一种准晶颗粒增强铜基复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种准晶颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，本发明以高硬度的Al?Co?Ni十次准晶颗粒作为增强体，制备准晶增强铜基复合材料。利用粉末冶金法制备准晶增强铜合金其具体方法就是将准晶颗粒与金属粉末混合后在室温静压成形，然后在高温下热处理生成由准晶颗粒增强的金属基复合材料，也可以将准晶相颗粒在高温下烧结，从而获得致密的金属基复合材料，其原理是准晶颗粒阻止了位错在基体金属材料中运动，并通过热扩散的方式对基体组织与增强体之间的界面状态进行控制。本发明的制备方法采用粉末冶金的方法，具有绿色、经济、工艺简单、操作方便、安全环保的特点，准晶增强颗粒与基体金属界面结合良好，且准晶颗粒在基体内弥散分布，是一种长效强化方法。
【专利说明】
一种准晶颗粒増强铜基复合材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及铜基复合材料技术领域，尤其涉及一种准晶颗粒增强铜基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]颗粒增强金属基复合材料具有高比强、高比模、低密度、耐热好等特点，但目前准晶颗粒复合材料中增强相多为如Mg-Zn-Y、A1-Mn等二十面体准晶，这些材料如果是采用普通的凝固的方式制备容易产生裂纹、疏松等缺陷。
[0003]Al-Co-Ni准晶是热力学稳定的二维十次准晶，具有硬度高，高温下准周期结构稳定的特点。近年来，常采用粉末冶金法作为制备非连续增强相金属基复合材料的工艺，可根据材料的性能要求，将准晶硬质颗粒和基体金属粉末以任何比例混合，其特点是制备温度不高，界面反应可控，这种以颗粒增强材料与基体金属粉末，不仅可降低增强体材料与基体湿润性的要求，也降低了增强体材料与基体材料密度差的要求，如使Al-Cu-Fe 二十面体准晶颗粒和碳晶须均勾分布在金属基复合材料的基体中(T.P.Yadav，et al.MaterialsLetters ,2012(80):5-8)。采用挤压铸造工艺制备Mg-Zn-Y准晶增强AZ91D镁基复合材料(Yang Ling,et al.Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2015(25): 3936-3943)，其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善;采用挤压铸造、热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的综合性能。
【发明内容】
[0004]为了克服铜合金硬度不高的问题，本发明提供了一种准晶颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，本发明以高硬度的Al-Co-Ni十次准晶颗粒作为增强体，制备准晶增强铜基复合材料。利用粉末冶金法制备准晶增强铜合金其具体方法就是将准晶颗粒与金属粉末混合后在室温静压成形，然后在高温下热处理生成由准晶颗粒增强的金属基复合材料，也可以将准晶相颗粒在相变温度下热处理，从而获得致密的金属基复合材料，其原理是准晶颗粒阻止了位错在基体金属材料中运动，并通过热扩散的方式对基体组织与增强体之间的界面状态进行控制。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]本发明的准晶颗粒增强铜基复合材料，其中，增强颗粒为铝钴镍准晶，准晶相的含量为95.5?98.5wt%，平均硬度值为90?130HRB。
[0007]所述准晶相成分(原子百分比)组成为Al 69.1?72.0at%、Co 20.2?23.3at%、Ni 8.1?12.5&丨％、其余为(:、31及不可避免的杂质含量小于0.013七％。
