铜合金基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及铜合金基复合材料及其制备方法。根据本发明专利技术实施例的铜合金基复合材料包括铜合金基体及依次包覆在铜合金基体外侧的第一表面复合层和第二表面复合层，采用多元组分配比、半连续浇铸成型、喷射沉积、热轧及组合热处理制备铜合金基复合材料。本发明专利技术与现有技术相比，根据本发明专利技术实施例的铜合金基复合材料具有优异的导热性能、机械性能、耐高温性能、耐磨性能。

【技术实现步骤摘要】
铜合金基复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属材料领域，涉及一种铜合金基复合材料及其制备方法。
技术介绍
在实际工业生产、工程应用、设备集成中，高温、腐蚀、热机械载荷大、冷热应力交变循环的复杂环境普遍存在，例如钢铁冶炼与有色金属制造的连铸过程、石油化工或电热管道输送、设备集成中的热交换过程等。此类复杂应用环境要求所应用的组件材料具有优异的综合性能，特别是力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能、导热性能和高温稳定性。如用于金属材料连铸的铜质结晶轮，由于结晶轮直接与高温金属液接触，且长期不断受到冷却水与高温金属液的冷热应力作用，组件材料容易产生表面裂纹、局部烧蚀和变形，高温磨损较重，严重降低铸造质量和组件使用寿命。如何提高应用于此类复杂环境中组件材料的综合性能具有重要意义。一直以来，该领域通常采用T2纯铜或高铜合金材料，T2纯铜与高铜合金具有较好的塑性，但是材料的高温性能和高温稳定性如高温强度、高温导热性能、高温硬度等不理想。近来，开始出现采用陶瓷纤维或碳材料增强的铜基复合材料的制备方法。陶瓷纤维增强的铜基复合材料具有较好的拉伸强度性能，但是由于难以完全均匀地进行增强相的分散，组织上存在较严重的微观偏析和团簇，导致复合材料的塑性和疲劳强度性能较差，且存在较大的裂纹倾向性和腐蚀倾向性。碳材料增强的铜基复合材料同样存在分散的问题，且微观性能优异的碳材料应用于传统合金中的增强机理和增强效果仍然需要进一步验证和研究。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种铜合金基复合材料及其制备方法。根据本专利技术的一方面，一种铜合金基复合材料，包括铜合金基体及依次包覆在铜合金基体外侧的第一表面复合层和第二表面复合层；其中，所述铜合金基体按重量百分比包含如下元素：锆Zr0.001-0.01％、钪Sc0.001％-0.2％，银Ag0.001％-0.3％，铬Cr0.02％-0.08％，铷Rd0.001％-0.08％，锶Sr0.001％-0.08％，钇Y0.001％-0.05％，铌Nb0.001％-0.005％，钕Nd0.001％-0.005％，镱Yb0.001％-0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％-0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％-0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％-0.15％；所述第一表面复合层按重量百分比包含如下组分：镍Ni2.5％-8.5％，硅Si0.02％-0.15％，钴Co0.02％-2.8％，钼Mo0.05％-1.2％，铬Cr0.2％-1.5％，纳米氮化铝AlN0.01％-0.05％，余量为铜Cu；所述第二表面复合层按重量百分比包含以下组分：镍Ni5.5％-8.5％，硅Si0.8％-1.25％，钴Co0.05％-0.15％，铬Cr0.5％-2.5％，纳米氧化锆ZrO20.01％-0.05％，纳米碳化钨WC0.02％-0.08％，余量为铜Cu。根据本专利技术的示例性实施例，所述铜合金基体的晶粒平均粒径小于或者等于25μm，所述铜合金基体的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于158HV，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.2×10-6/℃；所述第一表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于455MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于285HV，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃；所述第二表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于465HV，500℃导热系数大于或者等于399W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。根据本专利技术的示例性实施例，所述铜合金基复合材料的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。根据本专利技术的另一方面，一种铜合金基复合材料的制备方法，所述方法包括：制备铜中间合金，铜中间合金中铜含量为85％，将各铜中间合金制造成直径为10mm的球状颗粒；按重量百分比将如下元素：锆Zr0.001-0.01％、钪Sc0.001％-0.2％，银Ag0.001％-0.3％，铬Cr0.02％-0.08％，铷Rd0.001％-0.08％，锶Sr0.001％-0.08％，钇Y0.001％-0.05％，铌Nb0.001％-0.005％，钕Nd0.001％-0.005％，镱Yb0.001％-0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％-0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％-0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％-0.15％；进行配料，以此准备铜中间合金颗粒与铜锭；将所述铜锭在真空条件下快速熔化，加入各铜中间合金颗粒，得到铜合金基体熔体；将所述铜合金基体熔体流入真空倾动式保温炉中，保温至1250℃，电磁搅拌5min-10min，同时向铜合金基体熔体中通入氮气和环保精炼剂进行精炼，静置30min，除气除渣，再静置15min；使铜合金基体熔体通过加热铸型器和冷却器，对铜合金基体熔体进行半连续浇铸成型，得到100mm-500mm厚的铜合金板铸锭；将铜合金板铸锭加热至940±10℃，保温55min-90min，得到铜合金基体；按重量百分比将如下组分：镍Ni2.5％-8.5％，硅Si0.02％-0.15％，钴Co0