[发明专利]一种纳米碳化锆陶瓷增强铜基电极材料及其制备方法

说明书

本发明属于焊接电极用铜基复合材料的制备领域，公开了一种纳米碳化锆陶瓷增强铜基电极材料及其制备方法：将均匀混合的Cu‑Zr‑C粉末放入高温管式气氛炉中加热至1250℃，得到含Cu的纳米ZrC粉体，接着在真空熔炼炉中熔炼无氧铜与含Cu的纳米ZrC粉体的混合物、并施加磁搅拌，从而制备出纳米ZrC陶瓷增强铜基电极材料。本发明方法具有成本低、工艺简易、生产效率高、ZrC纳米化程度高、分布均匀等特点。

技术领域

本发明属于焊接电极用铜基复合材料的制备领域，主要用于焊机电极头、电极帽等，具体涉及一种纳米碳化锆陶瓷增强铜基电极材料及其制备方法。

背景技术

点焊广泛用于汽车、仪表和航空制造等行业，因服役时常承受高温和高压作用，铜合金电极易失效而降低生产效率和影响焊点质量。随着现代生产中自动焊接和焊接机器人的广泛使用，迫切需要开发兼具优良导电性和机械性能的电极材料。解决铜合金性能不足的有效途径之一是制备纳米陶瓷颗粒增强Cu基复合材料。现有研究表明，纳米Al₂O₃颗粒增强Cu基复合材料具有良好的机械性能，但Al₂O₃陶瓷几乎是绝缘的(电阻系数：1020×10^-6Ω·m)，将它引入铜基中会显著降低电极的导电性。相较之下，ZrC具有高硬度(2560HV)、高熔点(3540℃)、良好的化学稳定性(抗氧化温度：1100～1400℃)和热传导性等优点，尤其导电性突出(电阻系数：0.42×10^-6Ω·m)。因此，铜基体中纳米ZrC的添加，有望在保持铜优良导电性的同时提高其机械性能。

目前，ZrC陶瓷增强铜基复合材料的主要制备方法包括：(1)热压烧结法，即高温高压条件下长时间烧结Cu粉和ZrC粉的混合物(M.López,J.A.Jiménez,D.Corredor.Precipitation strengthened high strength-conductivity copper alloyscontaining ZrC ceramics.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing.2007,38:272-279)。(2)气氛烧结法，即在保护气氛中烧结冷压成型后的ZrC、 Cu等混合粉末压坯，然后再经挤压、轧制等工序制备复合材料(中国发明专利申请201610437097.1，低压电器用碳化锆铜基触头材料及其加工方法)。(3)自蔓延高温合成法，即通过外部热源，引燃混合粉末压制块一端的放热反应，并利用高化学反应热的自加热与自传导作用合成ZrC/Cu的方法(Zhang M.X,Huang B, Hu Q.D et al.Study of formation behavior of ZrCin the Cu-Zr-C system during combustion synthesis.International Journal ofRefractory Metals and Hard Materials. 2012,31:230-235)。

上述方法或存在能耗大、生产成本高且效率低，或存在材料导电性差，或存在材料孔隙率太高等问题。因此，需寻求更适宜于ZrC/Cu电极材料制备方法。本发明提出一种纳米碳化锆陶瓷增强铜基电极材料及其制备方法，该方法操作简单、便于控制、对原材料要求宽松、产物硬度高、孔隙率低。

发明内容

鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明提供一种纳米碳化锆陶瓷增强铜基电极材料及其制备方法，可在保持铜优良导电性的前提下提高其机械性能，同时能有效解决纳米碳化锆粉末价格昂贵的问题，该方法具有设备简单、操作简易、生产效率高、对原材料要求低、ZrC纳米化程度高、分布均匀、产物硬度高、孔隙率低等优点。

本发明提供一种纳米碳化锆陶瓷增强铜基电极材料，其由无氧铜和纳米ZrC 颗粒构成。其中，铜含量为99.0～99.9wt.％，纳米ZrC含量为0.1～1.0wt.％。

本发明还提供上述纳米碳化锆陶瓷增强铜基电极材料的制备方法，其制备过程包含以下步骤：