弥散铜复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种弥散铜复合材料，同时还涉及弥散铜复合材料的制备方法，属于弥散铜加工技术领域。
【背景技术】
[0002]作为弥散相的Al2O3颗粒对Cu-Al 203复合材料强度的贡献主要表现在以下几个方面⑴Al2O3颗粒钉扎位错，在一定条件下作为位错源，增加位错密度；(2)A1 203颗粒的存在阻碍位错、亚晶界运动，从而阻碍再结晶晶核的形成和晶粒长大；(3)Al2O3颗粒的存在能够抑制静态和动态再结晶的进行。因此，Cu-Al2O3复合材料具有高导热率、高导电率和优良的高温强度、高温抗蠕变性能、耐磨性能好等优点，在机电、电子、宇航和原子能等领域有着巨大的应用潜力，已引起人们广泛的研究兴趣。
[0003]氧化铝弥散铜的制备，关键在于如何获得超细的氧化铝颗粒并使其均匀地弥散分布在铜基体上，在保证较高电导率的同时提高其高温力学性能。常用的制备方法主要有:传统粉末冶金法和改进的粉末冶金法，包括机械合金化法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、原位还原法等。近年来涌现出许多弥散强化铜制备新技术，如反应喷射沉积、真空混合铸造法、XD法和内氧化法等，其主要目的在于保持传统弥散强化铜制品性能的基础上降低弥散强化铜的生产成本，以促进弥散强化铜的推广应用。其中Cu-Al合金粉末内氧化法是目前商业化制备性能优良的Cu-Al2O3复合材料的最佳途径。如美国SCM公司用内氧化法制备的Cu-0.7A1203复合材料，抗拉强度达到585Ma，延伸率为11%，电导率85% IACS，且具有优异的抗软化温度。国内也有很多单位研究用内氧化法制备Cu-Al2O3复合材料，其中天津大学制备的Cu-0.62A1203复合材料，抗拉强度达到608Ma，电导率80% IACS。
[0004]传统的内氧化法制备Cu-Al2O3合金的工艺为:首先根据Al含量要求进行配料并在感应炉内熔炼Cu-Al合金，然后采用水雾化法或N2雾化Cu-Al合金熔体成Cu-Al合金粉末。将干燥后的Cu-Al合金粉末与Cu2O粉末混合均匀，然后将混合粉末放入真空炉内加热到800?1000°C，保温一定时间进行内氧化。控制氧分压使Cu-Al合金中的Al被氧化，而Cu不被氧化。内氧化结束就得到Cu-Al2O3粉末和Cu粉及残余的Cu2O的混合粉末。再通入H2去除残余氧，就得到Cu-Al 203粉末和Cu粉。再进行包套、抽真空、等静压制坯，然后热挤压，得到挤压毛坯，再冷拔得到所需的型材。
[0005]然而，传统的内氧化法制备Cu-Al2O3复合材料还存在许多问题:(I)工序多，周期长，生产成本高，不能制造大尺寸及形状复杂的零件；(2)影响因素太多，生产过程不易控制，材料质量不稳定；(3)难以实现自动化、规模化、连续生产，所以很难进行推广应用。以汽车焊装生产线用点焊电极为例，目前点焊电极常用的Cr-Zr-Cu棒材成本约为6万元/吨，采用传统内氧化工艺制备的Cu-Al2O3复合材料的成本约为15万元/吨，尽管Cu-Al 203复合材料电极的使用寿命为传统Cr-Zr-Cu电极的3倍以上，然而成本也高达2.5倍，再加上使用厂家的习惯，很难进行推广应用。这也是目前Cu-Al2O3复合材料推广应用中面临的主要问题。因此，设计新的弥散铜触头材料，发展新的制备技术以简化工艺、降低成本、提高效率、扩大生产规模，成为一项十分重要的任务。
[0006]公开号CN101338389A的发明专利公开了一种整体弥散铜制备用稀土铜合金材料及弥散铜的制备方法，稀土铜合金材料主要包含Cu、Al和稀土添加剂RE，各成分含量为:Al 0.1?Iwt %，RE 0.05?0.5wt%，余量为Cu，其中稀土 RE是指Y或Ce或混合稀土元素(Ce+Y)。弥散铜的制备方法包括:1)合金的熔炼:将高纯阴极铜(纯度99.95% )融化后升温精炼，再加入Al保温熔炼，在Ar气保护下加入Y，充分搅拌后浇铸，冷却出炉；2)合金的热加工:在温度850?950°C保温4?8小时进行热挤压或热乳加工；3)合金的固溶:固溶处理的温度为900?950°C，保温时间2?4小时，固溶处理后进行水淬；4)冷加工变形:分道次拉拔处理。该方法制备的弥散铜具有高强度、高导电性、高抗软化温度等特点，但是其强度和导电率仍有待提高。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种具有高强度、高电导率和良好高温力学性能的弥散铜复合材料。
