专利名称：颗粒改性金属基复合材料的生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及颗粒改性金属基复合材料的生产工艺，特别涉及制备细晶CuCr及Al-SiC金属基复合材料的生产工艺。
在中低压系统、开断大电流的真空断路器主要用CuCr粉末冶金触头材料。但是，混粉烧结的触头材料中Cr颗粒与基体Cu的界面结合不良、韧性差，而熔渗的CuCr触头材料容易产生Cr的偏聚和孔隙、Cr的颗粒粗大，这些缺陷的存在影响了CuCr触头材料的开断能力。因此，细化组织并使其成分和组织均匀、强化Cu-Cr两相界面，可使CuCr触头材料的开断能力进一步提高，从而使真空断路器高效、节能和小型化。
目前，传统CuCr50触头材料的生产工艺大多采用熔渗法。该工艺的要点是在真空条件下，先把Cr粉烧结成带有大量毛细孔空的骨架，然后再把Cu熔化渗入带有大量毛细孔空的Cr骨架Cr内，形成较为致密的两相复合CuCr50触头材料。Cu渗入是通过重力作用和毛细作用而实现的。因此，这一工艺的过程花费时间较长，效率低。同时，该工艺过程对Cr粉的粒度有严格的要求，如果粒度过细，则熔渗过程更难以实现。最近的研究发现，对真空断路器用CuCr50合金触头材料，真空小间隙下击穿首先发生在Cr相上或相界上，细Cr粉制备的合金比用粗Cr粉的相同成分合金的击穿强度高。因此，CuCr50合金的这一性能要求和熔渗法工艺要求有一定的矛盾。最近的研究还发现CuCr25合金触头材料的使用性能完全可以取代CuCr50合金触头，而且可以降低使用成本。但如果降低Cr含量，用熔渗法工艺也是难以实现的。熔渗法工艺生产的CuCr合金材料中Cu、Cr两相的界面结合还不是很好，组织中还存在微小孔洞，不能使材料作到全致密。
颗粒增强金属基复合材料(MMCs)由于其性能各向同性，成本低，易于制造形状复杂的零件等优点一直是人们研究的重点。尤其是SiC颗粒增强的铝基复合材料因其具有各向同性、高的比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好、制造成本低而成为MMCs发展的主要方向之一，在航空、航天、军事领域及汽车、电子仪表等行业中显示了巨大的应用潜力，目前的方法主要有如粉末冶金法、搅拌法、自耗电极法、喷射成型法等，人们开发各种制备工艺的目的就是使第二相能均匀分布于基体中，组织致密，界面结合牢固。用于制备颗粒改性金属基复合材料，其中最普遍的方法是粉末冶金法。粉末冶金法最显著的特点是对短纤维，晶须或颗粒改性材料来说，粒子能够很均匀地分布于基体中。但粉末冶金法生产的颗粒改性金属基复合材料具有如下缺点材料致密度较低、内部存在微小孔洞，基体和粒子界面结合不好、力学性能不够好，断裂韧性和延展性通常较差，在使用中易发生早期脆性断裂；工艺设备复杂；零件的结构尺寸受到限制，难以制备形状和结构较为复杂的零件。而搅拌法生产的颗粒改性金属基复合材料基体和粒子结合较好，基体组织致密，但是当组成复合材料的两相密度差较大，且润湿性较差时，采用熔融法制备时密度较小的一相容易发生漂浮，而难以得到第二相粒子均匀分布的组织结构，反而使材料的性能变坏。主要的缺点有由于SiC颗粒与铝合金溶液的润湿性差，SiC颗粒与基体合金易发生界面反应；SiC颗粒容易团聚；以及在非真空条件下熔炼时复合材料易产生气孔和夹杂等，这些问题严重地影响了SiC-Al的性能，限制了该材料在我国的批量生产。
本发明在吸取传统粉末冶金方法优点的基础上，并依据粉末冶金理论、区熔理论、快速凝固理论、粒子漂浮等理论，通过区熔+快速凝固工艺制备颗粒改性金属基复合材料。
本发明的目的在于确保第二相粒子均匀弥散分布于基体的前提下，提出一种生产效率高，生产的材料组织致密、综合性能好的，制备颗粒改性金属基(CuCr及SiC-Al)复合材料的的工艺方法。
本发明的技术方案是这样实现的将基体材料A、第二相粒子材料B与脱氧剂按比例配料，混合均匀，冷压成型；在真空条件下，通过感应加热进行区域快速熔炼，再自然凝固，制成颗粒改性金属基复合材料。
