本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料制備，涉及高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法。

背景技術(shù)：

1、陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料因具有優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能而被廣泛用于電工材料領(lǐng)域中。在諸多銅基復(fù)合材料制備方法中，復(fù)合鑄造法具有工藝簡單、可制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件、制造成本低、適用于工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，使其成為制備陶瓷增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的重要技術(shù)手段之一。然而，由于比重偏析的存在和原位反應(yīng)不完全問題，導(dǎo)致陶瓷相只在復(fù)合材料基體的部分區(qū)域反應(yīng)生成，造成其在銅基體中偏聚現(xiàn)象，直接影響復(fù)合材料性能，這也是目前限制復(fù)合鑄造法大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)障礙。

2、二硼化鈦陶瓷顆粒作為一種少有的導(dǎo)電陶瓷，廣泛應(yīng)用于銅基復(fù)合材料領(lǐng)域中。目前主流是采用原位反應(yīng)的辦法制備二硼化鈦/銅基復(fù)合材料，由于ti、b元素發(fā)生原位反應(yīng)時(shí)間極短，生成的二硼化鈦顆粒吸附團(tuán)聚長大，惡化復(fù)合材料的力學(xué)性能；同時(shí)，由于常規(guī)使用的銅硼中間合金和銅鈦中間合金中b元素和ti元素含量控制并不精確，導(dǎo)致合金中存在并未反應(yīng)完全的ti元素，影響復(fù)合材料的導(dǎo)電性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，解決了現(xiàn)有復(fù)合鑄造法制備的原位自生二硼化鈦/銅復(fù)合材料中比重偏析、ti反應(yīng)不充分的問題。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，包括以下步驟：

3、步驟1，按質(zhì)量百分比分別稱取70.0～90.2wt.％無氧銅塊a、5.0～15.3wt.％鎂和4.8～14.7wt.％氧化硼，以上各組分的質(zhì)量百分比之和為100％；按質(zhì)量百分比分別稱取93.1～98.6wt.％無氧銅塊b和1.4～6.9wt.％鈦粒，以上各組分的質(zhì)量百分比之和為100％；

4、步驟2，按復(fù)合材料中二硼化鈦的質(zhì)量百分比為1～5wt.％，硼的質(zhì)量百分比為0.5～1.5wt.％，將稱取的無氧銅塊a、鎂和氧化硼放入雙腔坩堝的一側(cè)內(nèi)腔中，將稱取的無氧銅塊b和鈦粒放入雙腔坩堝另一側(cè)內(nèi)腔中，雙腔坩堝位于真空感應(yīng)爐內(nèi)，雙腔坩堝下方依次放置有澆注漏斗和水冷銅模；

5、步驟3，在氬氣氣氛下進(jìn)行感應(yīng)熔煉，待原料完全熔化后，通過澆注漏斗澆鑄入水冷銅模中，即獲得鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體；

6、步驟4，對(duì)鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體進(jìn)行形變熱處理，使變形量達(dá)60～70％，即獲得高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料。

7、步驟2中，與放置無氧銅塊a、鎂和氧化硼的坩堝內(nèi)腔正對(duì)的澆注漏斗一側(cè)頂部放置有200～325目鎢網(wǎng)。

8、雙腔坩堝為圓柱形石墨坩堝，內(nèi)部正中間安裝有豎直的擋板，擋板將坩堝內(nèi)腔均分成兩個(gè)單獨(dú)的腔體。

9、步驟3具體過程如下：使用兩級(jí)真空系統(tǒng)將真空感應(yīng)爐內(nèi)空氣排出后，充入高純氬氣，同時(shí)，預(yù)熱澆注漏斗，在氬氣氣氛下進(jìn)行感應(yīng)熔煉，待雙腔坩堝內(nèi)的原料完全熔化后，翻轉(zhuǎn)雙腔坩堝使熔體進(jìn)入澆注漏斗中，熔體經(jīng)過澆注漏斗內(nèi)的熔體流道時(shí)，兩種金屬液充分混合并發(fā)生原位反應(yīng)，最后流入水冷銅模中，獲得鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體。

