[发明专利]添加稀土铈的高强度弥散强化铜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备弥散强化铜的新配方及其制造方法。通过添加稀土铈可大幅度提高强化铜的强度，属于新材料开发领域。

背景技术

弥散强化铜又称氧化铝铜(Cu-Al₂O₃)合金，因具有优异的高强度、高导电率，广泛用于电气工程开关触桥、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、高导电率及高温稳定性等特点。组织稳定，无相变。屈服强度和抗拉强度高，常温条件下硬度高，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950℃，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。

常见的制备方法包括机械混合法、共沉淀法、内氧化法等。国内外许多研究者和企业进行了纳米粒子Al₂O₃改性铜的研究。Motta M.S.等通过粉末原位还原法，已制得平均尺寸达10nm的Al₂O₃弥散强化铜基复合材料，TEM形貌表明铜晶粒周围被弥散分布的纳米粒子Al₂O₃包围。Kexing Song等通过内氧化法，制备了在铜基体中分布着10-30nm Al₂O₃颗粒的弥散强化铜，纳米粒子Al₂O₃均匀分布，材料改性效果较好。美国SCM公司稳定了内氧化法的工艺参数，率先工业化制备了弥散强化铜，含Al₂O₃ 0.2％的铜合金，导电率达90％IACS，弹性模量为108GPa，室温强度为500MPa。含Al₂O₃ 1.2％的铜合金，导电率达80％IACS，弹性模量为140GPa，室温强度为620MPa。

授权专利《一种耐脱锌腐蚀的环保纳米黄铜合金及其制备方法》，专利号为ZL 2013 1 0432275.8，是将纳米氧化铝加入黄铜，采用铸造方法生产高耐蚀黄铜，不涉及弥散强化铜的生产。

目前已有的材料及制备技术中，存在的主要问题是：内氧化法工艺复杂、成本高、危险性较大，产品性能也不稳定，国内还不能稳定生产出高质量的产品。因此，需要开发一种性能稳定、工艺简单、成本低的新方法。

发明内容

本发明提供了一种制备强化铜的新配方与新方法，通过添加一定比例的新元素稀土铈，与纳米颗粒Al₂O₃按一定比例混合，形成一种稳定的新相，经过行星球磨、高温烧结和冷热加工制成的成品，能提高强化铜的强度、耐蚀性、耐磨性，而对强化铜的导电率影响较小。

本发明采用的技术方案如下：

一种添加稀土铈的高强度的弥散强化铜，所述的弥散强化铜包括铜、纳米Al₂O₃、铈和杂质元素，各成分的质量百分比(wt.％)为：铜为98.20-99.0，纳米Al₂O₃为0.5-0.9，铈为0.5-0.9，其余为杂质元素；所述的杂质元素包括铁、氧化铬，铁、氧化铬的质量百分比(wt.％)为：铁≤0.01，氧化锆≤0.02，杂质元素低于0.04wt.％。

上述的比例是大量科学实验的结果。本合金中，添加了一定比例的纳米Al₂O₃和稀土铈做为弥散强化相，具有熔点高、高温稳定性能好、硬度高，能以微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，同时又不会明显降低合金的导电性能。

上述弥散强化铜的制备方法，按一定比例配好稀土铈与纳米氧化铝，经过行星球磨工艺使三者均匀混合，成分均匀，使其形成一种稳定的新相，镶嵌到铜粉里面，通过高温和一定压力下烧结，可形成致密的坯料。然后，通过热加工和冷加工制备成弥散强化铜成品，具有高强度、高耐蚀性和高耐磨性，同时导电率降低幅度较小。具体包括以下步骤：