与Cr协同强化网/球状铜材料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有色金属材料领域，设及一种AUSiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铜的化学稳定性强，无磁性，美观耐用，导电导热，易于烙接，被广泛用于电子、通 讯、家电、交通和机械工程等领域，可用作诸如汽车同步器齿环、集成电路引线框架、空调冷 凝管、舰船和海水淡化器件的原材料。但是，铜却因其面屯、立方(fee)晶体结构及滑移系多 的特性，而具有低强/硬度，易磨损的缺点。运限制了铜质元器件在大载荷工况条件下的应 用。所W，在保证足够导电性的前提下，提高铜材料的硬度和强度具有重要意义。
[0003] 铜材料的复合化是提高其强度和硬度的重要途径，该方法常通过烙炼或者粉末冶 金工艺向铜中添加具有高硬度、高烙点的硬质相来实现。硬质相主要包括了金属的氧化物、 氮化物和碳化物，如Al203、Si02、AlN、WC、SiC、NbC、VC等，运些硬质相增强铜材料的机理与其 对Cu的位错钉扎作用密切相关，一般来讲，硬质相的分布越均匀，则其弥散强化效果越好； 同时，硬质相的强化效果也与其物化特性有关。目前，粉末冶金工艺是实现硬质相与铜材料 复合化的有效途径，即铜粉与添加物充分混匀后，按照"压巧一烧结"制备环节，获得块体材 料。该方法能够使硬质相均匀分布在铜基体之中，然而，硬质相却不易与铜基体润湿，导致 硬质相与基体相的界面结合性差，运不利于材料的导电性。因此，选用合适的硬质相，提高 增强体与铜基体之间的润湿性，是提高铜材料综合性能的重要途径。
[0004] 此外，铜中添加吐、2'少6、1'1等过渡族合金元素，也会提高材料的硬度和强度，因 为运些元素起到固溶时效的作用。强化效果取决于铜基体中合金元素的固溶数量和分布状 况。在平衡状态下合金元素在Cu中难W固溶，强化效果受到限制。可见，提高合金元素在铜 基体中的固溶数量，是增强铜材料强/硬度的重要途径。
【发明内容】
[000引针对上述技术现状中存在的问题，考虑到AUSiC4的优异抗氧化和抗水化性，基于 弥散强化与固溶时效强化机制的协同效应，利用高能球磨能够提高合金元素在铜中固溶度 且均匀分散增强体的特点，本发明综合利用多步骤机械球磨和同步热压烧结技术，提供了 一种Al4SiC4与化协同强化网/球状铜材料及其制备方法。
[0006] 本发明技术方案是：AUSiC4与Cr协同强化铜材料，其组成为：（Cui日日-xCrx)i〇〇-y (A；USiC4)y;x为Cr元素在Cuioo-xCrx合金中的原子百分比，lat〇/〇 < X <10at〇/〇，y为AUSiC* 在复合材料中的体积百分比，1 vol〇/〇 <y < 30 vol 〇/〇。
[0007] 所述的Al4SiC4与化协同强化网/球状铜材料，优选的是2at% < X <7 at% (优选 的，3at〇/〇 < X <6 at〇/〇)。
[000引所述的AUSiC4与化协同强化网/球状铜材料，优选的是5 vol% <y < 25 vol 0/0 (优选的，8 vol0/0 < X <16 vol0/0)。
[0009] 本发明还提供了所述的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料的制备方法，其步骤 如下： 步骤1:按照（加日0-xCrx)i00-y(Al4SiC4)y的成分配比，称量Cu、Cr和Al4SiC4粉料，并称量 硬脂酸，按照每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控 制剂； 步骤2:将步骤1准备的AUSiC4和一半质量的Cu原材料、钢球与机械球磨过程控制剂， 装入真空球磨罐，之后封盖、抽真空、充入高纯氣，进行高能机械球磨，球磨时间30~150小 时，球磨转速250~500转/分钟，获得化包AUSiC4的高活性纳米晶粉体;在无氧环境中，将化/ A^SiC4纳米晶粉与步骤1准备的化粉和另一半质量的Cu粉一起装入带有球磨过程控制剂的 真空罐内，之后抽真空和充入高纯氣，并在球磨机上进行短时间球磨，此时的球料比及转 速，与上述球磨Cu/A^SiC4的参数范围相同，球磨时间为5~25小时，获得Cu、Cr和AUSiC4分 布均匀的粉料； 步骤3:将步骤2制备得的粉体，放入真空热压烧结炉的模具里，把炉内真空度抽至10-3~l(T4pa数量级，之后进行热压烧结，加热与加压过程异步进行，升溫到420°C后开始施加压 力，烧结结束后炉冷至室溫，获得硬度高且导电性良好的铜基复合材料。
[0010] 所述的制备方法，优选的是，步骤1: Cu、Cr和AUSiC4粉料的平均粒径为10微米，纯 度在99%W上。
[00川所述的制备方法，优选的是，步骤1:硬脂酸的用量为化、Cr和Al4SiC4粉料总质量的 0.1~5% (优选的，硬脂酸的用量为Cu、Cr和Al4SiC4粉料总质量的0.5~2%)。