[0008]本发明的准晶颗粒增强铜基复合材料的制备方法的具体步骤如下:
[0009]I)利用真空熔炼炉熔炼准晶合金材料，将高纯铝、钴、镍金属粉按照不同配比在真空感应炉中熔炼制成铸锭，通过快速冷却处理后得到热力学稳定的铸态Al-Co-Ni准晶，该准晶相成分(原子百分比)组成为Al 69.1?72.0at%、Co 20.2?23.3at %、Ni 8.1?12.5at%、其余为C、Si及不可避免的杂质含量小于0.01at%;
[0010]2)将铝钴镍铸锭材料块样，置于玛瑙钵中捣碎，用高速行星球磨机在乙醇保护下礙磨2?5h;
[0011]3)将准晶粉体材料置于真空干燥箱中升温至60?80 °C干燥30?120min，取出粉体按照质量百分比5?25%的准晶颗粒和纯铜粉混装于容器中，在氩气保护气氛下热处理；
[0012]4)控制反应温度降低到准晶相变点以下10?25°C进行热处理60?120min，再次增加所述准晶颗粒增强铜基复合材料的硬度。
[0013]步骤I)的详细操作方法如下:
[0014](I)用乙醇清洗圆柱形模具，使模具柱型内腔洁净;将圆柱形模具置于干燥箱中预热，预热温度200 °C;
[0015](2)打开真空感应熔炉，用砂纸清理熔炼坩祸内部，并用丙酮清洗干净坩祸表面；将纯铝块、纯钴块、纯镍块分别按照Al为69.I?72.0at %、Co为20.2?23.3at %、Ni为8.I?12.5at%置于坩祸内；
[0016](3)关闭真空感应熔炉，开启真空栗，抽取炉内空气，使炉内压强彡15Pa;启动真空感应熔炉加热电源，炉内开始升温，最终加热温度1500 °C ± 5 °C，加热时间30min;
[0017](4)除去坩祸内熔液表面熔渣，对准预热的圆柱形模具浇口，进行浇铸并铸满；
[0018](5)关闭电源，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至800?850°C，水冷后脱模得到招钴镍准晶合金；
[0019]步骤2)中，将球磨后的准晶细粉用500?800目细粉筛筛选，通过筛选后得到粒径10?30μπι的准晶粉末。
[0020]步骤3)中，干燥真空度为10pa。
[0021]步骤3)中，纯铜粉为80?200目。
[0022]步骤3)中，纯铜粉与准晶粉末混合均匀，用Φ30的冷压模具将混合后的粉末压制成棒材。
[0023]步骤3)中，热处理的是在500°C?700°C对预压制棒材进行退火10?120min，空冷至室温后，表面砂纸打磨后得到准晶颗粒增强铜基复合材料。
[0024]所述准晶增强铜基复合材料具有硬度高，导电性良好的性能。
[0025]本发明的积极效果如下:
[0026]1、该制备方法采用热等静压的方法，具有绿色、经济、工艺简单、操作方便、安全环保的特点，准晶增强颗粒与基体金属界面结合良好，且准晶颗粒在基体内弥散分布，是一种长效强化方法。
[0027]2、该制备方法原料廉价易得，采用热处理炉加热，操作安全简便，节能环保。
[0028]3、该制备方法所得准晶增强铜基复合材料具有硬度高，导电性良好的性能。
[0029]4、本发明的制备工艺简单，在普通的Ar气氛保护进行热处理，生产步骤简单，可以用来制备大块材料，生产过程对设备的要求不高，原材料均为普通金属材料，且在市面上容易获得。
[0030]5、本发明方法的特点是制备流程短、原料低成本、力学性能优异、节能环保，制备的铝钴镍准晶能对铜合金起到弥散强化的作用，适合于工业化生产。
【附图说明】
[0031]图1是具体实施例1的步骤3得到的铝钴镍准晶颗粒增强铜基复合材料的金相显微照片，准晶颗粒在基体中分布均匀；
[0032]图2是具体实施例1的步骤4得到的铝钴镍准晶颗粒增强铜基复合材料中微观组织的扫描电镜的显微照片及能谱分析结果，从图2能谱结果可以看出准晶颗粒增强铜基复合材料中元素为Al、Co、N1、Cu;