10、步驟3中，使用兩級(jí)真空系統(tǒng)將真空感應(yīng)爐內(nèi)空氣排出，當(dāng)真空度達(dá)到3.6×10-2pa后，關(guān)閉真空系統(tǒng)，充入高純氬氣，讓爐腔內(nèi)總壓力為-0.05mpa，重復(fù)上述抽真空和充氬氣工序3次，同時(shí)，預(yù)熱澆注漏斗，使?jié)沧⒙┒窚囟壬?100℃，打開感應(yīng)加熱電源，以1kw/min的速率將感應(yīng)加熱功率升至12kw～14kw，待雙腔坩堝內(nèi)的原料完全熔化后，測(cè)量熔體溫度，當(dāng)熔體溫度為1300～1500℃后，保溫3min～5min，隨后翻轉(zhuǎn)雙腔坩堝。

11、步驟4中，對(duì)鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體進(jìn)行形變熱處理，包括先將鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體置于馬弗爐中，升溫至800℃保溫30分鐘后，使用空氣鍛錘進(jìn)行鍛打，每次變形10％后，再置于馬弗爐中升溫至800℃保溫5min，當(dāng)總變形量超過50％后，單次變形為5％，且單次變形后置于馬弗爐中升溫至800℃保溫5min，直至最后總變形量達(dá)到60～70％。

12、本發(fā)明的有益效果如下：

13、(1)通過引入0.5～1.5wt.％過量硼，強(qiáng)制ti元素完全反應(yīng)生成二硼化鈦顆粒，由于銅基復(fù)合材料主要應(yīng)用于電工材料領(lǐng)域中，對(duì)導(dǎo)電性要求較高，而采用原位反應(yīng)制備二硼化鈦銅基復(fù)合材料過程中，由于反應(yīng)難以控制，因此常會(huì)有ti元素殘余，但是復(fù)合材料中ti元素殘余會(huì)直接惡化合金的導(dǎo)電性能，因此，通過過量添加0.5～1.5wt.％的b元素，可保證復(fù)合材料中無ti元素殘留，從而提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，此外，過量的b元素使得復(fù)合材料為銅硼基體，b元素的加入提高了材料的耐磨性，使復(fù)合材料兼具高導(dǎo)電和高耐磨性；

14、(2)由于ti元素和b元素在銅熔體中極易發(fā)生原位反應(yīng)，生成二硼化鈦顆粒，若含鈦的熔體和含b的熔體在澆注前發(fā)生混合，直接導(dǎo)致二硼化鈦顆粒吸附團(tuán)聚，造成復(fù)合材料偏析嚴(yán)重，進(jìn)而影響合金的導(dǎo)電性、耐磨性及強(qiáng)度等性能，本申請(qǐng)通過雙腔坩堝將含鈦的熔體和含b的熔體分離開，從源頭上阻斷了tib2在熔煉過程中生成，有效避免了偏析和團(tuán)聚的產(chǎn)生，最終獲得反應(yīng)完全、均勻彌散分布、綜合性能良好的二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料；

15、(3)由于cu(熔點(diǎn)為1083℃)和b(熔點(diǎn)為2076℃)的熔點(diǎn)差異極大，制備銅硼合金的的常規(guī)辦法是采用粉末冶金的方式，將銅粉和硼粉混合后壓成坯體，然后經(jīng)熱壓燒結(jié)后得到，此辦法效率較低，并無法準(zhǔn)確把握b元素含量，本申請(qǐng)通過以無氧銅塊、鎂和氧化硼為原料，采用熔鹽法制備銅硼中間合金，以添加氧化硼的形式引入b元素，采用氧化還原反應(yīng)的辦法，mg可以將氧化硼中的b還原出來，并生成氧化鎂顆粒，該方法避免了銅硼合金的二次加熱，減少了組元燒損，同時(shí)，該方法無需預(yù)先制備銅硼合金，減少了工序，實(shí)現(xiàn)了短流程制備二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料；

16、(4)通過在放置無氧銅塊a、鎂和氧化硼的坩堝內(nèi)腔正對(duì)的澆注漏斗一側(cè)頂部放置鎢網(wǎng)，可避免生成的氧化鎂顆粒和其他不熔雜質(zhì)進(jìn)入到熔體中；

