專利名稱：一種SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的制備，屬于復合材料技術領域。
背景技術：
現(xiàn)有梯度復合材料制備方法主要如下一是物理氣相沉積(PVD)法和化學氣相沉積(CVD)法。PVD法是高溫加熱金屬使其蒸發(fā)，導入氧、氮和碳化物氣體產(chǎn)生化學反應，把合成的氮化物、碳化物沉積在基體材料上， 形成約IOOum厚的致密梯度復合材料薄膜的方法。CVD法是將金屬、類金屬鹵化物氣體加熱分解，使其沉積在基體材料表面，或者將生成的碳化物、氮化物等混合氣體送入反應管，加熱反應后生成的化合物沉積在襯底上制備梯度復合材料的方法。這兩種方法制備的梯度復合材料層厚度太薄，難于承受較大的載荷。二是電鍍法及化學鍍法。電鍍法是通過電解的方法在固體材料表面沉積金屬(或合金)層的一種電化學過程。電鍍法制備梯度復合材料是通過改變渡槽間的鍍液組成來連續(xù)改變鍍層的組成從而制得梯度復合材料鍍層。化學鍍法是由液體中的還原劑把金屬離子還原為金屬沉積在基體材料上的一種工藝方法?；瘜W鍍可以鍍覆形狀復雜的工件，鍍層厚度均勻，空隙率較電鍍少。這兩種方法制備的梯度復合材料層的制備速度慢，梯度復合材料層的厚度太薄，難于承受較大的載荷。三是自蔓延高溫合成法。自蔓延高溫合成法是利用參與合成反應的粉末混合物燒結時放出的大量熱量，使反應持續(xù)進行，反應后的產(chǎn)物便是梯度復合材料新材料。該方法制備梯度復合材料時，受到材料體系的限制，需要合成反應進行時大量的熱量釋放出來誘發(fā)近層連續(xù)發(fā)生合成反應。四是共晶結合法。共晶結合法是將具有共晶反應的金屬及其金屬間化合物合成接觸，并加熱至共晶溫度以上，在接觸面形成一層共晶熔液，然后冷卻凝固，產(chǎn)生偏析得到梯度復合材料。該方法必須是具有共晶反應的金屬及其金屬間化合物，實用的共晶反應體系較少，質量難以控制。五是復合離心鑄造法。復合離心鑄造法是利用復合式澆注二種熔融合金，在高速旋轉模子的離心力作用下，在內(nèi)壁上形成筒形梯度復合材料鑄件。該方法制備的梯度復合材料鑄件必須是筒形，而且鑄件氣孔率較大，性能穩(wěn)定性差。六是電鑄法。電鑄法是在母型表面上用金屬鹽溶液經(jīng)電沉積處理，析出一層金屬或合金，然后從母型上剝離得到與母型表面凹凸相反的梯度復合材料制品。該方法制備的梯度復合材料厚度較薄，生產(chǎn)效率低，耐磨性受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足提供一種SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的制備方法。
一種SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的制備方法，包括以下步驟稱量配粉一球磨機混粉4小時一400MPa制坯一真空度為10_2Pa，燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C / min，保溫時間為2. 5小時一次燒結一結束后隨爐冷卻一壓力為400MPa 二次壓制一真空度為10’a，燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2. 5小時二次燒結一結束后隨爐冷卻一試樣。所述的制備方法，梯度復合材料的基體材料選用普通電解銅粉，純度大于99. 8%, 平均粒度為200目；梯度復合材料的增強材料為SiC顆粒，平均粒徑為20 μ m。所述的制備方法，梯度復合材料各層SiC顆粒體積分數(shù)從表面的25% SiC+75% Cu 復合材料到 100% Cu 基體依次為25% SiC+75% Cu-20% SiC+80% Cu-15% SiC+75% Cu-IO% SiC+90% Cu-5% SiC+95% Cu-100% Cu。所述的制備方法，用浮動凹模雙向壓制裝置成型。所述的制備方法，浮動凹模雙向壓制裝置中，導桿固定在底座上，浮動凹模在導桿上可以自由上下移動，下凸模放在底座圓臺內(nèi)。添加材料粉末時，下凸模伸進浮動凹模內(nèi)， 導桿上彈簧支撐浮動凹模，待添加粉末完成后，放入上凸模，然后用壓力機向上凸模加壓力。本發(fā)明采用浮動凹模雙向壓制方法，采用粉末冶金工藝制備SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料，可以獲得致密度較高的大尺寸梯度復合材料零件，既保證材料工作表面承受較大的力學載荷，也保證復合材料梯度結構的熱應力緩和功能，彌補了傳統(tǒng)增強顆粒含量一定的均質復合材料性能均一缺點，從而提高梯度復合材料零件的使用壽命。