[0033]图3是具体实施例1的步骤4得到的铝钴镍准晶颗粒增强铜基复合材料中准晶增强颗粒的透射电镜的显微照片，从图3的选区电子衍射斑点可以看出增强颗粒是Al-Co-Ni十次准晶，从图3可以看出准晶增强颗粒与基体结合紧密。
【具体实施方式】
[0034]下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
[0035]实施例1
[0036]I)利用真空熔炼炉制备铝钴镍准晶合金材料，是在真空感应熔炉中熔炼合金，并浇铸成锭，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至830 °C，水冷处理后得到热力学稳定的铸态铝钴镍准晶铸锭块样；
[0037](I)用乙醇清洗圆柱形模具，使模具柱型内腔洁净;将圆柱形模具置于干燥箱中预热，预热温度200 °C;
[0038](2)打开真空感应熔炉，用砂纸清理熔炼坩祸内部，并用丙酮清洗干净坩祸表面；将纯铝块、纯钴块、纯镍块分别按照配比为Al为70.1?71.0at%、Co为20.1?21.3at%,Ni为9.0?11.1&丨％置于坩祸内，其余为(:、31及不可避免的杂质含量小于0.01&七％;
[0039](3)关闭真空感应熔炉，开启真空栗，抽取炉内空气，使炉内压强彡15Pa;启动真空感应熔炉加热电源，炉内开始升温，最终加热温度1500 °C ± 5 °C，加热时间30min;
[0040](4)除去坩祸内熔液表面熔渣，对准预热的圆柱形模具浇口，进行浇铸并铸满；
[0041 ] (5)关闭电源，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至8300C，水冷后脱模得到招钻银准晶铸态合金；
[0042](6)通过扫描电镜能谱分析，水冷后脱模得到铝钴镍铸态合金中Al-Co-Ni十次准晶相的含量为97.5%。
[0043]2)粉末冶金法制备准晶颗粒增强铜基复合材料
[0044](I)将铝钴镍准晶铸锭置于高速球磨机的球磨罐内，在乙醇浸润下进行球磨，球磨转速800r/min，球磨时间4h，球磨后得到准晶粉末；
[0045](2)将球磨后的准晶细粉用500目细粉筛筛选，通过筛选后得到粒径25?30μηι的准晶粉末；
[0046](3)将筛选后得到的准晶粉末置于真空干燥箱中干燥，干燥温度80°C，真空度13?14Pa，干燥时间80m i η，干燥后得到招钴镍准晶粉末；
[0047]3)将干燥后的准晶粉末按照质量分数比为5%和200目的纯铜粉混合均匀，将混合后粉末置于Φ30πιπι的冷压模具中，用液压机将混合后的粉末压制成棒材，压制压力为620?650Mpa，静压时间20?25s，静压后尺寸为Φ 30 X 100mm;
[0048]4)在流量为130?140cm3/min氩气保护下，在550°C±2°C对预压制棒材进行热处理50min，空冷至室温后，表面砂纸打磨后得到准晶颗粒增强铜基复合材料；
[0049]5)控制反应温度降低到铝钴镍准晶相变点以下15°C进行热处理80min，再次增加所述准晶颗粒增强铜基复合材料的硬度，用布氏硬度计测得铜基复合材料平均硬度值为HRB 96.4,测得抗拉强度为395Mpa，测得延伸率为9.2%。
[0050]实施例2
[0051]I)利用真空熔炼炉制备铝钴镍准晶合金材料，是在真空感应熔炉中熔炼合金，并浇铸成锭，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至850 °C，水冷处理后得到热力学稳定的铸态铝钴镍准晶铸锭块样；
[0052](I)用乙醇清洗圆柱形模具，使模具柱型内腔洁净;将圆柱形模具置于干燥箱中预热，预热温度200 °C;
[0053](2)打开真空感应熔炉，用砂纸清理熔炼坩祸内部，并用丙酮清洗干净坩祸表面；将纯铝块、纯钴块、纯镍块分别按照配比为Al为69.2?70.0at%、CoS22.1?23.2at%、Ni为8.1?10.2&丨％置于坩祸内，其余为(:、31及不可避免的杂质含量小于0.01&七％;
