频感应电炉中熔 炼，浇铸成合金铸锭，即尺寸为Φ80πιπιΧ 150mm的金属铸模；
[0035] 2)合金薄板制备：合金铸锭除去表面缺陷，700°C?900°C温度范围内热锻成截面 尺寸为95mmX 30mm矩形坯料，始锻温度900°C，终锻温度700°C，再经700 °C?900 °C温度 范围内热轧成15mmX IOOmm的矩形坯料，始轧温度900°C，终轧温度700°C，随后在轧机上 进行多道次冷轧，冷轧过程中坯料厚度每减少30%，需经一次中间再结晶退火，退火温度为 450°C，保温时间为I. 5h，得厚度为I. Omm的乳制薄板；将乳制薄板截成面积IOOmmX IOOmm 方形合金薄板，用金相砂纸对合金薄板表面进行轻微打磨并清洗；
[0036] 3)合金薄板内氧化：将表面清理干净的多块合金薄板埋入铜罐内质量比为Cu2O : Cu =Al2O3= 3 :3 :4的混合粉末中，铜罐盖上铜盖板并用耐火泥浆将盖与铜罐的缝隙密