專利名稱：銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合粉體材料，尤其是涉及一種銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體及其制 備方法。
背景技術：
隨著半導體制品和精密儀器趨于小型化和功能化，粉體材料已經越來越多地被直接作為 功能材料使用，因而對粉體材料除了機械性能的要求以外，對其功能性的要求也越來越高。 因此，制備復合粉體從而實現粉體材料功能的多樣性也成了目前粉體材料研究的一個熱點。 銅基合金/不銹鋼的復合粉體在電子、催化和粉末冶金領域有著廣泛的應用前景(1、 M. Van Cleemput， H. Jones， M. Van Der Burgt， J隱R Barrau, J.A. Lee, Y.Eyssa, and H-J. Schneider-Muntau: Copper/stainless steel conductor for high field pulsed magnets. iV^義 5 (S4/wWen^a/w」216, 226(1996); 2、 W. Grunberger， M. Heilmaier, and L. Schultz: High-strength, high-nitrogen stainless steel —copper composite wires for conductors in pulsed high-field magnets.她&K Z饑 52， 154(2002))，但由于不銹鋼與銅基合金性能上的差異，兩種材料的復合是非常困難的， 一般 的方法是通過化學法制備出復合粉體。例如公開號為CN1548261的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N銅 包鐵復合粉的制造方法，它是在攪拌的狀態(tài)下，把還原鐵粉迅速加入摻有穩(wěn)定劑且pH值為 0.5 4.8的硫酸銅溶液中，繼續(xù)攪拌2 10min，使銅完全包覆在鐵粉顆粒的表面，即形成銅 包鐵復合粉；讓銅包鐵復合粉沉降3 20min，去掉上清液，加清水洗滌，使其無酸性為止； 再經脫水干燥處理后，進行篩分；然后進行防氧化處理，進行混粉、檢驗、包裝入庫。本發(fā) 明可以使銅均勻、緊密、牢固地完全包覆于鐵粉顆粒上，而且確保放置六個月不氧化，提高 其抗氧化性能。公開號為CN101116909的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N銅包鐵復合粉的制備方法， 它包括如下步驟將含銅堿性蝕刻廢液加入酸性蝕刻廢液中，配制成溶液pH為2 4.5、銅 濃度為50 100g/L的原料液，將還原鐵粉酸洗處理后加入帶渦輪式攪拌的反應釜中，加水， 攪拌并順次加入分散劑、緩蝕劑，均勻加入銅原料液，繼續(xù)攪拌，使銅完全包覆在鐵粉顆粒 的表面，得到銅包鐵復合粉，進行抽濾，洗漆，離心脫水，防氧化處理，真空干燥，篩分后 得到最終產品。該發(fā)明的方法可使銅均勻、緊密、牢固地完全包覆于鐵粉顆粒上，且放置六 個月不氧化，提高了其抗氧化性能。該發(fā)明制備的銅包鐵粉，表面色澤亮，包覆率高，表面 包覆均勻、致密，且由于避免了使用硫酸銅，因此比以往的制造方法成本更低廉。但上述制備工藝比較復雜，并且工藝過程中原料損失嚴重，因而產業(yè)化受到很大限制。因此，尋找一 種簡單而且廉價的銅基合金/不銹鋼復合粉體的制備技術是十分重要的。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是針對現有的制備銅基合金/不銹鋼復合粉體的工藝比較復雜，工藝過程中 原料損失嚴重，產業(yè)化受到很大限制等問題，提供一種簡單廉價的銅基合金/不銹鋼自組裝復 合粉體及其制備方法。本發(fā)明的技術方案是利用發(fā)展成熟的霧化法制粉工藝，制備出內核/外層(二層結構)或 內核/次外層/最外層(三層結構)的銅基合金/不銹鋼復合粉體。同時利用液相調幅分解型合 金(即合金在液相中呈現兩相分離)的性質，可以有效地控制復合粉體的內外組成相的成分， 從而實現了對復合粉體結構的可調控型設計，這種復合粉體在此稱作自組裝復合粉體。本發(fā)明所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體包括內核和外層，內核為不銹鋼內核或銅 基合金內核，外層為銅基合金層或為不銹鋼層和銅基合金層復合層，所述不銹鋼層和銅基合 金層復合層是由不銹鋼層和銅基合金層復合組成，不銹鋼層在內層，銅基合金層在內層外。不銹鋼選自馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼等。