增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)，尤其涉及一種添加稀土 La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電工電子、軌道交通以及航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對銅合金性能也不斷提出了更高的要求。如軌道交通接觸線、電磁炮導(dǎo)軌等不僅需要較高的電導(dǎo)率，同時需要具有較高的強(qiáng)度，良好的耐磨性以及抗高溫軟化性能等。由導(dǎo)電理論可知，銅合金中固溶于銅基體中的原子引起的點(diǎn)陣畸變對電子的散射作用比第二相引起的散射作用強(qiáng)得多，因此銅合金中強(qiáng)度的提高都會大幅度降低電導(dǎo)率，而復(fù)合強(qiáng)化由于第二相在銅原子之間，并不會固溶于銅，因此不會明顯降低銅基體的導(dǎo)電性，同時由于強(qiáng)化相的作用還改善了基體的室溫及高溫性能，成為獲得高強(qiáng)高導(dǎo)銅基材料的主要強(qiáng)化手段。因此銅基復(fù)合材料的在未來的發(fā)展和應(yīng)用中極具潛力。
[0003]目前已開發(fā)出諸多制備復(fù)合材料的方法，如機(jī)械合金化法、內(nèi)氧化法，噴射沉積法、傳統(tǒng)鑄造法以及熱壓燒結(jié)法等。其中，利用原位反應(yīng)合成法與傳統(tǒng)鑄造法制備銅基復(fù)合材料具有成本低廉，易于獲得，可制備大尺寸樣品等優(yōu)點(diǎn)。彌散分布的第二相粒子可以很好地強(qiáng)化銅基體，TiB2顆粒不僅導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，具有高熔點(diǎn)、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性和優(yōu)異的耐磨性，同其他陶瓷基顆粒相比使金屬的導(dǎo)電率導(dǎo)熱率下降較小，使TiB2/Cu復(fù)合材料具有較高的電導(dǎo)率和抗高溫軟化性能，而且其標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能較低，可由氟硼酸鉀、氟鈦酸鉀復(fù)合鹽合成，也可由鈦、硼在高溫直接生成，因此可以在金屬基體中原位反應(yīng)生成，解決了普通外加方法制備的復(fù)合材料增強(qiáng)相與基體的潤濕性問題，成為了金屬基復(fù)合材料中廣泛添加的增強(qiáng)相顆粒。
[0004]然而，直接鑄造法得到的TiB2/Cu復(fù)合材料中TiB2增強(qiáng)顆粒直徑較大，基本都在微米級別，由奧羅萬方程可知，微米級的顆粒增強(qiáng)效果很不明顯。此外，為了降低增強(qiáng)體TiB2顆粒的表明自由能，更趨向于團(tuán)聚到一起，這會更嚴(yán)重的損害復(fù)合材料整體的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，針對上述現(xiàn)有TiB2/Cu復(fù)合材料中TiB2增強(qiáng)顆粒直徑較大問題，提出一種添加稀土 La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，該復(fù)合材料中TiB 2顆粒細(xì)小且彌散分布，使該復(fù)合材料具有強(qiáng)度較高、導(dǎo)電性佳等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種添加稀土 La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，包括重量配比如下的各組分:0.5-2?丨％的TiB2、0.02-0.10?丨％的La、余量為Cu0
[0007]進(jìn)一步地，添加稀土 La的原位TiB^強(qiáng)銅基復(fù)合材料包括重量配比如下的各組分:0.1-1.5wt%^ TiB2、0.04-0.08wt%^ La、余量為 Cu。
[0008]本發(fā)明的另一個目的還提供了一種所述添加稀土 La的原位1^2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟:
[0009](I)將純銅置于真空中頻感應(yīng)熔煉爐爐膛內(nèi)；
[0010](2)將真空中頻感應(yīng)熔煉爐爐膛抽真空后反充氬氣；
[0011](3)加熱至純銅完全熔化并升溫到1200-1300°C ；
[0012](4)向真空中頻感應(yīng)熔煉爐爐膛加入Cu-La中間合金，保持3-15min，優(yōu)選為5-10min JiCu-La中間合金均勻熔化于純銅中；
[0013](5)依次向真空中頻感應(yīng)熔煉爐爐膛加入Cu-B中間合金和Cu-Ti中間合金，分別保溫3-15min，優(yōu)選為5-10min ;該步驟在Cu基體中原位生成了 11132顆粒反應(yīng)式如下:[Ti]+2 [B] — TiB2;
