一種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法

2023-05-15 23:51:46 2

一種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，將混合均勻的Fe-C粉體與銅粉進行球磨混粉，然後經過預壓制形成毛坯，毛坯經過熱壓燒結後經過熱處理，得到Cu-FeC複合材料。本發明自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，通過在製備Cu-FeC複合材料的過程中向還原鐵粉中滲碳，在不改變鐵含量的同時，通過將FeC合金由奧氏體相變為馬氏體或貝氏體，很大程度提高了原有Cu-Fe複合材料的硬度和強度，製備出了具有高強度高導電率的Cu-FeC複合材料。
【專利說明】—種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於複合材料製備【技術領域】，具體涉及一種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法。

【背景技術】
[0002]Cu-Fe複合材料具有高強度和高導電率的綜合性能可廣泛應用於微電子、電力及機械等行業。還可應用於大型電阻焊機底座及電極、大容量汽輪發電機轉子槽楔、護環材料、超大規模集成電路引線框架、高速軌道交通用架空導線、國防軍工用電子對抗、雷達、大功率軍用微波管、熱核實驗反應堆(ITER)偏濾器垂直靶散熱片及高脈衝磁場導體材料等領域。但是，現有的Cu-Fe複合材料通過增加含鐵比例提高強度的同時，對材料的導電性能也產生了很大的影響。其次，採用一般的還原鐵粉研製複合材料，其強度也具有很大的局限性。
[0003]隨著科學技術的不斷發展，國內外已經通過向Cu-Fe複合材料中加入一定量的Ag製備出Cu-Fe-Ag複合材料，雖然在材料的性能上有了很大改觀，但卻增加了材料的生產成本，不利於複合材料的大規模生產使用，因此改良Cu-Fe複合材料的製備方法仍具有很大空間。
[0004]為了獲得成本低廉而且具有高強度高導電率的Cu-Fe複合材料，本發明採用對一般的還原鐵粉滲碳的工藝從而獲得高碳鐵粉，通過銅基體與高碳鐵粉的結合製備出自硬強化銅基複合材料。目前，對於本發明中提到的這種低成本高性能Cu/FeC複合材料的製備方法還沒有相關報導。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，解決現有Cu_Fe複合材料強度和導電性能較低的問題。
[0006]本發明所採用的技術方案是，一種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，將混合均勻的Fe-C粉體與銅粉進行球磨混粉，然後經過預壓制形成毛坯，毛坯經過熱壓燒結後經過熱處理，得到Cu-FeC複合材料。
[0007]本發明的特點還在於，
[0008]Fe-C粉體通過以下方式得到:將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在300?1250°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體。
[0009]Fe-C粉體中炭黑的質量百分比為0?0.8wt%，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7%。
[0010]Fe-C粉體與銅粉球磨混粉的方式如下:按質量百分比分別稱取12% Fe_C粉體、88%銅粉,將Fe-C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的20?40倍加入磨球,進行12?24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體。
[0011]預壓制是將Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力10?300KN，保壓30?120秒形成毛坯。
[0012]熱壓燒結是將預壓制形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到950?1050°C後，在1.5?3MPa的壓強下進行熱壓並保溫30?60min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理。
[0013]熱處理是將熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為727?880°C，保溫20?60min，水冷淬火；再加熱到150?350°C，保溫30?90min退火，空冷。
[0014]本發明的有益效果是，本發明自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，通過在製備Cu-FeC複合材料的過程中向還原鐵粉中滲碳，在不改變鐵含量的同時，通過將FeC合金由奧氏體相變為馬氏體或貝氏體，很大程度提高了原有Cu-Fe複合材料的硬度和強度，製備出了具有高強度高導電率的Cu-FeC複合材料，為此類複合材料的研究提供了新的思路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是實施例1中Fe-C粉體的電鏡掃描圖；
[0016]圖2實施例1中鐵粉的掃描電鏡圖；
[0017]圖3是實施例1製備的Cu-FeC複合材料的微觀組織圖。

【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0019]本發明自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，將混合均勻的Fe_C粉體與銅粉進行球磨混粉，然後經過預壓制形成毛坯，毛坯經過熱壓燒結後經過熱處理，得到Cu-FeC複合材料。
[0020]具體按照以下步驟實施:
[0021]步驟1，按質量百分比分別稱取0?0.8wt%炭黑，其餘為鐵粉，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7 %，將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在300?1250°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體；
[0022]步驟2，按質量百分比分別稱取12 %步驟1得到的Fe-C粉體、88 %銅粉，將Fe_C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的20?40倍加入磨球，進行12?24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體；
[0023]步驟3，將步驟2得到的Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力10?300KN，保壓30?120秒形成毛坯；
[0024]步驟4，將步驟3形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到950?1050°C後，在1.5?3MPa的壓強下進行熱壓並保溫30?60min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理；
