增強銅基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及復合材料技術，尤其涉及一種添加稀土 La的原位TiB2增強銅基復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著電工電子、軌道交通以及航空航天等領域的飛速發展，對銅合金性能也不斷提出了更高的要求。如軌道交通接觸線、電磁炮導軌等不僅需要較高的電導率，同時需要具有較高的強度，良好的耐磨性以及抗高溫軟化性能等。由導電理論可知，銅合金中固溶于銅基體中的原子引起的點陣畸變對電子的散射作用比第二相引起的散射作用強得多，因此銅合金中強度的提高都會大幅度降低電導率，而復合強化由于第二相在銅原子之間，并不會固溶于銅，因此不會明顯降低銅基體的導電性，同時由于強化相的作用還改善了基體的室溫及高溫性能，成為獲得高強高導銅基材料的主要強化手段。因此銅基復合材料的在未來的發展和應用中極具潛力。
[0003]目前已開發出諸多制備復合材料的方法，如機械合金化法、內氧化法，噴射沉積法、傳統鑄造法以及熱壓燒結法等。其中，利用原位反應合成法與傳統鑄造法制備銅基復合材料具有成本低廉，易于獲得，可制備大尺寸樣品等優點。彌散分布的第二相粒子可以很好地強化銅基體，TiB2顆粒不僅導電、導熱性好，具有高熔點、硬度、化學穩定性、耐腐蝕性和優異的耐磨性，同其他陶瓷基顆粒相比使金屬的導電率導熱率下降較小，使TiB2/Cu復合材料具有較高的電導率和抗高溫軟化性能，而且其標準吉布斯自由能較低，可由氟硼酸鉀、氟鈦酸鉀復合鹽合成，也可由鈦、硼在高溫直接生成，因此可以在金屬基體中原位反應生成，解決了普通外加方法制備的復合材料增強相與基體的潤濕性問題，成為了金屬基復合材料中廣泛添加的增強相顆粒。
[0004]然而，直接鑄造法得到的TiB2/Cu復合材料中TiB2增強顆粒直徑較大，基本都在微米級別，由奧羅萬方程可知，微米級的顆粒增強效果很不明顯。此外，為了降低增強體TiB2顆粒的表明自由能，更趨向于團聚到一起，這會更嚴重的損害復合材料整體的性能。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，針對上述現有TiB2/Cu復合材料中TiB2增強顆粒直徑較大問題，提出一種添加稀土 La的原位TiB2增強銅基復合材料，該復合材料中TiB 2顆粒細小且彌散分布，使該復合材料具有強度較高、導電性佳等優點。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是:一種添加稀土 La的原位TiB2增強銅基復合材料，包括重量配比如下的各組分:0.5-2?丨％的TiB2、0.02-0.10?丨％的La、余量為Cu0
[0007]進一步地，添加稀土 La的原位TiB^強銅基復合材料包括重量配比如下的各組分:0.1-1.5wt%^ TiB2、0.04-0.08wt%^ La、余量為 Cu。
[0008]本發明的另一個目的還提供了一種所述添加稀土 La的原位1^2增強銅基復合材料的方法，包括以下步驟:
[0009](I)將純銅置于真空中頻感應熔煉爐爐膛內；
[0010](2)將真空中頻感應熔煉爐爐膛抽真空后反充氬氣；
[0011](3)加熱至純銅完全熔化并升溫到1200-1300°C ；
[0012](4)向真空中頻感應熔煉爐爐膛加入Cu-La中間合金，保持3-15min，優選為5-10min JiCu-La中間合金均勻熔化于純銅中；
