[发明专利]一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法，特别涉及一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。此种材料具有较高的比强度、比刚度和高温力学性能,低的热膨胀系数, 良好的耐磨性和导热性能,此外还有增强体成本低,微观结构均匀,材料各向同性,可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点,因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注。颗粒增强金属基复合材料在航天、航空、汽车、电子、光学等工业领域具有相当广泛的应用前景。复合材料中的弥散的硬质增强相的体积超过20%,可以体现硬质增强相的优异性能，制造方法主要有搅拌铸造法，挤压铸造法，粉末冶金法等。

(1)、搅拌铸造法

搅拌铸造法是对金属熔体进行强烈搅拌,投入增强颗粒,使其均匀分布于金属熔体中,然后直接浇铸成型。此方法工艺简单,设备投资少,便于规模化生产。但存在增强颗粒体积分数受限制(一般不超过20%),增强颗粒的分布难以实现均匀化,有气孔等缺陷,只能制成铸锭,需二次加工。参见周尧和等，《凝固技术》，机械工业出版社，1998: 389～ 399。

(2)、粉末冶金法

粉末冶金技术又称固态金属扩散技术,此方法是将固态金属粉末和增强颗粒机械均匀混合,在一定的温度和压力条件下压制烧结成型。粉末冶金技术具有一些独特的优点,如制造温度较低,减轻了基体和增强颗粒之间的界面反应, 减少了界面上硬质化合物的生成;增强颗粒的体积分数比较高;增强颗粒分布均匀,不易出现偏析和偏聚。但粉末冶金技术也存在着一些弊端,如制件的大小和形状受到一定限制;工艺程序多,制备周期长,成本高,降低成本的可能性小,尤其是昂贵的制备成本制约了粉末冶金技术的应用和发展等缺陷。参见中国专利CN1487109“粉末冶金自生成陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其制备方法”。

(3)、挤压铸造法

此法制备金属基复合材料是很成熟的一种方法。挤压铸造法首先是将增强体作成预制块,放入模具,再浇入基体合金熔液,随后加压,使基体熔液渗入预制块成锭。挤压铸造有以下优点:生产周期短,易于大批量生产;可以制备出形状和最终制品的形状相同或相似的产品;液态金属浸渗的时间短,冷却速度快,可以降低乃至消除颗粒界面反应;增强相的体积分数可调范围大。但是挤压铸造不易制备形状复杂的制件,当浸渗压力很大时,对模具和所制件的完整性有很大的影响。参见Peng L M. Mechanical properties of ceramic–metal composites by pressure infiltration of metal into porous ceramics, Materials Science and Engineering A ,2004, 374:1-9。

目前在颗粒增强金属基复合材料的制备方面还存在一些问题：（1）颗粒增强相的体积分数对复合材料的力学性能有非常重要的影响。但是现有工艺控制增强相的体积分数比较困难。（2）大部分复合材料中增强相是不连续的。当前的研究表明，当复合材料中的增强相和基体呈互穿网络分布结构时，可以表现出更优异的力学性能。（3）陶瓷预制体与熔融金属液润湿性差。没有外加压力，熔融金属液难以完全渗入陶瓷预制体内。

发明内容

本发明目的是改进现有金属基复合材料制备方法所存在的缺陷，提供一种具有高强度、高硬度，生产工艺简单，制备成本低，结合碳热还原法和压铸法的优点，产品性能优异的一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料。

本发明另一目的是提供氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的制备方法。

为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：一种氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的特殊之处在于氮化钛陶瓷预制体烧结前原料按重量份数比，由5份～95份氮化钛、0.1份～69份氧化钛、5份烧结助剂、0.1份～21份碳黑组成，其中在氮化钛陶瓷预制体中添加预制体总重量的59份～79份铜合金，所述烧结助剂为氧化钇。

    所述铜合金为各种型号的铸造铜合金。

一种所述的氮化钛陶瓷增强铜基复合材料的制备方法，按下述步骤进行：

（1）、按重量份数比，称取氮化钛、氧化钛、烧结助剂、碳黑；

（2）、将上述称取的各材料混合，用湿法球磨制备成混合粉末，将混合粉末干燥后过筛；将上述料装入模具型腔内，模压成型为预制体；