[0025]步驟5，將步驟4熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為727?880°C，保溫20?60min，水冷淬火；再加熱到150?350°C，保溫30?90min退火，空冷，即得到Cu-FeC複合材料。
[0026]本發明自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，通過在製備Cu_FeC複合材料的過程中向還原鐵粉中滲碳，在不改變鐵含量的同時，通過將FeC合金由奧氏體相變為馬氏體或貝氏體，很大程度提高了原有Cu-Fe複合材料的硬度和強度，製備出了具有高強度高導電率的Cu/FeC複合材料，為此類複合材料的研究提供了新的思路。
[0027]實施例1
[0028]步驟1，按質量百分比分別稱取0.4wt%炭黑，其餘為鐵粉，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7%，將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在500°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體；
[0029]步驟2，按質量百分比分別稱取12%步驟1得到的Fe-C粉體、88%銅粉，將Fe-C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的20倍加入磨球，進行12h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體；
[0030]步驟3，將步驟2得到的Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力10KN，保壓50秒形成毛坯；
[0031 ] 步驟4，將步驟3形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到1025°C後，在1.5MPa的壓強下進行熱壓並保溫60min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理；
[0032]步驟5，將步驟4熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為780°C，保溫20min，水冷淬火；再加熱到180°C，保溫40min退火，空冷，即得到Cu-FeC複合材料。
[0033]經測試，實施例1製備得到的Cu-FeC複合材料的強度為560MPa，電導率12.6MS/m。
[0034]圖1實施例1中鐵粉的掃描圖，可見，原始的Fe粉，顆粒粗大且表面粗糙有缺陷；
[0035]圖2是實施例1中Fe-C粉體的電鏡掃描圖，經過步驟1製備的Fe_C粉體，其顆粒細小；
[0036]圖3是實施例1製備的Cu-FeC複合材料的微觀組織，圖3中黑色顆粒為Fe_C相，其均勻分布在Cu基體中，熱處理後起到自硬強化作用。
[0037]實施例2
[0038]步驟1，按質量百分比分別稱取0.3wt%炭黑，其餘為鐵粉，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7%，將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在800°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體；
[0039]步驟2，按質量百分比分別稱取12%步驟1得到的Fe-C粉體、88%銅粉，將Fe-C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的30倍加入磨球，進行18h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體；
[0040]步驟3，將步驟2得到的Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力30KN，保壓60秒形成毛坯；
[0041 ] 步驟4，將步驟3形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到1040°C後，在2MPa的壓強下進行熱壓並保溫40min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理；
[0042]步驟5，將步驟4熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為750°C，保溫20min，水冷淬火；再加熱到150°C，保溫40min退火，空冷，即得到Cu-FeC複合材料。
[0043]經測試，實施例2製備得到的Cu-FeC複合材料的強度為540MPa，電導率12.8MS/m。
[0044]實施例3
[0045]步驟1，按質量百分比分別稱取0.6wt%炭黑，其餘為鐵粉，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7%，將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在300°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體；
[0046]步驟2，按質量百分比分別稱取12 %步驟1得到的Fe-C粉體、88 %銅粉，將Fe_C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的20倍加入磨球，進行24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體；
[0047]步驟3，將步驟2得到的Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力50KN，保壓40秒形成毛坯；
[0048]步驟4，將步驟3形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到1050°C後，在2.5MPa的壓強下進行熱壓並保溫50min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理；
[0049]步驟5，將步驟4熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為840°C，保溫35min，水冷淬火；再加熱到210°C，保溫45min退火，空冷，即得到Cu-FeC複合材料。
[0050]經測試，實施例3製備得到的Cu-FeC複合材料的強度為568MPa，電導率12.2MS/m。
[0051]實施例4
[0052]步驟1，按質量百分比分別稱取0.8wt%炭黑，其餘為鐵粉，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7%，將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在1250°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體；
[0053]步驟2，按質量百分比分別稱取12 %步驟1得到的Fe-C粉體、88 %銅粉，將Fe_C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的40倍加入磨球，進行24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體；