[0013](5)依次向真空中頻感應熔煉爐爐膛加入Cu-B中間合金和Cu-Ti中間合金，分別保溫3-15min，優選為5-10min ;該步驟在Cu基體中原位生成了 11132顆粒反應式如下:[Ti]+2 [B] — TiB2;
[0014](6)調整熔體溫度至1200-1300°C，并澆鑄到預熱的石墨鑄模中，獲得添加稀土 La的原位TiB2增強銅基復合材料，該材料中不但增強相TiB 2顆粒更加細小，并且彌散分布在銅基體內。
[0015]進一步地，步驟(2)真空中頻感應熔煉爐爐膛抽真空至5-10Pa后，反充氬氣至
0.02-0.1MPa，優選為 0.05-0.08MPa。
[0016]進一步地，步驟(6)所述預熱的石墨鑄模為250-400 °C預熱的石墨鑄模，優選為300-350。。。
[0017]進一步地，在步驟(I)將原料加入到真空中頻感應熔煉爐爐膛之前，需要對原料進行預處理，包括以下步驟:
[0018](I)將純銅、Cu-La、Cu_B以及Cu-Ti中間合金用稀鹽酸清洗，洗去表面氧化物及雜質；
[0019](2)將上述原料置于超聲波清洗機內，采用無水乙醇清洗原料表面，洗去原料殘留的鹽酸以及雜質；
[0020](3)將超聲清洗后的原料在鼓風干燥箱中100-150 °C下烘干2_3h，優選為100-130°C下烘干 2-2.5h。
[0021]本發明添加稀土 La的原位TiB2增強銅基復合材料配方科學、合理，其制備方法簡單、易行，與現有技術相比較具有以下優點:
[0022](I)本發明通過合金化法，在Cu-TiB2復合材料中添加一定量的稀土元素La，表面活性較高的La能使1^82在生成階段生成細小的TiB 2顆粒，在復合材料凝固階段分散TiB 2顆粒，使之均勻彌散于銅金屬基體中，因此獲得了具有良好的綜合性能的Cu-TiBjH基復合材料。經檢測添加稀土 La的原位TiB2增強銅基復合材料強度高，導電性佳。
[0023](2)本發明制備方法能實現添加稀土 La的原位TiB2增強銅基復合材料的工業化批量生產。
[0024]圖1為未添加稀土元素La的原位TiB2增強銅基復合材料中TiB 2顆粒大小及分布情況的SEM圖；圖2為本發明添加La的原位TiB2增強銅基復合材料中TiB 2顆粒大小及分布情況的SEM圖，其中1182的質量百分數為l%，La的質量百分數0.04%;通過對比圖1和圖2中可以明顯看出，在未添加稀土 La時，復合材料中1182顆粒平均粒徑為1.5 μπι，但是添加稀土 La后，復合材料中TiB2粒徑減小到了 0.5 μπι左右，并且聚合狀況也得到了極大改善。
[0025]圖3為添加不同質量分數La的原位TiB2增強銅基復合材料的抗拉強度及延伸率，其中TiB2的質量百分含量為Iwt %，余量為Cu ;從中可以明顯看出，在添加La后，Cu-TiB 2復合材料抗拉強度有一個明顯的提升，這是因為添加La后，TiB2顆粒更加細小，并且在銅基體中均勻分布，在發生塑性變形時，有力的阻礙了裂紋的萌生以及擴展，因此明顯的提高了復合材料的抗拉強度。
[0026]可是伴隨著抗拉強度的提高，帶來了伸長率的下降。這是由于，TiB2顆粒在銅基體中不均勻分布，在拉伸試驗時，沒有打82顆粒的位置可以發生較大的塑性變形，因此具有較高的伸長率。而在添加La后，TiB2顆粒在銅基體中均勻分布，發生塑性變形時，TiB2顆粒有力的阻止了大塑性變形的發生，因此伸長率稍有下降。
[0027]圖4為添加不同質量分數La的原位TiB2增強銅基復合材料的導電率，其中TiB 2的質量百分含量為Iwt%，余量為Cu。在添加稀土 La后，電導率有了顯著地提升，由66.5%IACS 提高到了 88.5% IACS，提升了 33.1%0
【附圖說明】
[0028]圖1為未