[0054](3)关闭真空感应熔炉，开启真空栗，抽取炉内空气，使炉内压强彡15Pa;启动真空感应熔炉加热电源，炉内开始升温，最终加热温度1500 °C ± 5 °C，加热时间30min;
[0055](4)除去坩祸内熔液表面熔渣，对准预热的圆柱形模具浇口，进行浇铸并铸满；
[0056](5)关闭电源，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至8500C，水冷后脱模得到招钻银准晶铸态合金；
[0057](6)通过扫描电镜能谱分析，水冷后脱模得到铝钴镍铸态合金中Al-Co-Ni十次准晶相的含量为96.8%。
[0058]2)粉末冶金法制备准晶颗粒增强铜基复合材料
[0059 ] (I)将铝钴镍准晶铸锭置于高速球磨机的球磨罐内，在乙醇浸润下进行球磨，球磨转速800r/min，球磨时间3.5h，球磨后得到准晶粉末；
[0000](2)将球磨后的准晶细粉用500目细粉筛筛选，通过筛选后得到粒径20?25μηι的准晶粉末；
[0061 ] (3)将筛选后得到的准晶粉末置于真空干燥箱中干燥，干燥温度75°C，真空度12?13Pa，干燥时间60min，干燥后得到铝钴镍准晶粉末；
[0062]3)将干燥后的准晶粉末按照质量分数比为10%和80目的纯铜粉混合均匀，将混合后粉末置于Φ30_的冷压模具中，用液压机将混合后的粉末压制成棒材，压制压力为600?630Mpa，静压时间25?30s，静压后尺寸为Φ 30 X 100mm;
[0063]4)在流量为140?150cm3/min氩气保护下，在530°C ± 2 °C对预压制棒材进行热处理30min，空冷至室温后，表面砂纸打磨后得到准晶颗粒增强铜基复合材料；
[0064]5)控制反应温度降低到铝钴镍准晶相变点以下20°C进行热处理70min，再次增加所述准晶颗粒增强铜基复合材料的硬度，用布氏硬度计测得铜基复合材料平均硬度值为HRB104.5，测得抗拉强度为408Mpa，测得延伸率为9.1 %。
[0065]实施例3
[0066]I)利用真空熔炼炉制备铝钴镍准晶合金材料，是在真空感应熔炉中熔炼合金，并浇铸成锭，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至840°C，水冷处理后得到热力学稳定的铸态铝钴镍准晶铸锭块样；
[0067](I)用乙醇清洗圆柱形模具，使模具柱型内腔洁净;将圆柱形模具置于干燥箱中预热，预热温度200 °C;
[0068](2)打开真空感应熔炉，用砂纸清理熔炼坩祸内部，并用丙酮清洗干净坩祸表面；将纯铝块、纯钴块、纯镍块分别按照配比为Al为71.2?72.0at%、CoS20.2?22.0at%、Ni为8.1?10.1&丨％置于坩祸内，其余为(:、31及不可避免的杂质含量小于0.01&七％;
[0069](3)关闭真空感应熔炉，开启真空栗，抽取炉内空气，使炉内压强彡15Pa;启动真空感应熔炉加热电源，炉内开始升温，最终加热温度1500 °C ± 5 °C，加热时间30min;
[0070](4)除去坩祸内熔液表面熔渣，对准预热的圆柱形模具浇口，进行浇铸并铸满；
[0071](5)关闭电源，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至840°C，水冷后脱模得到招钻银准晶铸态合金；
[0072](6)通过扫描电镜能谱分析，水冷后脱模得到铝钴镍铸态合金中Al-Co-Ni十次准晶相的含量为95.9%。
[0073]2)粉末冶金法制备准晶颗粒增强铜基复合材料
[0074](I)将铝钴镍准晶铸锭置于高速球磨机的球磨罐内，在乙醇浸润下进行球磨，球磨转速800r/min，球磨时间5h，球磨后得到准晶粉末；
[0075](2)将球磨后的准晶细粉用500目细粉筛筛选，通过筛选后得到粒径15?20μηι的准晶粉末；
