专利名称：一种层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的制备方法。
背景技术：
Mn+1AXn相的三元化合物体系中，M为过渡元素，A为III，IV主族中的某些元素，X 为C或N，η = 1，2，3。根据η的不同取值，习惯上又将η = 1、2或3的Μη+1ΑΧη相化合物分别称之为211相、312相或413相。所有Μη+1ΑΧη相化合物具有相同的层状六方晶体结构。它们的原子结合方式既有共价键、离子键又有金属键，因而兼有金属和陶瓷的性质，如类似金属的导热、导电性、抗热震性和可加工性，类似陶瓷的抗氧化性、耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性和耐高温性。因此，在许多领域具有重要的应用价值。中国专利CN101(^8749A公开了 “一种(Cu-Al) / (Ti3C2-Cu-Al)层状复合材料及其制备方法”，该方法是将Ti3AlC2粉和铜粉逐层交替铺设后冷压成层状坯体，然后将坯体置于高温炉内，在氩气保护下，将炉温升至1100-1200°C，保温15-60min后冷却，即得到层状复合材料；该材料的Ti3C2-Cu-Al层具有良好的耐磨性和抗侵入性，Cu-Al层通过塑性变形吸收外部施加载荷的能量，因而具有良好的耐磨和耐冲击载荷的能力，可用于制造高性能的轴瓦、轴承套和抗穿甲防护外壳等构件。中国专利CN1844439A公开了 “一种Cu/Ti3AlC2 复合材料及其浸渗烧结制备方法”。该材料中Ti3AlC2的体积含量为25-85%，其余为Cu ；该材料的制备方法将Ti3AlC2粉末冷压成空隙率为15-75%的坯体，将此坯体置于石墨坩埚内用Cu粉埋覆，在氩气保护下将炉温升至1100-1200°C，保温10-60min，熔融的Cu借助与 Ti3AlC2颗粒之间的界面张力浸渗到Ti3AlC2坯体的空隙，冷却后即得到Cu/Ti3AlC2复合材料；该材料具有高强度、高导电率、耐磨耗等显著特点，可广泛应用于制造机械、电工、化工和能源领域的关键部件。但是，上述两种方法制备的复合材料均有可能因铜的浸渗不均而影响材料的性能。铜具有优异的导电、导热、耐腐蚀、易延展等性能，因此被广泛应用在电力电子、机械制造等领域。但铜的强度、硬度较低，耐热性和耐磨性差，限制了它的使用条件和寿命。为了能在不过多牺牲导电性和导热性的前提下改善铜的力学性能，曾经尝试过各种可能的途径。一般铜的强化有两种思路一是固溶强化，但是由于在高温下金属将发生再结晶、第二相粗化和溶解，因此像加工硬化、析出硬化等常规方法均难以奏效，固溶强化又会大大降低材料的导电率；二是引入第二相进行强化，形成铜基复合材料，其设计原理是根据材料性能的要求，选用适当的增强相(一种或多种)，在保持铜基体高导电性的同时，充分发挥强化相的增强作用及二者的协同作用，使得材料的导电性与基体强度达到良好的匹配。将新型层状三元陶瓷1+#乂11系列导电陶瓷应用于增强铜基复合材料有广阔的应用前景。这类陶瓷不但具有良好的导电性能，而且具有很好的力学性能和导热性能，尤其 Mn+1AXn相具有像石墨一样良好的自润滑性，可以和铜复合制备电刷、滑动电触头材料和电动机车的集电滑板等铜基复合材料。因此，进行MlriAX1^H* Cu复合材料的制备和研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的制备方法，该复合材料改善了铜的浸渗不均，具有良好的导电性以及抗弯强度，易于工业化生产。为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案一种层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)将2wt% 45wt%的层状三元金属陶瓷粉和余量金属铜粉在球磨机中球磨混合；(2)将上述步骤(1)中所得到的混合粉通过模压成形为块体生坯；(3)在氢气或惰性气体气氛下，所述块状生坯按照升温速率20 40°C /min升温至800°C 1250°C，并保温0. 5 3小时，冷却后得到层状三元陶瓷增强金属铜复合材料。所述的层状三元陶瓷粉为Mn+1AXn相的三元化合物中的一种或几种的混合物，其中 M选自Ti，Cr，A选自Al、Si、Ge、Sn，X为C或N，η = 1，2，3，该层状三元陶瓷粉的粒度小于或等于200目。所述Μη+1ΑΧη 相选自 Ti2AlC, Cr2AlC, Ti2AlN, Ti2SnC, Ti3AlC2, Ti3SiC2, Ti3GeC2, Ti4AlN3O所述的金属铜粉为还原铜粉或电解铜粉，其粒度小于或等于200目。所述球磨机的转速为100r/min 1000r/min，球磨混合的时间为0. 5 5小时。经球磨混合后的所述混合粉的粒度不大于200目。所述模压成形的压强为80MPa 300MPa。一种使用本发明所述的制备方法所制备的层状三元陶瓷增强金属铜复合材料，其特征在于所述复合材料由 45wt%层状三元陶瓷和余量的金属铜构成，其中所述层状三元陶瓷为Mn+1AXn相的三元化合物中的一种或几种，其中M选自Ti，Cr，A选自Al、Si、 Ge、Sn，X为C或N，n = 1,2,3 ；所述金属铜为还原铜或电解铜；且所述复合材料的抗弯强度能达到600MPa以上，电导率能达到1. 5X IO6S · m—1以上。本发明的有益效果在于(1)与背景技术相比，本发明所述的制备方法不仅克服了制备过程中由于铜的浸渗不均而影响材料的性能，而且工艺简单、可靠，成本低，易于工业规模制备，具有广泛的应用前景；(2)本发明所述的层状三元陶瓷增强金属铜复合材料在保持铜基体高导电性的同时，充分发挥强化相的增强作用及二者的协同作用，使得复合材料的导电性与基体强度达到良好的匹配。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但实施例不限制本发明，且发明中未述及之处适用于现有技术。实施例1