按國家標準，按質量百分 比，馬氏體不銹鋼的成分為C: 0 1.20%， Cr: 13% 20%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等中的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等的總含量不超過3%，余為鐵；奧氏體不銹 鋼的成分為C<0.15%， Cr: 17% 19%， Ni: 8% 12%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si等中 的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si等的總含量不超過3M，余為鐵；鐵素體不銹鋼的成分為 C<0.12%， Cr: 16% 18%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等中的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等的總含量不超過3X，余為鐵。本發(fā)明所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體的制備方法包括以下步驟1) 按質量百分比，按預先設定的銅基合金/不銹鋼自組裝復合材料的成分，稱量銅、鐵、 鉻各金屬放入真空感應爐內的熔煉裝置熔化；2) 將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用惰性氣體(最好為氬 氣或氮氣等)或水蒸汽吹之，即得銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體。真空感應爐的工作頻率最好為150 250KHz。惰性氣體或水蒸汽的流速盡可能快，以便 盡可能獲得高的溫度梯度(粉體中心與外層之間)。與現有的銅基合金與不銹鋼復合粉體的制備方法相比，本發(fā)明采用簡單的霧化法制粉工 藝，制備出銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體，其界面接觸良好。同時利用液相調幅分解型合 金(即合金在液相中呈現兩相分離)的性質，可以有效地控制復合粉體的內外組成相的成分， 從而實現了對復合粉體結構的可調控型設計。本發(fā)明適用于一切可通過液相調幅分解型合金(即合金在液相中呈現兩相分離)來制備的復合粉體。


圖1為合金Cu-44Fe-llCr (wt.%)相關系與溫度示意圖。在圖1中，橫坐標為銅的質量 分數(Cu/ wt.%)，縱坐標為溫度(Temperature/K)，細線所示處成分即為Cu-44Fe-llCr(wt.%)。 該合金在1600 1750K的溫度范圍內，液相呈兩相分離(Ll+L2)。圖2為合金Cu-44Fe-llCr (wt.%)在Ll+L2區(qū)域內，兩液相的體積分數與溫度的關系 圖。在圖2中，橫坐標為溫度(Temperature/K)，縱坐標為液相體積分數(Volume fraction)。 線a所示為富鐵相(不銹鋼Fe-richphase)的體積分數，線b所示為富銅相(銅基合金Cu-rich phase)的體積分數。圖3為合金Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)相關系與溫度示意圖。在圖3中，橫坐標為銅的質 量分數(Cu/wt.%)，縱坐標為溫度(Temperature/K)，細線所示處成分即為Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)。該合金在1600 1750K的溫度范圍內，液相呈兩相分離(Ll+L2)。圖4為合金Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)在Ll+L2區(qū)域內，兩液相的體積分數與溫度的關 系圖。在圖4中，橫坐標為溫度(Temperature/K)，縱坐標為液相體積分數(Volume fraction)。 線a所示為富銅相(銅基合金Cu-richphase)的體積分數，線b所示為富鐵相(不銹鋼Fe-rich phase)的體積分數。圖5為銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體橫截面組織示意圖，內核為富銅相(銅基合金內 核Cu-rich)，次外層為富鐵相(鐵素體不銹鋼層Fe-rich)，最外層為富銅相(銅基合金層 Cu-rich)。在圖5中，標尺為20pm。圖6為不銹鋼/銅基合金自組裝復合粉體橫截面組織示意圖，內核為富鐵相(馬氏體不銹 鋼內核Fe-rich)，外層為富銅相(銅基合金層Cu-rich)。在圖6中，標尺為20iam。
具體實施方式