[0076](3)将筛选后得到的准晶粉末置于真空干燥箱中干燥，干燥温度60°C，真空度14?15Pa，干燥时间I OOmin，干燥后得到铝钴镍准晶粉末；
[0077]3)将干燥后的准晶粉末按照质量分数比为15%和120目的纯铜粉混合均匀，将混合后粉末置于Φ30πιπι的冷压模具中，用液压机将混合后的粉末压制成棒材，压制压力为630?660Mpa，静压时间15?20s，静压后尺寸为Φ 30 X 100mm；
[0078]4)在流量为130?140cm3/min氩气保护下，在525°C±2°C对预压制棒材进行热处理30min，空冷至室温后，表面砂纸打磨后得到准晶颗粒增强铜基复合材料；
[0079]5)控制反应温度降低到铝钴镍准晶相变点以下15 °C进行热处理90min，再次增加所述准晶颗粒增强铜基复合材料的硬度，用布氏硬度计测得铜基复合材料平均硬度值为HRBl25.6，测得抗拉强度为436Mpa，测得延伸率为8.1 %。
[0080]实施例4
[0081]I)利用真空熔炼炉制备铝钴镍准晶合金材料，是在真空感应熔炉中熔炼合金，并浇铸成锭，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至825°C，水冷处理后得到热力学稳定的铸态铝钴镍准晶铸锭块样；
[0082](I)用乙醇清洗圆柱形模具，使模具柱型内腔洁净;将圆柱形模具置于干燥箱中预热，预热温度200 °C;
[0083](2)打开真空感应熔炉，用砂纸清理熔炼坩祸内部，并用丙酮清洗干净坩祸表面；将纯铝块、纯钴块、纯镍块分别按照配比为Al为69.1?71.2at%、Co为21.2?23.3at%、Ni为10.2?12.5&丨％置于坩祸内，其余为(:、31及不可避免的杂质含量小于0.01&七％;
[0084](3)关闭真空感应熔炉，开启真空栗，抽取炉内空气，使炉内压强彡15Pa;启动真空感应熔炉加热电源，炉内开始升温，最终加热温度1500 °C ± 5 °C，加热时间30min;
[0085](4)除去坩祸内熔液表面熔渣，对准预热的圆柱形模具浇口，进行浇铸并铸满；
[0086](5)关闭电源，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至825°C，水冷后脱模得到招钻银准晶铸态合金；
[0087](6)通过扫描电镜能谱分析，水冷后脱模得到铝钴镍铸态合金中Al-Co-Ni十次准晶相的含量为96.3%。
[0088]2)粉末冶金法制备准晶颗粒增强铜基复合材料
[0089](I)将铝钴镍准晶铸锭置于高速球磨机的球磨罐内，在乙醇浸润下进行球磨，球磨转速800r/min，球磨时间4.5h，球磨后得到准晶粉末；
[0090](2)将球磨后的准晶细粉用500目细粉筛筛选，通过筛选后得到粒径10?15μπι的准晶粉末；
[0091 ] (3)将筛选后得到的准晶粉末置于真空干燥箱中干燥，干燥温度70°C，真空度13?14Pa，干燥时间90m i η，干燥后得到招钴镍准晶粉末；
[0092]3)将干燥后的准晶粉末按照质量分数比为20%和100目的纯铜粉混合均匀，将混合后粉末置于Φ30πιπι的冷压模具中，用液压机将混合后的粉末压制成棒材，压制压力为650?680Mpa，静压时间20?25s，静压后尺寸为Φ 30 X 100mm;
[0093]4)在流量为140?150cm3/min氩气保护下，在540°C ±2°C对预压制棒材进行热处理30min，空冷至室温后，表面砂纸打磨后得到准晶颗粒增强铜基复合材料；
[0094]5)控制反应温度降低到铝钴镍准晶相变点以下20°C进行热处理llOmin，再次增加所述准晶颗粒增强铜基复合材料的硬度，用布氏硬度计测得铜基复合材料平均硬度值为HRBl 14.2，测得抗拉强度为417Mpa，测得延伸率为8.7%。