用该方法生产CuCr复合材料时，基体材料A为Cu、第二相粒子材料B为Cr；用该方法生产Al-SiC复合材料时，基体材料A为Al，第二相粒子材料B为SiC。基体材料A与第二相粒子材料B均按国家规定比例配制。
用该方法生产CuCr复合材料时，在配料时需加入润滑剂，润滑剂选用硬脂酸，其加入量为1～2％(重量)。
上述两种复合材料的脱氧剂选用石墨粉(C)，其加入量为0.5～1.2％(重量)。
在冷压成型的压坯的外面涂敷一层支持膜，该支持膜由水玻璃和细的石英粉构成，该支持膜的厚度为0.4～0.8mm。支持膜的配料中，石英粉占30～45％(重量)，其粒度为300～500目。
将带有支持膜的压坯放入真空室，通过高频感应线圈和石墨辅助加热器进行快速区域熔炼，加热温度控制在基体材料熔点+10～20℃的温度范围内。真空室内的真空度应保持在高于5×10-3Pa。高频感应线圈和石墨辅助加热器的高度相等，高度为3～8mm。
区域快速熔炼时，压坯以1.0～3.0mm/s的速度自上而下运动。
本发明与现有技术相比，具有以下优点(1)材料经区域熔炼，快速凝固，合金中Cr枝晶细小，Cu、Cr两相界面结合良好，两相中组元的互熔度高，组织致密，相对密度为100％，使其力学性大大提高。
(2)用该工艺加工制造的触头硬度高、导电性好，触头工作表面的性能均匀，明显优于同组分的粉末冶金材料或熔渗材料。
(3)与熔渗法相比，工艺过程加快，因此成本低。
(4)工艺灵活性高，适用性广。只需调整Cr粉的加入量，即可对Cr含量进行任意调整。应用该工艺，既可生产CuCr50触头材料，也可生产CuCr25触头材料。
(5)只需调整Cr粉的粒度，即可对要对CuCr触头材料中Cr相的晶粒度进行调整。
(6)用该发明生产出的Al-SiC复合材料，比模量、比强度提高10％；断裂韧性较现有技术提高12～15％。
(7)生产效率高、生产时间短、节约能源、生产的颗粒改性金属基复合材料的组织致密、界面结合强度高、第二相分布均匀、材料的力学性能好。该发明使用范围广泛，可用于需要的加工的颗粒改性金属基复合材料的生产。
下面结合实例对本发明做进一步详细说明
图1是本发明实施例1、例2的工艺流程图；图2是本发明实施例3的工艺流程图；图3本发明区域快速熔炼专用设备结构示意图。
实施例1制备细晶CuCr50触头材料的具体生产操作过程如下(参见图1)(1)备料准备配料所用的原料。
(2)配料先把一定粒度的Cu、Cr按照规格要求配料，Cu为50％(重量)，Cr为48.8～49.5％(重量)；加入脱氧剂-石墨粉，其加入量为0.5％(重量)，石墨粉的粒度为2000目，在球磨机中混合均匀，在混合的同时还加入润滑剂-硬酯酸，加入量为1％(重量)。
(3)冷压在室温下压制成型，压坯的原始密度大于85％。
(4)区域熔炼a、涂敷支持膜在压坯的外层涂敷一层厚0.5～0.8mm支持膜作为保护层，并烘干。支持膜由水玻璃和细的石英粉构成。所用的石英粉的粒度应为300～500目。支持膜的原料配比为石英粉占35～45％(重量)。
b、设备预热调试、抽真空参见图3区域快速熔炼专用设备主要是由真空室9、电机13、导架12、高频感应线圈7和石墨辅助加热器6组成。真空室9由顶盖1、外壁4、内壁5、进水口8、出水口10和抽真空口2构成；在内壁5和外壁4之间通有循环水。
在真空室9内设有导架12，该导架12由电机13带动。电机13可以放置在真空室9外，也可放置在真空室内。
在真空室9内设有高频感应线圈7和石墨辅助加热器6；两者高度相等；其高度约为8mm。高频感应线圈保持水冷。
c、区域熔炼先将带有支持膜的压坯11的下端放入高频感应线圈7和石墨辅助加热器6中，上端卡在导架12内，关闭顶盖1；然后抽真空，并进行设备预热调试，使真空度保持在大于5×10-3Pa条件下进行快速区域熔炼。压坯11自上而下运动，其运动速度为1.2～1.5mm/s。温度控制在1095～1120℃。
(5)制成样品区域熔炼的压坯经自然凝固，形成组织致密，相对密度100％、含氧量低于300ppm、界面结合好、综合性能好的CuCr触头材料；最后再机械加工到要求的尺寸。如果要想得到Cr粒子细的CuCr触头材料，可先制取细的Cr粉，然后再和Cu粉混合配料即可。