.02％-2.8％，钼Mo0.05％-1.2％，铬Cr0.2％-1.5％，纳米氮化铝AlN0.01％-0.05％，余量为铜Cu，进行配料，以此准备第一表面复合层所需各组分；按重量百分比将以下组分：镍Ni5.5％-8.5％，硅Si0.8％-1.25％，钴Co0.05％-0.15％，铬Cr0.5％-2.5％，纳米氧化锆ZrO20.01％-0.05％，纳米碳化钨WC0.02％-0.08％，余量为铜Cu，以此准备第二表面复合层所需各组分；将第一表面复合层各组分进行熔炼，保温至1280℃，除气精炼，得到第一复合合金熔体，将第一复合合金熔体喷射沉积在铜合金基体上，形成第一表面复合层；将第二表面复合层各组分进行熔炼，保温至1300℃，除气精炼，得到第二复合合金熔体，将第二复合合金熔体喷射沉积在第一表面复合层，形成第二表面复合层；对铜合金基复合铸坯进行热轧，得到厚度50mm-100mm的铜合金板坯；第一热处理：955±10℃，保温60min-110min，水冷至室温；第二热处理：将工件加温455℃-495℃，保温120min-180min，空冷至室温，得到铜合金基复合材料。根据本专利技术的示例性实施例，所述铜合金基体的快速熔化温度为12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜合金基复合材料，其特征在于，所述铜合金基复合材料包括铜合金基体及依次包覆在铜合金基体外侧的第一表面复合层和第二表面复合层；其中，所述铜合金基体按重量百分比包含如下元素：锆Zr 0.001‑0.01％、钪Sc 0.001％‑0.2％，银Ag 0.001％‑0.3％，铬Cr 0.02％‑0.08％，铷Rd 0.001％‑0.08％，锶Sr 0.001％‑0.08％，钇Y 0.001％‑0.05％，铌Nb 0.001％‑0.005％，钕Nd0.001％‑0.005％，镱Yb 0.001％‑0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％‑0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％‑0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％‑0.15％；所述第一表面复合层按重量百分比包含如下组分：镍Ni 2.5％‑8.5％，硅Si 0.02％‑0.15％，钴Co 0.02％‑2.8％，钼Mo 0.05％‑1.2％，铬Cr 0.2％‑1.5％，纳米氮化铝AlN 0.01％‑0.05％，余量为铜Cu；所述第二表面复合层按重量百分比包含以下组分：镍Ni 5.5％‑8.5％，硅Si 0.8％‑1.25％，钴Co 0.05％‑0.15％，铬Cr 0.5％‑2.5％，纳米氧化锆ZrO2 0.01％‑0.05％，纳米碳化钨WC 0.02％‑0.08％，余量为铜Cu。...

【技术特征摘要】
1.一种铜合金基复合材料，其特征在于，所述铜合金基复合材料包括铜合金基体及依次包覆在铜合金基体外侧的第一表面复合层和第二表面复合层；其中，所述铜合金基体按重量百分比包含如下元素：锆Zr0.001-0.01％、钪Sc0.001％-0.2％，银Ag0.001％-0.3％，铬Cr0.02％-0.08％，铷Rd0.001％-0.08％，锶Sr0.001％-0.08％，钇Y0.001％-0.05％，铌Nb0.001％-0.005％，钕Nd0.001％-0.005％，镱Yb0.001％-0.02％，余量为铜Cu，其中，Sc、Zr和Sr的重量百分比合计为0.01％-0.028％，Y、Yb、Nd和Nb的重量百分比合计为0.01％-0.058％，Sc的重量百分比的1/4、Zr的重量百分比的1/4、Nd的重量百分比的1/4以及Ag的重量百分比的1/3合计为0.002％-0.15％；所述第一表面复合层按重量百分比包含如下组分：镍Ni2.5％-8.5％，硅Si0.02％-0.15％，钴Co0.02％-2.8％，钼Mo0.05％-1.2％，铬Cr0.2％-1.5％，纳米氮化铝AlN0.01％-0.05％，余量为铜Cu；所述第二表面复合层按重量百分比包含以下组分：镍Ni5.5％-8.5％，硅Si0.8％-1.25％，钴Co0.05％-0.15％，铬Cr0.5％-2.5％，纳米氧化锆ZrO20.01％-0.05％，纳米碳化钨WC0.02％-0.08％，余量为铜Cu。2.根据权利要求1所述的铜合金基复合材料，其特征在于，所述铜合金基体的晶粒平均粒径小于或者等于25μm，所述铜合金基体的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于158HV，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.2×10-6/℃；所述第一表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于455MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于285HV，500℃导热系数大于或者等于420W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.5×10-6/℃；所述第二表面复合层厚度为150μm-500μm，抗拉强度大于或者等于480MPa，屈服强度大于或者等于315MPa，延伸率大于或者等于25％，硬度大于或者等于465HV，500℃导热系数大于或者等于399W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。3.根据权利要求1-2任一所述的铜合金基复合材料，其特征在于，所述铜合金基复合材料的抗拉强度大于或者等于450MPa，屈服强度大于或者等于300MPa，延伸率大于或者等于25％，500℃导热系数大于或者等于405W/m·℃，500℃线膨胀系数小于16.7×10-6/℃。4.一种铜合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：制备铜中间合金，铜中间合金中铜含量为85％，将各铜中间合金制造成直径为10mm的球状颗粒；按重量百分比将如下元素：锆Zr0.001-0.01％、钪Sc0.001％-0.2％，银Ag0.001％-0.3％，铬Cr0.02％-0.08％，铷Rd0.001％-0.08％，锶Sr0.001％-0.08％，钇Y0.001％-0.05％，铌Nb0.001％-0.005％，钕Nd0.001％-0.005％，镱Yb0.00...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴振江，於国良，黄建宁，
申请(专利权)人：黄建宁，
类型：发明
国别省市：浙江,33