[0012] 所述的制备方法，优选的是，步骤2:将步骤1准备的Cu和AUSiC4原材料、钢球与机 械球磨过程控制剂，装入真空球磨罐，球料比9 a~35:1 (优选的，10 a~20:1)。
[0013] 所述的制备方法，优选的是，步骤3:烧结溫度为600-1000°C，烧结时间为0.5-5小 时(优选的，烧结溫度850-950，烧结时间2-4小时）。
[0014] 所述的制备方法，优选的是，步骤3:烧结保溫时压力达到30-200 MPa (优选的，烧 结保溫时压力达到80-150 MPa)。
[0015] 本发明属于有色金属材料领域，设及一种AUSiC4与Cr协同强化网/球状铜材料及 其制备方法。本发明利用硬质相弥散强化和合金元素固溶强化原理，采用机械球磨和同步 热压烧结技术，制备出了高硬度且导电性优良的铜基复合材料。材料的制备方法为:先将Cu 和Al4SiC4反应物粉料按比例进行机械球磨获得纳米晶粉，再与化粉和剩余的Cu粉球磨，最 后运用同步热压烧结技术，获得AUSiC4增强的铜铭复合材料。本发明主要特点：A^SiC4和 Cr均匀弥散在铜基体中，硬质相与铜铁合金基体界面结合强度高，材料的硬度高导电性良 好。
[0016] 本发明的优异效果是，由于采用上述技术方案，本发明制得的铜基复合材料与添 加其它单一强化相的铜基复合材料相比，具有更加优异的硬度和导电性;同时，本发明的实 施采用了常用设备，便于技术推广和规模化生产。
【附图说明】
[00Π ]图巧本发明实施例1的Al4SiC4与Cr协同强化网/球状铜材料组织及元素分布图。
【具体实施方式】
[0018] W下将结合实施例对本发明做进一步说明，本发明的实施例仅用于说明本发明的 技术方案，并非限定本发明。
[0019] 实施例中所用化和化原料可从市场购买。M4SiC4为自制原料，其制备方法如下： 步骤1:按照Al4SiC4的成分配比，称量平均粒径10微米纯度在99%w上的Al、Si和C粉， 按照每100克粉料1克硬脂酸比例称量硬脂酸，作为球磨过程控制剂； 步骤2:将步骤1准备的原料粉、硬脂酸和钢球装入真空球磨罐，之后封盖、抽真空、充入 高纯氣，进行高能机械球磨，球磨时间20小时，球磨转速380转/分钟，获得混合粉料； 步骤3:将步骤2制备得的粉体，放入真空烧结炉内，把炉内真空度抽至2Xl(T3pa之后 进行烧结，烧结溫度为1800°C，烧结时间为3小时，烧结结束后炉冷至室溫，可获得M4SiC4粉 料。
[0020] 本发明具有网/球状特征(加日0-xCrx)i00-y(Al4SiC4)y材料的制备方法，常规步骤如 下： 步骤1:按照（C山日日-xCrx)i日日-y(Al4SiC4)y的成分配比，称量平均粒径为10微米的纯度在 99%W上的Cu、化和Al4SiC4粉料，并称量与Cu、T巧日C粉料总质量0.^5%相当的硬脂酸，按照 每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控制剂。
[0021 ] 步骤2:将步骤1准备的Al4SiC4和一半质量的化粉、钢球与机械球磨过程控制剂，装 入真空球磨罐，球料比8:1~40:1，之后封盖、抽真空、充入高纯氣，进行高能机械球磨，球磨 时间30~150小时，球磨转速250~500转/分钟，获得化包Al4SiC4的高活性纳米晶粉体;在无氧 环境中，将AUSiC*/化纳米晶粉与步骤1准备的化粉和另一半质量的化粉一起装入带有球磨 过程控制剂的真空罐内，之后抽真空和充入高纯氣，并在球磨机上进行短时间球磨，此时的 球料比及转速，与上述球磨Al4SiC4/化的参数范围相同，球磨时间为5~20小时，获得Cu、化和 A^SiC4分布均匀的粉料。
[0022] 步骤3:将步骤2制备得的粉体，放入真空热压烧结炉的模具里，把炉内真空度抽至 10-3~l(T4pa数量级，之后进行热压烧结，加热与加压过程同步进行，烧结溫度为600-1000 °C，烧结时间为0.5-5小时，烧结保溫时压力达到30-150 MPa,烧结结束后炉冷至室溫，获得 硬度高且导电性良好的铜基复合材料。
[0023] 实施例1: (1) Cu包Al4SiC4纳米晶粉的制备:基于(加95姑)91(4]_45沿)9的成分配比，称量平均粒 径10微米且纯度在99.5%的Cu、Ti和AUSiC4粉，并W与粉料总质量1.5%相当的硬脂酸和3毫 升/100克的乙醇混合物为球磨过程控制剂;把Al4SiC4和一半质量的化粉和球磨过程控制剂 装入真空球磨罐中，球料比15:1，之后封盖、抽真空、充入高纯氣，进行高能机械球磨，球磨 时间100小时，球磨转速400转/分钟，获得化包Al4SiC4的高活性纳米晶粉体。
[0024] (2)均匀粉料的制备：将步骤1准备的Cu包AUSiC4纳米晶粉作为前驱料，并与Cr 粉、另一半Cu粉、钢球、机械球磨过程控制剂一起，在无氧环境中，放入真空罐内，之后抽真 空和充入高纯氣，并在球磨机上进行机械球磨，此时的球料比及转速，与前驱料的球磨参