[0008]同时，本发明还提供一种弥散铜复合材料的制备方法。
[0009]为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是:
[0010]弥散铜复合材料，由以下质量百分数的组分组成=Al2O30.24?3.74%, Y2O3O- 03?1.27%,余3；为Cu及不可避免的杂质。
[0011]用于制备弥散铜复合材料的粉体，由以下质量百分数的组分组成:1.22?21.79% Cu2O粉末，余量为Cu-Al-Y合金粉末；优选的，Cu2O粉末1.58?18.96%，余量为Cu-Al-Y合金粉末。Al与Y共占Cu-Al-Y合金粉末质量的0.25?2.0%，Al与Y的质量百分比为(25%?90% ): (10%?75% )。Cu2O的添加量一般为所需氧的120%，多余的氧在高温会通过聚集逸出，只有极少量会以CuAlO化合物的形式存在，对导电率影响很小，强度反而上升。
[0012]所述Cu2O粉末的粒度为-325目+400目(即能通过325目但不能通过400目)，纯度彡99.0%。
[0013]所述Cu-Al-Y合金粉末的粒度为-270目+400目(即能通过270目但不能通过400目)。其由原料Cu、Al、Y经熔融、雾化制粉工艺制得。原料Cu可选用标准阴极铜Cu-CATH-2，Cu含量彡99.95wt% ；A1可选用重熔用铝锭Al 99.70，Al含量彡99.70wt% ;Y可选用稀土金属钇Y-1，Y含量>99.5% ο
[0014]在本发明中，稀土 Y主要有两方面的作用，一是微量Y在合金熔炼中净化熔体和细化晶粒，通过冶金反应生成高熔点Y2O3促进形核细化晶粒和第二相弥散强化，二是通过外加氧化剂将合金中未氧化的Y发生内氧化反应原位形成和基体结合紧密的纳米Y2O3,与内氧化产生的Al2O3共同作用，以产生混杂种类金属氧化物的弥散强化效应。并且，所添加的Al、Y在雾化过程中通过冶金反应可以产生更稳定的氧化物结构，如产生a -Al2O3，不同于仅仅发生内氧化产生的γ_Α1203。
[0015]研究表明，在Cu-Al-Y合金粉末的制备过程中，无论是水雾化还是普通工业氮气雾化，所制备的Cu-Al-Y合金粉末中总是通过冶金反应生成少部分不溶于酸的非金属化合物，XRD分析表明为a -Al2OjP Y 203。因此，通过雾化法和内氧化制备的氧化物弥散强化铜，其氧化物的来源不同，结构不同，对应的强化机理也不相同。
[0016]以Cu2O粉末作氧源的Cu-Al-Y合金混合粉末压制后进行内氧化，在一定的温度和气氛下，Cu2O分解成Cu和[O] ; [O]吸附并溶入Cu-Al-Y合金颗粒表面；[O]在基体Cu扩散并与基体中Al择优氧化成Al2O3，完成内氧化，得到弥散强化的Cu-(A1203+Y203)复合材料。在这过程中，由于[O]在铜中的扩散系数远远大于Al和Y在铜中的扩散系数，因此可以认为是原位生成了 A1203+Y203。
[0017]进行氧化剂Cu2O含量选择时，考虑了以下因素:(I)Cu-Al-Y合金粉末中含有磷等杂质元素，按大小顺序排列，P、Al、As、Fe、N1、Mg、Sn、Si及Zn等元素如果与铜形成固溶体就会极大地降低铜合金的电导率，因此要尽可能的将杂质元素氧化；(2)作为氧源的Cu2O高温分解后不可能完全吸附于Cu-Al-Y合金粉末表面并完成扩散；(3)实际操作过程不可能像理论计算那么精确控制各种参数。
[0018]弥散铜复合材料的制备方法为:将Cu2O粉末和Cu-Al-Y合金粉末充分混合后压制成形得坯锭，坯锭经烧结内氧化处理后挤压成形，锻造，即得。
[0019](