一种碳纳米管增强铜基合金的配方及一种粉末注射成型工艺

摘要

本发明涉及一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管增强铜基合金的配方及一种粉末注射成型工艺。

背景技术

碳纳米管增强铜合金既具有铜合金优良的导热、导电性能，同时也具有复合材料的热膨胀系数低、耐磨性好、耐热强度好等特性。主要应用于航空、航天、能源、汽车等领域，如半导体、导电轨、电触头、自润滑轴承等。目前，主要是通过碳纤维表面镀铜或镍等，再通过与铜或铜合金粉末进行混料、成型、烧结成型，并结合热轧等后处理工艺获得高性能碳纳米管增强铜合金复合材料。

碳纳米管与铜不浸润，复合材料的界面结合力相对较弱。目前普遍采用碳纳米管表面涂层工艺，获得可增加浸润的金属涂层，来改善复合材料的强度。因此，该工艺技术路线相对繁琐，生产成本相对较高。

发明专利内容

本发明第一个的目的是提供一种高效的碳纳米管增强铜基合金的配方。

实现本发明目的的技术方案是：本发明包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，所述纳米管的规格为：长度10-30μm，管径5-10nm，纯度≥97％；所述CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为0.9-1.1％，O的含量≤0.15％，其余成分均为Cu元素；所述CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3-4μm，D50粒度分布为9-10μm，D90粒度分布为24.0-25μm；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

上述粘结剂为一种塑基体系粘结剂。

本发明第二个的目的是提供一种技术先进、生产高效的粉末注射成型工艺。

实现本发明目的的技术方案是：本发明包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气的纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒：通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型：将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结：在110±10℃温度下，采用草酸纯将毛坯件催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，然后在氢气气氛、1040±5℃温度下保持2-4小时烧结成型。

本发明具有积极的效果：(1)本发明通过铜合金粉末成分设计与制备、喂料原料制备，结合粉末注射成型技术制备碳纳米管增强铜合金复合材料零件。

(2)本发明与纯铜相比，CuCr1合金改善了碳纳米管与铜基体的浸润性与界面结合力。

(3)本发明技术采用粉末注射成型技术，满足目前先进科技行业对高强度、高导热、高耐磨铜、热膨胀系数低铜合金零件的高精度、高复杂结构、高效率和规模化生产等要求。

具体实施方式

(实施例一)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度10μm，管径10nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为0.9，O的含量0.15％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3μm，D50粒度分布为10μm，D90粒度分布为24.5μm，所述粘结剂为一种塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒:通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型:将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110℃温度下，采用草酸纯度催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例二)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度11μm，管径9nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为0.92％，O的含量0.14％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为4μm，D50粒度分布为9μm，D90粒度分布为25μm，所述粘结剂为一种塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒：通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型:将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例三)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度12μm，管径8nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为0.94％，O的含量≤0.13％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3.5μm，D50粒度分布为9.5μm，D90粒度分布为24μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒：通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型：将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结：在110℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例四)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度13μm，管径7nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为0.96％，O的含量0.12％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3.4μm，D50粒度分布为9.2μm，D90粒度分布为24μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒:通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型:将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例五)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度15μm，管径7nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为0.98％，O的含量0.11％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3.6μm，D50粒度分布为9.5μm，D90粒度分布为24.6μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒：通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型:将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例六)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度18μm，管径9nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为1％，O的含量0.1％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3.6μm，D50粒度分布为9.4μm，D90粒度分布为24.8μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒：通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型：将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110±10℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040±5℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例七)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度22μm，管径8nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为1.02％，O的含量≤0.09％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3-4μm，D50粒度分布为9-10μm，D90粒度分布为24.3μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒:通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型:将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例八)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度24μm，管径8nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为1.06％，O的含量0.08％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3.8μm，D50粒度分布为9.2μm，D90粒度分布为24.6μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒：通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型：将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结：在110℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例九)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度25μm，管径7nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为1.08％，O的含量≤0.06％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3.6μm，D50粒度分布为9.3μm，D90粒度分布为24.9μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒:通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型:将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110℃温度下，采用草酸催化脱脂，草酸纯度≥99.6％，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

(实施例十)

本发明具有提供一种碳纳米管增强铜基合金的配方，包括碳纳米管，还包括CuCr₁合金粉末和粘结剂，纳米管的规格为：长度26μm，管径9nm，纯度≥97％；CuCr₁合金粉末的成分为：Cr的含量为1.1％，O的含量0.14％，其余成分均为Cu元素；CuCr₁合金粉末的规格为：D10粒度分布为3.8μm，D50粒度分布为9.1μm，D90粒度分布为25μm，所述粘结剂为塑基体系粘结剂；

CuCr₁的重量占总重量的99.4％，碳纳米管的重量占总比重的0.6％。

本发明还涉及一种粉末注射成型工艺，包括以下步骤：

A、制备喂料：将上述碳纳米管增强铜基合金在三维混合机中进行充分混合，得到均匀分散的碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物；再通过气氛保护混炼技术，在温度为190±5℃下、氩气保护下，氩气纯度≥99.999％，将碳纳米管与CuCr₁合金粉末混合物、粘结剂混炼2-3小时，所得喂料熔指为1000-1200g/10min；

B、造粒:通过造粒机将通过碳纳米管铜基合金的制备方法中混炼好的喂料制备成固定颗粒形态的注射用的喂料原料；

C、注射成型:将喂料原料注入注射机的料筒中，然后由注射机喷嘴注入模具中成型，出模制得碳纳米管增强铜合金复合材料毛坯件；

D、脱脂、烧结:在110±10℃温度下，采用草酸(纯度≥99.6％)催化脱脂，脱脂率≥7.3％。然后在氢气气氛、1040±5℃温度下保持2-4小时烧结成型，烧结密度≥8.4g/cm³；

所得成品的主要技术指标有：密度ρ≥8.4g/cm³，硬度Hv80-100HV_0.3，屈服强度σs≥280Mpa，抗拉强度≥400Mpa，导电率IACS≥70％，导热系数≥220W/mk，热膨胀系数≤10×10-6℃^-1。

以上所述的具体实施例，对本发明专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明专利的具体实施例而已，并不用于限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。