圖1梯度復合材料的金相顯微組織，其中1-1為梯度層中(5% SiC+95% Cu)復合材料與(10% SiC+90% Cu)復合材料過渡區(qū)金相顯微組織；1-2為梯度層中(10% SiC+90% Cu)復合材料與(15% SiC+85% Cu)復合材料過渡區(qū)金相顯微組織；1-3為梯度層中(15% SiC+85% Cu)復合材料與(20% SiC+80% Cu)復合材料過渡區(qū)金相顯微組織；1_4為梯度層中(20% SiC+80% Cu)復合材料與(25% SiC+75% Cu)復合材料過渡區(qū)金相顯微組織；圖2為梯度復合材料的電導率曲線，其中2-1為SiC含量與復合材料的電導率曲線；2-2為梯度層中距100% Cu距離與復合材料的電導率曲線；圖3為SiC/Cu復合材料的密度；圖4為壓縮變形對復合材料電導率的影響；圖5為SiC顆粒含量對材料抗氧化性能的影響曲線；圖6為恒溫加熱時間對材料抗氧化性能的影響曲線；圖7為循環(huán)加熱時間對復合材料抗氧化性能影響曲線；其中7-1為循環(huán)加熱時間對復合材料400°C抗氧化性能影響曲線；7-2為循環(huán)加熱時間對復合材料700°C抗氧化性能影響曲線；圖8為磨損時間對復合材料磨損量的影響曲線；圖9為SiC/Cu復合材料的摩擦系數(shù)曲線；圖lOSiC/Cu梯度復合材料的耐磨性曲線；圖11浮動凹模雙向壓制裝置結構示意圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。實施例一、SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料制備方法梯度復合材料的基體材料選用普通電解銅粉，純度大于99.8%，平均粒度為200 目；梯度復合材料的增強材料為SiC顆粒，平均粒徑為20 μ m。選擇冪函數(shù)形式的組成分布函數(shù)，采用階梯式分布逼近線性分析方法，這種分布形式適應性強又便于數(shù)學處理和應用。 先配制六種不同SiC顆粒含量的均質銅基復合材料粉末，然后再用浮動凹模雙向壓制法制備梯度復合材料。梯度復合材料各層SiC顆粒體積分數(shù)從表面的25% SiC+75% Cu復合材料到 100% Cu 基體依次為25% SiC+75% Cu-20% SiC+80% Cu-15% SiC+75% Cu-IO% SiC+90% Cu-5% SiC+95% Cu-100% Cu。各層配置漸變分布的梯度復合材料共六層，SiC 的體積分數(shù)分布從表面的25%到Cu基體的0%。用浮動凹模雙向壓制方法和二次壓制和二次燒結工藝制備SiC/Cu均質銅基復合材料和梯度復合材料。浮動凹模雙向壓制裝置中， 導桿0根)固定在底座上，浮動凹模在導桿上可以自由上下移動，下凸模放在底座圓臺內(nèi)。 添加材料粉末時，下凸模伸進浮動凹模內(nèi)，導桿上彈簧^個)支撐浮動凹模，待添加粉末完成后，放入上凸模，然后用壓力機向上凸模加壓力，由于凹模浮動，使得上凸模和下凸模從上下兩個方向壓縮粉末，彈簧在壓制粉末過程中可以上下伸縮，從而提高了復合材料壓坯的密度，燒結后可獲得性能良好的粉末冶金材料，克服了常規(guī)單向壓制材料上部密度大，下部密度小，材料密度和性能不均勻的缺點。復合材料制備流程如下稱量配粉一球磨機混粉4小時一400ΜΙ^制坯一真空度為 10 ,燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C /min,保溫時間為2. 5小時一次燒結一結束后隨爐冷卻一壓力為400ΜΙ^ 二次壓制一真空度為10_2Pa，燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C / min，保溫時間為2. 5小時二次燒結一結束后隨爐冷卻一試樣。