实施例2制备细晶CuCr25触头材料的具体生产操作过程如下(参见图1)(1)备料准备配料所用的原料。
(2)配料先把一定粒度的Cu、Cr按照规格要求配料，铜的含量为75％(重量)，铬的含量为23.8～24.5％(重量)；加入脱氧剂-石墨粉，其加入量为1.0％(重量)，粒度为2000目；在球磨机中混合均匀，在混合的同时还加入润滑剂-硬酯酸，加入量为2％(重量)。
其它工艺步骤同实施例1。
实施例3制备Al-SiC复合材料的具体生产操作过程如下(参见2)(1)备料准备配料所用的原料。
(2)配料先把一定粒度的Al、SiC按照规格要求配料，Al的含量为89～99％(重量)，SiC的含量为1～10％(重量)。加入脱氧剂-石墨粉，其加入量为0.5～1.0％(重量)，粒度为2000目；在球磨机中混合均匀。
其它工艺步骤同实施例1。
权利要求
1.一种颗粒改性金属基复合材料的生产工艺，其特征在于将基体材料A、第二相粒子材料B与脱氧剂按比例配料，混合均匀，冷压成型；在真空条件下，通过感应加热进行区域快速熔炼，再自然凝固，制成颗粒改性金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于用该方法生产CuCr复合材料时，基体材料A为Cu、第二相粒子材料B为Cr；用该方法生产Al-SiC复合材料时，基体材料A为Al，第二相粒子材料B为SiC。
3.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于用该方法生产CuCr复合材料时，在配料时需加入润滑剂，润滑剂选用硬脂酸，其加入量为1～2％(重量)。
4.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于脱氧剂选用石墨粉(C)，其加入量为0.5～1.2％(重量)。
5.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于冷压成型是在室温下进行，要求压坯的原始密度大于85％。
6.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于在冷压成型的压坯的外面涂敷一层支持膜，该支持膜由水玻璃和细的石英粉组成，该支持膜的厚度为0.4～0.8mm；支持膜的配料中，石英粉占30～45％(重量)，其粒度为300～500目。
7.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于将带有支持膜的压坯放入真空室，通过感应加热进行区域快速熔化，真空室的真空度高于5×10-3Pa。
8.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于感应加热是通过高频感应线圈和石墨辅助加热器组合实现的，高频感应线圈和石墨辅助加热器的高度相等，高度为3～8mm。
9.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于区域快速熔炼的加热温度控制在基体材料熔点+10～20℃的温度范围内。
10.根据权利要求1或2所述的生产工艺，其特征在于区域快速熔炼时，压坯以1.0～3.0mm/s的速度自上而下运动。
全文摘要
本发明公开了一种颗粒改性金属基复合材料的生产工艺。将基体材料A、第二相粒子材料B与脱氧剂按比例配料混合均匀，冷压成型；在真空下，感应加热、区域快速熔炼，制成颗粒改性金属基复合材料。其优点是生产的颗粒改性金属基复合材料的组织致密，相对密度接近100%，界面结合强度高、材料的力学性能好、生产效率高、生产时间短、节约能源。该发明使用范围广泛，既可用于细晶CuCr触头材料的生产、也可用于Al－SiC复合材料的生产。
文档编号C22C1/00GK1317589SQ01115209
公开日2001年10月17日 申请日期2001年3月29日 优先权日2001年3月29日
发明者王发展, 许云华, 武宏, 霍群英, 蒋欣 申请人:西安建筑科技大学