[发明专利]溶胶凝胶法制备高强高导纳米弥散强化铜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别涉及溶胶凝胶法制备纳米氧化铝弥散强化铜的制备方法。

背景技术

纳米弥散强化铜合金，又称氧化铝铜(Cu-Al₂O₃)，是一种优异的高强、高导材料，可用做电气工程开关触桥、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、大功率异步牵引电动机转子、电气化铁路接触导线(电车线)、热核实验反应堆(ITER)偏滤器垂直靶散热片、高脉冲磁场导体材料等，并且在这些领域有着其它材料不可替代的优势,比铬锆铜材料具有更优秀的高强高导及高温稳定性,是重要的新型备选材料。

由于纳米级Al₂O₃对基体铜的弥散强化作用，该合金具有高强度、高硬度、高导电率及高软化温度等特性。常温硬度高，随着温度升高，硬度下降幅度小，高温抗蠕变性能好。热、电传导率高，加工性能优良。软化温度高达930℃，导电率高达85％IACS，散热性能介于钨铜(220W/m.k)以及纯铜(390W/m.k)之间。强度高，疲劳性能和耐磨性能好。

常见的制备方法为内氧化法等。美国SCM公司采用内氧化法，已形成月产18吨、四种牌号(C15710、C15720、C15735、C15760)Cu-Al₂O₃的生产规模，含Al₂O₃0.2％的铜合金，导电率达90％IACS，弹性模量为108GPa，室温强度为500MPa。含Al₂O₃1.2％的铜合金，导电率达80％IACS，弹性模量为140GPa，室温强度为620MPa。目前德国、俄罗斯、日本弥散强化铜合金均能工业化生产，而生产工艺仍然处于保密中。国内广州某研究院正在中等规模试验用内氧化法生产弥散强化铜。其它科研院、公司由于存在批量生产性能不稳定等问题，相继放弃该项目。因此，国内弥散强化铜棒材事实上依然依赖进口，在军用高端电真空和无冷却超强电流线圈、导体(如电磁炮元件)领域，受到国外的进口限制。

目前已有的材料及制备技术中，存在的主要问题是：质量不稳定，如内氧化法因氧扩散不完全造成质量不稳定，氧源如果不能完全还原，杂质氧会影响导电率、高温强度，特别是作为电真空元件的材料使用时会出现氢脆现象，出现裂纹；氧化铝分布不均匀；内氧化法工序复杂、成材率低使成本难以降低。因此，需要开发一种质量稳定、低成本、纳米氧化铝易均匀分布的新方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种成本低、短流程、微纳米氧化铝均匀分布、质量稳定的氧化铝弥散强化铜的制备方法。

本发明提供了溶胶凝胶法制备纳米弥散强化铜的方法，用硝酸铝与氨水反应，生成氢氧化铝胶体，将铜粉与胶体混合均匀后行星球磨，加热获得微纳米尺寸的纳米氧化铝，压制后烧结，然后一次冷加工、热处理，再冷加工至成品尺寸，获得微纳米氧化铝均匀分布的弥散强化铜的棒坯。

本发明采用的技术方案如下：

一种溶胶凝胶法制备高强高导纳米弥散强化铜的制备方法，包括铜和纳米Al₂O₃和杂质元素；各成分比例为：铜99.6-99.2wt.％；纳米Al₂O₃：0.02-1.5wt.％；杂质元素低于0.06wt.％，成份包括铁、铅、硼，铁≤0.01wt％，铅≤0.01wt％，硼≤0.008wt％，杂质元素。本合金中，添加了纳米Al₂O₃做为弥散强化相，具有熔点高、高温稳定性能好、硬度高，能以纳米级尺分布于铜基体中，在接近铜基体熔点的高温下也不会溶解或粗化，因此，可以有效地阻碍位错运动和晶界滑移，提高室温和高温强度，同时又不明显降低合金的导电性能。

本发明提供的一种氧化铝弥散强化铜的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备氢氧化铝胶体：硝酸铝与氨水反应生成氢氧化铝溶胶，PH＝9；

(2)混合：加入尺寸20-80微米的铜粉于胶体中，充分搅拌30-50分钟后静置，得到沉淀物；

(3)球磨：沉淀物装入行星球磨机中搅拌5-8小时，球料比为2：1，密封处理防止氧化。

(4)微纳米氧化铝的形成：将球磨好的粉末放入真空炉内，加入2％木炭防止氧化并通入氩气保护，加热至300-400℃保温60-70分钟。

(5)压制成型：将粉末在200-300MPa压强下保压20-30分钟，得到压制坯料。