[0095]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1.一种准晶颗粒增强铜基复合材料，其特征在于:所述的准晶颗粒增强铜基复合材料中，增强颗粒为铝钴镍准晶，铝钴镍准晶中十次准晶相的含量为95.5?98.5wt%，平均硬度值为90?130HRB。2.如权利要求1所述的准晶颗粒增强铜基复合材料，其特征在于:所述准晶相成分(原子百分比)组成为Al 69.1 ?72.0at%、Co 20.2?23.3at%、Ni 8.I?12.5at%、其余为C、Si及不可避免的杂质含量小于0.01at%。3.—种制备如权利要求1或2所述的准晶颗粒增强铜基复合材料的方法，其特征在于:所述方法的具体步骤如下: 1)利用真空熔炼炉熔炼准晶合金材料，将高纯铝、钴、镍金属粉按照不同配比在真空感应炉中熔炼制成铸锭，通过快速冷却处理后得到热力学稳定的铸态Al-Co-Ni准晶，该准晶相成分(原子百分比)组成为Al 69.1 ?72.0at%、Co 20.2?23.3at%、Ni 8.1 ?12.5at%、其余为C、Si及不可避免的杂质含量小于0.01at% ; 2)将铝钴镍铸锭材料块样，置于玛瑙钵中捣碎，用高速行星球磨机在乙醇保护下碾磨2?5h; 3)将准晶粉体材料置于真空干燥箱中升温至60?80°C干燥30?120min，取出粉体按照质量百分比5?25%的准晶颗粒和纯铜粉混装于容器中，在氩气保护气氛下热处理； 4)控制反应温度降低到准晶相变点以下10?25°C进行热处理60?120min，再次增加所述准晶颗粒增强铜基复合材料的硬度。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于:步骤I)的详细操作方法如下: (1)用乙醇清洗圆柱形模具，使模具柱型内腔洁净，将圆柱形模具置于干燥箱中预热，预热温度200 °C; (2)打开真空感应熔炉，用砂纸清理熔炼坩祸内部，并用丙酮清洗干净坩祸表面;将纯铝块、纯钴块、纯镍块分别按照Al为69.1?72.0at %、Co为20.2?23.3at%、Ni为8.1?12.5at%置于坩祸内； (3)关闭真空感应熔炉，开启真空栗，抽取炉内空气，使炉内压强<15Pa;启动真空感应熔炉加热电源，炉内开始升温，最终加热温度1500 °C ± 5 °C，加热时间30min; (4)除去坩祸内熔液表面熔渣，对准预热的圆柱形模具浇口，进行浇铸并铸满； (5)关闭电源，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至800?8500C，水冷后脱模得到招钴镍准晶合金。5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于:步骤2)中，将球磨后的准晶细粉用500?800目细粉筛筛选，通过筛选后得到粒径10?30μπι的准晶粉末。6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于:步骤3)中，干燥真空度为1pa。7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于:步骤3)中，纯铜粉为80?200目。8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于:步骤3)中，纯铜粉与准晶粉末混合均匀，用Φ 30的冷压模具将混合后的粉末压制成棒材。9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于:步骤3)中，热处理的是在500°C?700°C对预压制棒材进行退火10?120min，空冷至室温后，表面砂纸打磨后得到准晶颗粒增强铜基复合材料。
【文档编号】C22C1/02GK105886831SQ201610498948
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】宋述鹏, 毛雨旭, 付继江, 吴润, 吴腾, 张远卓, 万天, 刘刚
【申请人】武汉科技大学