實施例1將450g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 440g純鐵(純度為99.9wt.%)， 110g純鉻 (Cr，純度為99.8 wt.%)放置于氧化鋁坩鍋中，然后將氧化鋁坩鍋放入內置于霧化設備的真 空感應爐(電源電壓110V/220VAC;電源頻率50~60Hz;工作頻率150 250KHz)中， 關閉爐門后抽真空至真空感應爐內的真空度至1x10—3Pa，加大電流至上述三種純金屬完全熔 化至液體，所得合金液體成分為Cu-44Fe-llCr (wt.%)。將熔化了的合金液體(約lkg)傾倒 于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用氬氣氣流吹之，在霧化室的最下端可得銅基合金/不 銹鋼自組裝復合粉體。關閉氬氣氣流閥，同時將電流值減小至零，當霧化設備冷卻到常溫(約25°C)時，打開充氣閥注入空氣，至霧化設備內外壓強平衡時開啟出料門，取出銅基合金/不銹鋼(鐵合金)復合粉體，銅基合金/不銹鋼復合粉體的橫截面組織示意圖見圖5。合金 Cu-44Fe-llCr(wt。/。)在1600 1750K的溫度范圍內，液相呈兩相分離(Ll+L2)(參見圖1)， 富鐵的液相體積分數大于富銅液相的體積分數(參見圖2)，結合所得復合粉體的橫截面組織 示意圖(參見圖5)，內核為富銅相(銅基合金)內核，次外層為鐵素體不銹鋼，最外層甚薄 (銅基合金)，可知體積分數小的液相形成內核，體積分數多的液相形成外層，此即為自組裝 復合粉體結構可調控設計的原理。 實施例2將600g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 328g純鐵(純度為99.9wt.%)， 72g純鉻(Cr， 純度為99.8wt.。/。)放置于氧化鋁坩鍋中，然后將氧化鋁坩鍋放入內置于霧化設備的真空感應 爐(電源電壓110V/220V AC;電源頻率50~60Hz;工作頻率150 250KHz)中，關閉 爐門后抽真空至真空感應爐內的真空度至1x10—3Pa，加大電流至上述三種純金屬完全熔化至 液體，所得合金液體成分為Cu-32.8Fe-7.2Cr (wt.%)。將熔化了的合金液體(約lkg)傾倒于 受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用氮氣氣流吹之，在霧化室的最下端可得銅基合金/不銹 鋼自組裝復合粉體。關閉氮氣氣流闔，同時將電流值減小至零，當霧化設備冷卻到常溫(約 25°C)時，打開充氣閥注入空氣，至霧化設備內外壓強平衡時開啟出料門，取出不銹鋼/銅基 合金復合粉體，其復合粉體的橫截面組織示意圖見圖6。合金01-32^6-7.20" %)在1600 1750K的溫度范圍內，液相呈兩相分離(Ll+L2)(參見圖3)，富銅的液相體積分數大于富 鐵液相的體積分數(參見圖4)，結合所得復合粉體的橫截面組織示意圖(參見圖6)，內核為 馬氏體不銹鋼內核，外層為富銅相(銅基合金)層，可知體積分數小的液相形成內核，體積 分數多的液相形成外層，進一步驗證了自組裝復合粉體結構的可調控性。實施例3將440g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 440g純鐵(純度為99.9wt.%)， 110g純鉻 (Cr，純度為99.8wt.。/。)， 10g純鉬(純度為99.9wt.%)放置于氧化鋁坩鍋中，按照實施例1 所述的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復合粉體，復合粉體的橫截面組織的內核為富銅相(銅 基合金)內核，次外層為鐵素體不銹鋼層，最外層甚薄(銅基合金)。 實施例4將590g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%), 328g純鐵(純度為99.9wt.%)， 72g純鉻(Cr， 純度為99.8wty。)， 10g純鎳(純度為99.9wt/1/。)放置于氧化鋁坩鍋中放置于氧化鋁坩鍋中， 按照實施例2所敘的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復合粉體，復合粉體的橫截面組織的內 核為奧氏體不銹鋼內核，外層為富銅相(銅基合金)層。實施例5將435g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 440g純鐵(純度為99.9wt.%)， 110g純鉻 (Cr，純度為99.8 wt.%)， 5g純鈮(純度為99.9wt.%)， 5g純鈦(純度為995wt.%)放置于 氧化鋁坩鍋中，按照實施例1所述的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復合粉體，復合粉體的 橫截面組織的內核為富銅相(銅基合金)內核，次外層為鐵素體不銹鋼層，最外層甚薄(銅基 合金)。實施例6將585g純銅(電解銅，純度為99.99 wt.%)， 328g純鐵(純度為99.9wt.%)， 72g純鉻(Cr， 純度為99.8 wt.%)， 9g純硅(純度為99.9wt.%)， 4g純釩(純度為99.8wt.%)放置于氧化鋁 坩鍋中放置于氧化鋁坩鍋中，按照實施例2所敘的步驟操作，既得銅基合金/不銹鋼復合粉體， 復合粉體的橫截面組織的內核為馬氏體不銹鋼內核，外層為富銅相(銅基合金)層。