梯度復合材料壓制試樣在ZRYSl真空熱壓燒結爐中進行一次燒結，燒結工藝參數(shù)為真空度為10_2Pa，燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2. 5小時，保溫結束后隨爐冷卻。二次壓制壓力為400MPa。二次壓制后的燒結工藝為真空度為10’a， 燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2. 5小時，保溫結束后隨爐冷卻。用 7501型渦流電導儀測試復合材料的電導率，測試時從基體Cu側開始，每隔一定距離測試一個點，測試數(shù)據(jù)取三個試樣測量結果的平均值。應用EPIPH0T-300U型倒置金相顯微鏡分析 SiC/Cu梯度復合材料顯微組織。梯度復合材料的金相顯微組織如圖1所示，梯度復合材料組織致密，梯度復合層顯微組織呈梯度分布，過渡均勻，梯度分布良好。參考圖11，浮動凹模雙向壓制粉末冶金材料裝置，包括上凸模1、浮動凹模2、導桿 3 G根)、材料粉末4、彈簧5、下凸模6、底座7 ；導桿3 (4根)固定在底座7上，浮動凹模2 在導桿上可以自由上下移動，下凸模6放在底座內(nèi)。添加材料粉末4時，下凸模6伸進浮動凹模2內(nèi)，彈簧5 G個)支撐浮動凹模，待添加粉末完成后，放入上凸模1，然后用壓力機加壓力F，由于浮動凹模2浮動，使得上凸模 1和下凸模6從上下兩個方向壓縮粉末，彈簧5在壓制粉末過程中可以上下伸縮，從而提高了壓坯的密度，燒結后可獲得性能良好的粉末冶金材料。實施例二、SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料性能1、SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的導電性能
復合材料的電導率受到材料的致密度影響很大。應用7501型渦流電導儀測試復合材料在一次燒結、復壓燒結后的電導率，并與理論計算的電導率進行比較，測試結果如圖 2所示。其中2-1為SiC含量與復合材料的電導率曲線，2-2為梯度層中距100% Cu距離與復合材料的電導率曲線，圖中所有值均按國際退火銅標準LACS (International Annealed Copper Standard)表示。分析圖2_1曲線可知，均質銅基復合材料的電導率隨著增強相SiC 含量的增加而逐漸減小，其變化趨勢接近于線性關系。與高強高導CCZ合金的電導率相比， 當SiC/Cu復合材料中的SiC顆粒含量不超過15%時，具有較高的電導率。比較一次燒結和復壓燒結后復合材料的電導率大小，復壓燒結工藝使復合材的電導率平均提高7. 8%左右。這是因為復壓燒結使得復合材料在一次燒結后形成的部分氣孔閉合，氣孔率減少，增加了復合材料的致密度，提高了復合材料基體的連續(xù)性，使復合材料的電導率提高。圖2-1還可以看出，復壓燒結后復合材料的電導率依舊低于理論值。從圖2-2可知，梯度復合材料的導電率從基體至表面隨著SiC含量逐漸減小，導電率呈梯度變化。復壓燒結使梯度復合材的電導率顯著提高，電導率隨SiC含量的梯度變化更加明顯，變化趨勢接近于線性關系。燒結工藝及SiC含量對SiC/Cu復合材料密度有一定的影響。圖3為一次燒結及復壓燒結后SiC體積含量與SiC/Cu復合材料密度的關系曲線。由圖3可以看出，復壓復燒工藝使復合材料的密度明顯提高，隨著SiC顆粒含量的增加，復合材料的密度均呈下降趨勢， 實測密度與理論密度的變化趨勢接近于線性關系。這是因為SiC的密度遠小于基體銅的密度。同時SiC也是一種剛度非常大的陶瓷相，壓制過程中很難產(chǎn)生變形，隨著SiC含量越高， 混合粉體中Cu粉的含量減少，增大了復合材料在壓制及燒結后的空隙率，從而使復合材料密度受到影響。圖4為復壓燒結與壓縮變形對SiC/Cu復合材料電導率的影響曲線。分析圖4可知，經(jīng)壓縮變形后的試樣的電導率與復壓燒結后的毛坯試樣相比平均提高了 1.65%。壓縮變形后，基體仍保持連續(xù)，復合材料氣孔數(shù)量進一步減少，致密度進一步提高。由于復合材料的致密度在經(jīng)過壓縮變形后進一步提高，從而使復合材料的Cu基體更加連續(xù)，復合材料燒結過程中形成的缺陷更加減少，電導率也有一定程度的升高。