将300克200目的Cr2AlC粉体和700克200目的电解铜粉在100r/min球磨机中球磨混合2小时，并将混合粉通过200MPa压强模压成形为块体生坯，然后在氩气气氛下按照升温速率20 40°C /min升温至1250°C，保温2小时的烧结工艺制备得到层状结构Cr2AlC 增强金属铜复合材料。该复合材料的抗弯强度能达到1200MPa，电导率可达1. 8X 10 ^1。实施例2将50克300目的Ti3AlC2粉体，100克300目的Ti3SiC2粉体和650克300目的还原铜粉在500r/min球磨机中球磨混合5小时，并将混合粉通过150MPa压强下模压成形为块体生坯，然后在氢气气氛下通过1050°C、保温1小时的烧结工艺制备得到层状结构 Ti3AlC2和Ti3AlC2增强金属铜复合材料。该复合材料的抗弯强度能达到900MPa，电导率达 2. 5 X IO6S · πΓ1。实施例3将20克300目的Ti2SnC粉体和980克200目的电解铜粉在1000r/min球磨机中球磨混合0. 5小时，并将混合粉通过SOMPa压强下模压成形为块体生坯，然后在氦气气氛下通过800°C、保温3小时的烧结工艺制备得到层状结构Ti2SnC增强金属铜复合材料。该复合材料的抗弯强度能达到800MPa，电导率达3. OX IO6S · πΓ1。实施例4将450克400目的Ti4AlN3粉体和550克200目的还原铜粉在300r/min球磨机中球磨混合3小时，并将混合粉通过300MPa压强下模压成形为块体生坯，然后在氩气气氛下通过950°C、保温2. 5小时的烧结工艺制备得到层状结构Ti2AlC增强金属铜复合材料。该复合材料的抗弯强度能达到llOOMPa，电导率达1. 6 X IO6S · πΓ1。实施例5将300克200目的Ti2AlC粉体和700克200目的还原铜粉在200r/min球磨机中球磨混合2小时，并将混合粉通过220MPa压强下模压成形为块体生坯，然后在氩气气氛下通过1050°C、保温2. 5小时的烧结工艺制备得到层状结构Ti2AlC增强金属铜复合材料。该复合材料的抗弯强度能达到1050MPa，电导率达1. 8 X IO6S · πΓ1。实施例6将100克300目的Ti3GeC2粉体，300克300目的Ti2AlN粉体和600克300目的还原铜粉在300r/min球磨机中球磨混合3小时，并将混合粉通过200MPa压强下模压成形为块体生坯，然后在氢气气氛下通过100(TC、保温1. 5小时的烧结工艺制备得到层状结构 Ti3GeC2和Ti2AlN增强金属铜复合材料。该复合材料的抗弯强度能达到950MPa，电导率达 2. IXlO6S · πΓ1。
权利要求
1.一种层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)将2wt% 45wt%的层状三元金属陶瓷粉和余量金属铜粉在球磨机中球磨混合；(2)将上述步骤(1)中所得到的混合粉通过模压成形为块体生坯；(3)在氢气或惰性气体气氛下，所述块状生坯按照升温速率20 40°C/min升温至 800°C 1250°C，并保温0. 5 3小时，冷却后得到层状三元陶瓷增强金属铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的层状三元陶瓷粉为MlriAX1^HWH 元化合物中的一种或几种的混合物，其中M选自Ti，Cr，A选自Al、Si、Ge、Sn，X为C或N， η= 1，2，3，该层状三元陶瓷粉的粒度小于或等于200目。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Mn+1AXn相选自Ti2AlC、Cr2AlC, Ti2AlN、Ti2SnC、Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti4AlN3。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属铜粉为还原铜粉或电解铜粉， 其粒度小于或等于200目。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球磨机的转速为lOOr/min IOOOr/ min，球磨混合的时间为0. 5 5小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经球磨混合后的所述混合粉的粒度不大于200目。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模压成形的压强为SOMI^a 300MPa。
8.—种如权利要求1所述的制备方法所制备的层状三元陶瓷增强金属铜复合材料，其特征在于所述复合材料由 45wt%层状三元陶瓷和余量的金属铜构成，其中所述层状三元陶瓷为Mn+1AXn相的三元化合物中的一种或几种，其中M选自Ti，Cr，A选自Al、Si、 Ge、Sn，X为C或N，n = 1,2,3 ；所述金属铜为还原铜或电解铜；且所述复合材料的抗弯强度能达到600MPa以上，电导率能达到1. 5X IO6S · m—1以上。
全文摘要
本发明属于粉末冶金技术领域，特别涉及一种层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的制备方法，本发明充分发挥强化相的增强作用及二者的协同作用，使得材料的导电性与基体强度达到良好的匹配，包括如下步骤(1)将2wt％～45wt％的层状三元金属陶瓷粉和余量金属铜粉在球磨机中球磨混合；(2)将上述步骤(1)中所得到的混合粉通过模压成形为块体生坯；(3)在氢气或惰性气体气氛下，所述块状生坯按照升温速率20～40℃/min升温至800℃～1250℃，并保温0.5～3小时，冷却后得到层状三元陶瓷增强金属铜复合材料。
文档编号C22C32/00GK102242302SQ201110175960
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者丁存光, 任勃, 姜丽娟, 李 一, 李楠, 李红云, 李红印, 柳学全, 霍静 申请人:钢铁研究总院