權利要求
1. 銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體，其特征在于包括內核和外層，內核為不銹鋼內核或銅基合金內核，外層為銅基合金層或為不銹鋼層和銅基合金層復合層，所述不銹鋼層和銅基合金層復合層是由不銹鋼層和銅基合金層復合組成，不銹鋼層在內層，銅基合金層在內層外。
2. 如權利要求1所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體，其特征在于不銹鋼選自馬氏 體不銹鋼、奧氏體不銹鋼或鐵素體不銹鋼。
3. 如權利要求2所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體，其特征在于按質量百分比， 馬氏體不銹鋼的成分為C: 0 1.20%， Cr: 13% 20%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni中 的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni的總含量不超過3。/。，余為鐵。
4. 如權利要求2所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體，其特征在于奧氏體不銹鋼的 成分為C<0.15%， Cr: 17% 19%, Nh 8% 12%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si中的至少 一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si的總含量不超過3。/。，余為鐵。
5. 如權利要求2所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體，其特征在于鐵素體不銹鋼的 成分為C<0.12%， Cr: 16%~18%，可含Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni中的至少一種，Mo、 Ti、 Nb、 V、 Si、 Ni等總含量不超過3X，余為鐵。
6. 如權利要求1所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體的制備方法，其特征在于包括 以下步驟1) 按質量百分比，按預先設定的銅基合金/不銹鋼自組裝復合材料的成分，稱量銅、鐵、 鉻各金屬放入真空感應爐內的熔煉裝置熔化；2) 將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用惰性氣體或水蒸汽吹 之，即得銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體。
7. 如權利要求6所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體的制備方法，其特征在于真空 感應爐的工作頻率為150 250KHz。
8. 如權利要求6所述的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體的制備方法，其特征在于惰性 氣體為氬氣或氮氣。
全文摘要
銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體及其制備方法，涉及一種復合粉體材料。提供一種簡單廉價的銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體及其制備方法。包括內核和外層，內核為不銹鋼內核或銅基合金內核，外層為銅基合金層或為不銹鋼層和銅基合金層復合層，所述不銹鋼層和銅基合金層復合層是由不銹鋼層和銅基合金層復合組成，不銹鋼層在內層，銅基合金層在內層外。按質量百分比，按預先設定的銅基合金/不銹鋼自組裝復合材料的成分，稱量銅、鐵、鉻各金屬放入真空感應爐內的熔煉裝置熔化；將熔化的合金液體傾倒于受液斗，在液體流入霧化室的瞬間，用惰性氣體或水蒸汽吹之，即得銅基合金/不銹鋼自組裝復合粉體。
文檔編號B22F1/02GK101269415SQ20081007097
公開日2008年9月24日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權日2008年4月25日
發(fā)明者劉興軍, 王翠萍 申請人:廈門大學