[0054]步驟3，將步驟2得到的Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力60KN，保壓30秒形成毛坯；
[0055]步驟4，將步驟3形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到1050°C後，在3MPa的壓強下進行熱壓並保溫60min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理；
[0056]步驟5，將步驟4熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為860°C，保溫40min，水冷淬火；再加熱到230°C，保溫60min退火，空冷，即得到Cu-FeC複合材料。
[0057]經測試，實施例4製備得到的Cu-FeC複合材料的強度為585MPa，電導率12.0MS/m。
[0058]實施例5
[0059]步驟1，按質量百分比分別稱取0.lwt%炭黑，其餘為鐵粉，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7%，將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在1000°c氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體；
[0060]步驟2，按質量百分比分別稱取12%步驟1得到的Fe-C粉體、88%銅粉，將Fe-C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的30倍加入磨球，進行15h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體；
[0061 ] 步驟3，將步驟2得到的Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力300KN，保壓120秒形成毛坯；
[0062]步驟4，將步驟3形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到950°C後，在2MPa的壓強下進行熱壓並保溫30min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理；
[0063]步驟5，將步驟4熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為727°C，保溫60min，水冷淬火；再加熱到350°C，保溫90min退火，空冷，即得到Cu-FeC複合材料。
[0064]經測試，實施例5製備得到的Cu-FeC複合材料的強度為588MPa，電導率11.6MS/m。
[0065]實施例6
[0066]步驟1，按質量百分比分別稱取0.2wt%炭黑，其餘為鐵粉，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7%，將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在600°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體；
[0067]步驟2，按質量百分比分別稱取12%步驟1得到的Fe-C粉體、88%銅粉，將Fe-C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的40倍加入磨球，進行20h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體；
[0068]步驟3，將步驟2得到的Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力100KN，保壓30秒形成毛坯；
[0069]步驟4，將步驟3形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到1000°c後，在2.5MPa的壓強下進行熱壓並保溫40min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理；
[0070]步驟5，將步驟4熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為880°C，保溫50min，水冷淬火；再加熱到300°C，保溫30min退火，空冷，即得到Cu-FeC複合材料。
[0071]經測試，實施例6製備得到的Cu-FeC複合材料的強度為535MPa，電導率12.3MS/m。
【權利要求】
1.一種自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，其特徵在於，將混合均勻的Fe-C粉體與銅粉進行球磨混粉，然後經過預壓制形成毛坯，毛坯經過熱壓燒結後經過熱處理，得到Cu-FeC複合材料。
2.根據權利要求1所述的自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，其特徵在於，Fe-C粉體通過以下方式得到:將鐵粉和炭黑裝入球磨罐中，按粉末總質量的40倍加入磨球，球磨6h後裝入高純石墨坩堝中，在300?1250°C氫氣氣氛下加熱製成Fe-C粉體。
3.根據權利要求2所述的自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，其特徵在於，Fe-C粉體中炭黑的質量百分比為O?0.8wt%，鐵粉的粒度為200目，純度為99.7 %。
4.根據權利要求1所述的自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，其特徵在於，Fe-C粉體與銅粉球磨混粉的方式如下:按質量百分比分別稱取12% Fe-C粉體、88%銅粉，將Fe-C粉體與銅粉裝入球磨罐中，按所有粉末總質量的20?40倍加入磨球,進行12?24h球磨混粉，得到Cu-FeC混合粉體。
5.根據權利要求1所述的自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，其特徵在於，預壓制是將Cu-FeC混合粉體過篩後通過冷壓模具進行預壓制，壓制壓力10?300KN，保壓30?120秒形成毛還。
6.根據權利要求1所述的自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，其特徵在於，熱壓燒結是將預壓制形成的毛坯裝在高純石墨坩堝中，放置於氣氛保護加壓燒結爐內加熱到950?1050°C後，在1.5?3MPa的壓強下進行熱壓並保溫30?60min，當熱壓爐溫度降低到室溫時撤去壓強，對毛坯表面加工處理。
7.根據權利要求1所述的自硬強化Cu-FeC複合材料的製備方法，其特徵在於，熱處理是將熱壓燒結後的毛坯在箱式熱處理爐進行熱處理，淬火溫度為727?880°C，保溫20?60min，水冷淬火；再加熱到150?350°C，保溫30?90min退火，空冷。
【文檔編號】C22C1/05GK104263985SQ201410494099
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月24日 優先權日:2014年9月24日
【發明者】鄒軍濤, 石浩, 陳鏡任, 梁淑華, 王勇, 楚思清 申請人:西安理工大學