所以得出以下結論①采用浮動凹模雙向壓制工藝制備的SiC/Cu梯度復合材料， 梯度復合層顯微組織呈梯度分布，組織過渡均勻。②SiC/Cu梯度復合材料從Cu基體至25 % SiC表面，隨SiC含量增加，其電導率逐漸減小。③SiC/Cu梯度復合材料經(jīng)壓縮變形后，其組織更加致密，最高致密度達到96. 1 %。④復壓燒結工藝使SiC/Cu復合材料的平均致密度提高了 7. 1%，電導率提高7.8%。2、SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的抗氧化性能圖5為SiC/Cu復合材料在400 700°C氧化4小時材料氧化增重隨增強相SiC含量(體積分數(shù))的變化曲線。從圖5中可以得知，當SiC含量小于20%時，復合材料在各實驗溫度的氧化增重都隨SiC含量的增加而減小；當SiC體積含量大于20%后，復合材料在各實驗溫度的氧化增重隨SiC體積含量的增加而增加。SiC體積含量為20%時，復合材料的抗氧化性最好。分析認為，SiC顆粒的抗氧化作用在于一是SiC顆粒表面能生成Si02氧化膜阻礙氧向內(nèi)部滲透；二是SiC顆粒的抗氧化性能優(yōu)于銅，SiC顆粒對復合材料具有機械屏蔽作用，使復合材料表面暴露在氧化性氣氛中的銅基體減少。如果復合材料中的SiC成分過少，那么SiC顆粒的機械屏蔽作用就不能充分發(fā)揮，抗氧化效果不明顯；但如果SiC成分過多，由于銅基體和SiC顆粒的熱膨脹系數(shù)相差甚大，就會因熱應力而致使復合材料中SiC 顆粒與基體之間的微裂紋增多，這就為氧的侵入提供了途徑，導致氧化嚴重。只有當SiC的含量適中時，雖然不可避免產(chǎn)生裂紋，但裂紋數(shù)目和貫穿裂紋的數(shù)目都會大幅度減少，同時氧化反應生成的Si02能填補尺寸較小的微裂紋，阻止了氧進入基體材料，有效的防止了基體的氧化。在700°C條件下，基體Cu和20% SiC/Cu的氧化增重量曲線如圖6所示。由圖6可知，氧化時間越長，氧化增重量越大，而且呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。氧化初期，試樣增重很快， 隨時間延長，氧化增重量變得平緩。這是由于在氧化初期，試樣表面還沒有形成連續(xù)的Si02 保護膜，產(chǎn)生的Si02還不能起到完全保護作用，導致氧化速度加快。隨著氧化時間的延長， 試樣表面Si02更加完整、致密，保護作用增強，氧化曲線變得平緩。圖7為純銅和20% SiC/Cu復合材料在400°C (a)和700°C (b)循環(huán)氧化時的增重量曲線，曲線上各點對應的時間為循環(huán)加熱過程中各次加熱保溫時間總和，時間越長，循環(huán)次數(shù)越多。由圖7可知，復合材料在700°C的氧化增重速率比400°C時大；隨著氧化時間延長，純Cu和復合材料氧化增重量逐漸增大，而且呈現(xiàn)相似的變化趨勢，接近拋物線規(guī)律， 這與其他文獻指出的——金屬銅隨時間的氧化速率理論上是拋物線規(guī)律相似；從圖6和圖7(b)中的實驗數(shù)據(jù)可得到，復合材料在700°C，氧化12h和16h后，循環(huán)氧化增重分別為 9. 和11. 45mg,恒溫氧化增重為8. Mmg和9. 05mg,由此可知，循環(huán)氧化速率比恒溫氧化速率大。分析認為，SiC顆粒與基體銅低熱膨脹系數(shù)相差較大，在循環(huán)加熱條件下，材料中會產(chǎn)生熱應力和微裂紋等缺陷，這些缺陷促進了氧向內(nèi)部的滲透，加快氧化速率。所以得出以下結論①在400 700°C恒溫氧化條件下，SiC/Cu復合材料比純Cu 具有更好的抗氧化性能。②在400 700°C條件下，當復合材料的SiC含量小于20%時，復合材料的氧化抗氧化性能隨SiC含量的增加而增大；當SiC含量大于20%時，復合材料的抗氧化性能隨SiC含量的增加而減小；SiC體積分數(shù)為20%時，復合材料的抗氧化性最好。 ③在700°C循環(huán)氧化條件下，復合材料的氧化速率比恒溫氧化條件下大，材料的氧化增重隨時間增大呈現(xiàn)出近拋物線變化規(guī)律。3、SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的耐磨性能圖8為磨損時間對純銅和兩種復合材料磨損量的影響曲線，由圖可知，隨著磨損時間的延長，純銅和復合材料的磨損量都逐漸增大。