[0014](6)調(diào)整熔體溫度至1200-1300°C，并澆鑄到預(yù)熱的石墨鑄模中，獲得添加稀土 La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，該材料中不但增強(qiáng)相TiB 2顆粒更加細(xì)小，并且彌散分布在銅基體內(nèi)。
[0015]進(jìn)一步地，步驟(2)真空中頻感應(yīng)熔煉爐爐膛抽真空至5-10Pa后，反充氬氣至
0.02-0.1MPa，優(yōu)選為 0.05-0.08MPa。
[0016]進(jìn)一步地，步驟(6)所述預(yù)熱的石墨鑄模為250-400 °C預(yù)熱的石墨鑄模，優(yōu)選為300-350。。。
[0017]進(jìn)一步地，在步驟(I)將原料加入到真空中頻感應(yīng)熔煉爐爐膛之前，需要對原料進(jìn)行預(yù)處理，包括以下步驟:
[0018](I)將純銅、Cu-La、Cu_B以及Cu-Ti中間合金用稀鹽酸清洗，洗去表面氧化物及雜質(zhì)；
[0019](2)將上述原料置于超聲波清洗機(jī)內(nèi)，采用無水乙醇清洗原料表面，洗去原料殘留的鹽酸以及雜質(zhì)；
[0020](3)將超聲清洗后的原料在鼓風(fēng)干燥箱中100-150 °C下烘干2_3h，優(yōu)選為100-130°C下烘干 2-2.5h。
[0021]本發(fā)明添加稀土 La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料配方科學(xué)、合理，其制備方法簡單、易行，與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022](I)本發(fā)明通過合金化法，在Cu-TiB2復(fù)合材料中添加一定量的稀土元素La，表面活性較高的La能使1^82在生成階段生成細(xì)小的TiB 2顆粒，在復(fù)合材料凝固階段分散TiB 2顆粒，使之均勻彌散于銅金屬基體中，因此獲得了具有良好的綜合性能的Cu-TiBjH基復(fù)合材料。經(jīng)檢測添加稀土 La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料強(qiáng)度高，導(dǎo)電性佳。
[0023](2)本發(fā)明制備方法能實(shí)現(xiàn)添加稀土 La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的工業(yè)化批量生產(chǎn)。
[0024]圖1為未添加稀土元素La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中TiB 2顆粒大小及分布情況的SEM圖；圖2為本發(fā)明添加La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中TiB 2顆粒大小及分布情況的SEM圖，其中1182的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為l%，La的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)0.04%;通過對比圖1和圖2中可以明顯看出，在未添加稀土 La時，復(fù)合材料中1182顆粒平均粒徑為1.5 μπι，但是添加稀土 La后，復(fù)合材料中TiB2粒徑減小到了 0.5 μπι左右，并且聚合狀況也得到了極大改善。
[0025]圖3為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度及延伸率，其中TiB2的質(zhì)量百分含量為Iwt %，余量為Cu ;從中可以明顯看出，在添加La后，Cu-TiB 2復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度有一個明顯的提升，這是因?yàn)樘砑覮a后，TiB2顆粒更加細(xì)小，并且在銅基體中均勻分布，在發(fā)生塑性變形時，有力的阻礙了裂紋的萌生以及擴(kuò)展，因此明顯的提高了復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。
[0026]可是伴隨著抗拉強(qiáng)度的提高，帶來了伸長率的下降。這是由于，TiB2顆粒在銅基體中不均勻分布，在拉伸試驗(yàn)時，沒有打82顆粒的位置可以發(fā)生較大的塑性變形，因此具有較高的伸長率。而在添加La后，TiB2顆粒在銅基體中均勻分布，發(fā)生塑性變形時，TiB2顆粒有力的阻止了大塑性變形的發(fā)生，因此伸長率稍有下降。
[0027]圖4為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)La的原位TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的導(dǎo)電率，其中TiB 2的質(zhì)量百分含量為Iwt%，余量為Cu。在添加稀土 La后，電導(dǎo)率有了顯著地提升，由66.5%IACS 提高到了 88.5% IACS，提升了 33.1%0
【附圖說明】
[0028]圖1為未