[发明专利]一种铜表面功能材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料及制备方法，特别是在铜表面形成Cu-Si-SiC梯度层、耐磨 蚀、抗熔渣、抗铁液腐蚀的材料及其制备方法，属冶金材料技术领域。

背景技术

铜及其合金材料在冶金、电了、电器工业、电力、仪表和军工中用途十分广泛，是不 可缺少的基础材料之一。随着科学技术的发展，纯铜和现有牌号铜合金的导电、导热性、 耐磨性、耐高温抗氧化性能难以兼顾，不能全面满足冶金、航天、航空、微电了等技术迅 速发展对其综合性能的要求，研究高强度高传导性的铜合金以及铜基复合材料成为铜基材 料研究的热点。然而对于像高炉风口等特殊部件仅靠利用高强、高导热的铜或铜合金是不 能满足使用要求的。此类部件的工作条件远比一般零部件的工况苛刻，对其表面的耐磨、 耐蚀、抗氧化等性能的要求比基体高几倍甚至十几倍。综合以上条件和要求，制备符合此 类工矿要求的铜合金材料从成本和技术上都难以实现，这就需要开发适合该类工况要求的 新型表面功能材料。

铜表面功能材料研究开始于上个世纪，其方法主要有电镀法、化学镀法、多元共渗表 面处理法、辉光放电表面渗硫法、等离子喷涂法、堆焊法以及铸渗法等。

电镀法和化学镀法是在水溶液中，通过电沉积或化学反应的方法，在铜基体表面沉积 一层其他金属或合金的的方法。这种方法在连铸结晶器的表面处理中得到了广泛应用，镀 层有硬Cr、Ni-Co、Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-P、Ni-W-P、Ni-Co-W金属或合金以及以SiC、Cr2O3、 TiO2、TiC、Al2O3、ZrO2、WC、ZrB2、CaF2等分散较好的微粒形成的复合镀层。但是， 这种方法得到的表面层与基体的结合属于机械结合，强度较低，不能使用在高炉风口上。 并且在结晶器的使用中，因镀层剥落，必须停车更换结晶器的频率还是很高的。

多元共渗表面处理法，是先将工件置于含有渗入元素的活性介质中加热到一定温度， 使活性介质通过分解并释放出欲渗入元素的活性原子，活性原子被表面吸附并溶入表面， 溶入表面的原子向金属表面层扩散渗入形成一定厚度的扩散层，从而改变表层的成分、组 织和性能，其共渗元素主要有Cr-Al-Si、Al-Fe-Mo等。但由于表面处理层厚度仅为20μm 左右，从成本、延长使用寿命的长短以及表面处理层的效果来看还是不太理想。

辉光放电渗硫法，是在真空炉内，利用电阻或辉光放电加热，使硫蒸发出硫气体，并 在阴极(工件)和阳极(设备外壳或单设阳极)之间施加直流高压电，产生辉光放电。在辉 光放电的物理化学作用下，零件表而形成一层厚度可达0.12mm的硫化物。这层硫化物的 润滑特性大大提高零件的自润滑能力，减小摩擦系数，提高了耐磨件的寿命。该法只是其 表面耐磨性可以得到较大的提高，其他特性改善不多，再者这些零部件一次表面改性面积 不超过10cm2。

等离子喷涂是以压缩的刚性等离子弧为喷涂热源，进行粉末喷涂的一种表面化热喷涂 方法。由于等离子弧温度高、能量集中，可以熔化各种难熔材料，它采用氩气、氮气等作 为喷涂气体，熔融态粒子在飞行过程中得到了很好的保护，涂层中的氧化物等杂质含量相 对较低。近些年来，高炉大量采用喷煤工艺，风口耐磨作用就显得十分突出，更重要的是 风口端部要防止高温铁水及熔渣的冲刷、浸蚀，只考虑风口导热性远远适应不了现代化高 炉正常生产。采用等离子喷涂工艺方法在风口易损面喷涂陶瓷层，希望提高其使用寿命。 但是，将陶瓷Al2O3或ZrO等粉末喷涂到铜制的风口或结晶器上，最大困难是它们的线膨 胀系数相差太大，同时由于它们的物理性能相差太大而不能形成冶金结合，因而在喷涂过 程中产生较大的残余应力，以致在使用过程中由于冷热交变而使涂层剥离。

堆焊法，即利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，靠自身的重力在工件 表面堆覆成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法。将此技术用于高炉风口的表面改性，改变 其局部化学成分和组织结构，完善其性能，以延长整个风口的使用寿命。但是，采用堆焊 的方法对铜合金进行表面改性面临一次获得表面堆焊层面积不超过10cm2，需循环加热 -保温-堆焊-加热-堆焊，方法过于繁复。