圖9為磨損試驗機給出的純銅和復合材料在磨損25min后的平均摩擦系數(shù)，可知，SiC/Cu復合材料的摩擦系數(shù)隨著SiC含量增加而減小。因此，純銅和復合材料隨著磨損時間的延長，滑動距離增大，磨損量增加圖10示出了 SiC/Cu梯度復合材料在砂紙上的耐磨性曲線，其中橫坐標指測試點距純基體側的距離?？梢钥闯觯嚯x基體層的距離越大，梯度試樣的耐磨性越好，由基體至表面耐磨性呈梯度增強。分析認為，梯度復合材料中SiC顆粒含量由基體至表面逐漸增多， 呈梯度分布，前面指出，復合材料的耐磨性隨著SiC體積含量的增加而提高，因此梯度試樣的耐磨性由基體層至表面呈梯度增強。所以得出以下結論SiC/Cu梯度復合材料的耐磨性優(yōu)于基體Cu材料，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性。實施例三、SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料應用領域SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料具有較好的導電性能，優(yōu)良的耐熱性能及抗氧化性能，優(yōu)異的耐磨性能，在制造連鑄機的結晶器、電阻焊機的電觸頭、電力機車的電弓滑板以及電刷用材料等方面有廣闊的發(fā)展前景。 應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟稱量配粉一球磨機混粉4小時一400MPa制坯一真空度為KT2I3a，燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2. 5小時一次燒結一結束后隨爐冷卻一壓力為400MPa 二次壓制 —真空度為10_2Pa，燒結溫度為950°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2. 5小時二次燒結一結束后隨爐冷卻一試樣。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，梯度復合材料的基體材料選用普通電解銅粉，純度大于99.8%，平均粒度為200目；梯度復合材料的增強材料為SiC顆粒，平均粒徑為20 μ m。
3.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，梯度復合材料各層SiC顆粒體積分數(shù)從表面的25% SiC+75% Cu復合材料到100% Cu基體依次為25% SiC+75% Cu-20 % SiC+80% Cu-15% SiC+75% Cu-IO% SiC+90% Cu-5% SiC+95% Cu-100% Cu。
4.根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征在于，用浮動凹模雙向壓制裝置成型。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，浮動凹模雙向壓制裝置中，導桿固定在底座上，浮動凹模在導桿上可以自由上下移動，下凸模放在底座圓臺內(nèi)。添加材料粉末時，下凸模伸進浮動凹模內(nèi)，導桿上彈簧支撐浮動凹模，待添加粉末完成后，放入上凸模，然后用壓力機向上凸模加壓力。
全文摘要
本發(fā)明公開了SiC顆粒增強Cu基梯度復合材料的制備方法，包括以下步驟稱量配粉→球磨機混粉4小時→400MPa制坯→真空度為10-2Pa，燒結溫度為950℃，升溫速率為10℃/min，保溫時間為2.5小時一次燒結→結束后隨爐冷去→壓力為400MPa二次壓制→真空度為10-2Pa，燒結溫度為950℃，升溫速率為10℃/min，保溫時間為2.5小時二次燒結→結束后隨爐冷卻→試樣。彌補了傳統(tǒng)增強顆粒含量一定的均質復合材料性能均一缺點，從而提高梯度復合材料零件的使用壽命。
文檔編號B22F3/16GK102266944SQ20111018710
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權日2011年7月6日
發(fā)明者王瑾, 解念鎖 申請人:陜西理工學院