17、(5)鑄態(tài)的復(fù)合材料中存在細(xì)微的縮孔，通過形變熱處理對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行大塑性變形，能去除材料內(nèi)部存在的細(xì)微鑄造缺陷，并提高復(fù)合材料的強(qiáng)度；

18、(6)本申請(qǐng)制備方法工序較少，成本低，性能上具有極大的競(jìng)爭(zhēng)力，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此具有較大的發(fā)展前途。

技術(shù)特征：

1.高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，其特征在于，所述步驟2中，在雙腔坩堝(1)左側(cè)內(nèi)腔正對(duì)的澆注漏斗(2)一側(cè)頂部放置有200～325目鎢網(wǎng)(4)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，其特征在于，所述雙腔坩堝(1)為圓柱形石墨坩堝，內(nèi)部正中間安裝有豎直的擋板(5)，擋板(5)將坩堝內(nèi)腔均分成兩個(gè)單獨(dú)的腔體。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，其特征在于，所述步驟3具體過程如下：使用兩級(jí)真空系統(tǒng)將真空感應(yīng)爐內(nèi)空氣排出后，充入高純氬氣，同時(shí)，預(yù)熱澆注漏斗(2)，在氬氣氣氛下進(jìn)行感應(yīng)熔煉，待雙腔坩堝(1)內(nèi)的原料完全熔化后，翻轉(zhuǎn)雙腔坩堝(1)使熔體進(jìn)入澆注漏斗(2)中，熔體經(jīng)過澆注漏斗(2)內(nèi)的熔體流道時(shí)，兩種金屬液充分混合并發(fā)生原位反應(yīng)，最后流入水冷銅模(3)中，獲得鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，其特征在于，所述步驟3中，使用兩級(jí)真空系統(tǒng)將真空感應(yīng)爐內(nèi)空氣排出，當(dāng)真空度達(dá)到3.6×10-2pa后，關(guān)閉真空系統(tǒng)，充入高純氬氣，讓爐腔內(nèi)總壓力為-0.05mpa，重復(fù)上述抽真空和充氬氣工序3次，同時(shí)，預(yù)熱澆注漏斗(2)，使?jié)沧⒙┒?2)溫度升至1100℃，打開感應(yīng)加熱電源，以1kw/min的速率將感應(yīng)加熱功率升至12kw～14kw，待雙腔坩堝(1)內(nèi)的原料完全熔化后，測(cè)量熔體溫度，當(dāng)熔體溫度為1300℃～1500℃后，保溫3min～5min，隨后翻轉(zhuǎn)雙腔坩堝(1)。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，其特征在于，所述步驟4中，對(duì)鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體進(jìn)行形變熱處理，包括先將鑄態(tài)二硼化鈦/銅硼塊體置于馬弗爐中，升溫至800℃保溫30分鐘后，使用空氣鍛錘進(jìn)行鍛打，每次變形10％后，再置于馬弗爐中升溫至800℃保溫5min，當(dāng)總變形量超過50％后，單次變形為5％，且單次變形后置于馬弗爐中升溫至800℃保溫5min，直至最后總變形量達(dá)到60～70％。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了高導(dǎo)電高耐磨二硼化鈦/銅硼復(fù)合材料的短流程制備方法，按復(fù)合材料中二硼化鈦的質(zhì)量百分比為1～5wt.％，硼的質(zhì)量百分比為0.5～1.5wt.％，稱取70.0～90.2wt.％無氧銅塊A、5.0～15.3wt.％鎂和4.8～14.7wt.％氧化硼放入雙腔坩堝左側(cè)內(nèi)腔中，以上各組分的質(zhì)量百分比之和為100％，稱取93.1～98.6wt.％無氧銅塊B和1.4～6.9wt.％鈦粒放入雙腔坩堝右側(cè)內(nèi)腔中，以上各組分的質(zhì)量百分比之和為100％，在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，澆鑄入水冷銅模中，最后進(jìn)行形變熱處理；該制備方法解決了現(xiàn)有復(fù)合鑄造法制備的二硼化鈦/銅復(fù)合材料中比重偏析、Ti反應(yīng)不充分的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：張志偉,劉皓天,龐一航,石浩,曹飛,姜伊輝,鄒軍濤,梁淑華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21