[发明专利]液相烧结制备高熔点硬质材料颗粒弥散强化铜基复合材料的方法及电磁烧结装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料制备工艺和设备，特别是一种铜基复合材料的粉末冶金制备方法及烧结装置。

背景技术

铜及其合金是国民经济建设中最重要的功能和结构材料之一，其优良的导电性和耐腐蚀性能使其能广泛应用于通讯、电力、航空航天、交通、家居、自动化等众多领域。然而铜合金的导电性和强度是一对矛盾的性质，为提高铜合金的强度往往要以牺牲铜合金的导电性为代价。如目前广泛应用的铜镁、铜锡、铜铬、铜铁磷等合金，虽然其强度较高，但其电导率往往只能达到纯铜电导率的50-80%，如果使用此兼具导电功能的结构材料，往往存在巨大的电能损耗。因此，如何兼顾铜合金的强度和电导率，成为制备高强高导铜合金的瓶颈问题。从合金化角度而言，由于绝大多数合金元素的电导率均显著低于铜的电导率，因此为提高铜合金强度而加入的合金元素不可避免地会显著降低铜合金的电导率，因此，为确保铜合金的高电导率和强度，基于奥罗万机制(Orowan)的沉淀强化机制而往铜合金中添加微细的第二相陶瓷粒子(氧化铝、碳化硅、硼化钛等)的方法，由于复合形变强化效应，在获得高强度的同时，能使铜合金的电导率达到90%IACS以上，从而可以实现铜合金的高强度和高电导率兼顾的目标。

目前应用最为广泛的的第二相粒子沉淀强化铜合金为氧化铝弥散强化铜合金。因为氧化铝弥散强化铜合金具有优良的综合物理力学性能，具有比较高的比强度、比模量，良好的导电性、导热性、耐磨性、耐高温性能，低的热膨胀系数，高的尺寸稳定性等综合性能，其软化温度可达930℃，电导率可达54MS/m(92.4%IACS)，抗拉强度可达540MPa以上，因此可以应用于集成电路的引线框架，各种点焊、滚焊机的电极、触头材料，电枢的换向器，大型高速涡流发电机的转子线，大型电气机车的架空导线等要求的高导电率、高强度的元器件等。

对于氧化铝弥散铜合金而言，如何将微细的氧化铝颗粒弥散分布于铜基体是制备这种高强高导铜合金的重点所在。目前制备氧化铝弥散强化铜合金的方法主要有：搅拌铸造法、热还原生成法、硫酸铝分解法、RAD法、内氧化法、复合电沉积法、机械合金法以及粉末冶金法等。搅拌铸造法是制造氧化铝弥散铜合金最早的方法，但由于Cu和Al₂O₃颗粒的润湿性较差，如何将微细的氧化铝颗粒弥散分布于铜熔体中，同时还要克服氧化铝颗粒的分散不均匀以及克服巨大的密度差导致氧化铝颗粒的上浮团聚是该方法一直无法解决的问题。热还原生成法是选用Cu-Al合金粉末、Cu₂O粉制成粉末压坯，然后将压坯在熔铜温度下压入到铜合金中，反应所生成的颗粒物质在电磁搅拌力的作用下分布于Cu液中。因为Al与O的亲和力比Cu与O的亲和力大得多，因此Cu₂O能很快的将Al氧化而本身被还原。但是此法难以控制粉末压坯在铜液中的均匀扩散，造成反应生成的增强颗粒弥散不均匀，影响材料的性能。硫酸铝分解法通过向铜液中加入预处理过的Al₂(SO₄)₃粉体，Al₂(SO₄)₃受热分解生成Al₂O₃，从而制备Cu-Al₂O₃复合材料，此法的缺点是反应物Al₂(SO₄)₃密度小从而加入困难，且制得的复合材料性能不稳定。RAD法是在喷射过程中用含O₂的N₂进行气氛保护，利用N₂中的O₂使Al择优氧化反应生成Al₂O₃增强颗粒，在基底上沉积冷却后形成Cu-Al₂O₃复合材料，该法设备昂贵，工艺复杂，不适合工业化生产。内氧化法是将铝加入到铜熔体中形成铜铝合金，用高压氮气雾化熔体，从而制得铜铝合金粉末,将粉末与氧化剂(细的氧化铜粉)相混合后加热到高温,铜氧化物分解,同时生成的氧扩散到铜铝固溶合金中,铝比铜易生成氧化物,合金中的铝被优先氧化生成Al₂O₃，在全部铝都被氧化后,在氢或分解氨气氛下将粉末加热,去除粉末中的过量氧,最终制得弥散强化的铜粉。将该种方法制备弥散氧化铜粉采用热等静压的方法压制成型，或进行轧制成型，即可获得弥散氧化铝增强的高强高导铜合金。该方法的不足之处在于工序繁多，成本高，无法生产大型或者长尺寸的合金材料。复合电沉积法是近20年来发展起来的新方法，通过将镀液中的氧化铝与基体金属铜或合金共沉积到阴极表面形成复合镀层，从而大大改善材料的性能。复合电沉积法制备工艺简单，但氧化铝颗粒在镀液中均匀悬浮不易控制，无法使氧化铝均匀弥散到铜中，且制备成本较高，无法大规模生产。机械合金化法采用高能球磨机使Cu粉与Al₂O₃均匀分布，但晶粒尺寸比内氧化法的大，用此方法制得复合粉末在烧结过程中会出现增强相的偏聚和长大，从而影响复合材料的性能，此外，该方法不但制备成本高，而且同样难以制备大尺寸的复合件。