一种铜合金复合板材的制备方法

1.本发明涉及一种铜合金复合板材的制备方法，属于铜基材料技术领域。


背景技术：

2.铜和铜合金材料因其具有良好的导电性能和机械性能，被广泛应用于航空航天、高速铁路、超/特高压电器、武器装备、汽车和电子信息等领域。随着上述领域迅猛发展，要求铜合金材料具有更优异的强度、导电性能和载流摩擦磨损性能匹配。目前，上述领域商业化应用的铜合金材料主要为析出强化型铜合金(cu-cr、cu-zr、cu-ni-si等)，载流摩擦条件下该类合金板材往往因为表面摩擦温升而产生磨损失效问题。为解决上述问题，目前研究中有两种途径：其一，在铜合金表面进行表面处理。但常用的表面处理方法将降低铜合金传导性能或存在界面结合力差难以生产化应用；其二，采用性能优异的铜基复合材料进行替代。然而目前铜基复合材料的制备方法往往受到设备规格限制而难以制备出大规格坯料。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种铜合金复合板材的制备方法，能够实现的添加导电碳材的铜合金复合板材的大规格尺寸的商业化生产。
4.为了实现以上目的，本发明的铜合金复合板材的制备方法所采用的技术方案是：
5.一种铜合金复合板材的制备方法，包括以下步骤：在金属基板上放置金属涂覆板，然后在金属涂覆板上盖上金属覆板，再将炸药放在金属覆板上，引爆炸药进行爆炸焊接复合，得到复合板，然后去除复合板表层的金属覆板；所述金属基板为纯铜基板或铜合金基板；所述金属涂覆板包括金属板基体和涂覆在金属板基体上的导电碳材层；用于接触金属基板的金属涂覆板的导电碳材层至少涂覆在金属板基体用于接触金属基板的区域。
6.本发明的铜合金复合板材的制备方法，将涂覆有导电碳材层的金属板基体和金属基板进行爆炸焊接，不仅可以增强导电碳材与金属基板的界面结合强度，实现在铜合金复合板材中添加导电碳材增强铜合金复合板材高温导电性能，并且在爆炸焊时巨大的冲击力使导电碳材扩散到铜合金复合板内进而提高铜合金复合板的耐磨性，降低摩擦系数和材料损耗，同时还可以实现大尺寸铜合金复合板材，进而解决大规格尺寸的铜合金复合板材的商业化生产的难题。
7.可以理解是本发明的铜基金基板可以为带状，接触金属基板的金属涂覆板可以为一个或多个，但这些金属涂覆板的导电碳材层至少涂覆在金属板基体用于与金属基板接触的区域。
8.优选的，所述金属基板为纯铜基板、cu-cr合金基板、cu-zr合金基板、cu-cr-zr合金基板或cu-ni-si合金基板。例如，所述纯铜基板为t2纯铜基板。
9.优选的，所述金属覆板为纯铜覆板或铜合金覆板。
10.优选的，所述金属板基体为铜合金板、钛合金板。
11.优选的，所述铜合金板为纯铜板、cu-cr合金板、cu-ti合金板、cu-cr-zr合金板、
cu-ni合金板、cu-ni-si合金板或cu-be合金板。例如，所述cu-cr合金板为cu-0.76wt.％cr合金板，所述cu-ti合金板为cu-1wt.％ti合金板，所述cu-cr-zr合金板为cu-0.33wt.％cr-0.54wt.％zr合金板，所述cu-ni-si合金板为cu-3.1wt.％ni-0.75wt.％si合金板。
12.优选的，导电碳材层的厚度为0.05-0.2mm，例如为0.1mm或0.15mm。优选的，所述导电碳材层中的导电碳材为碳纳米管、石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或任意组合。所述碳纳米管为单壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或任意组合。所述石墨烯为还原氧化石墨烯。所述石墨为石墨纳米片。所述石墨、石墨烯、氧化石墨烯为微米级颗粒，平均粒径优选为5-50μm，进一步优选为20～30μm，例如平均粒径为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm。碳纳米管为纳米级颗粒，管径优选为2-20nm，长度优选为0.3～4μm。
13.优选的，所述金属基板朝向金属涂覆板的一面上开设有凹槽。进一步优选的，所述凹槽在金属基板表面均匀设置。所述凹槽可以为通槽。
14.优选的，所述金属涂覆板只有一块；所述放置为平铺。
15.优选的，所述金属涂覆板有两块及以上；所述放置是将各金属涂覆板堆叠铺放于金属基板上。采用两块及以上进行堆叠时能够在金属基板表层形成具有层状结构的金属涂覆板复合层。进一步的，任意相邻两金属涂覆板之间设置有支撑体。支撑体用于对堆叠在上方的合金涂覆板进行支撑并使两相邻金属涂覆板之间具有一定间隔，有效施加冲击力。
16.优选的，任意相邻两金属涂覆板的金属板基体的相对面中的至少一个涂覆有导电碳材层。任意相邻两金属涂覆板之间的间隔优选为2.5-5mm。
17.优选的，所述金属涂覆板有两块及以上；所述凹槽用于供金属涂覆板部分插入金属基板中；所述放置是将各金属涂覆板插入所述凹槽中。所述金属基板朝向金属涂覆板的面为平面。可以理解的是所述插入过程中金属涂覆板的两最大平行侧面垂直于金属基板朝向金属涂覆板的面或与朝向金属基板朝向金属涂覆板的面呈锐角。插入后各金属涂覆板相互平行。
18.优选的，所述金属涂覆板除两最大相对平行侧面外，还具有一个平侧面，各金属涂覆板插入金属基板的凹槽后，各金属涂覆板的平侧面共面且各金属涂覆板均位于各自平侧面所在平面的同一侧。各金属涂覆板插入金属基板的凹槽后，各平侧面均与金属基板朝向金属涂覆板的面平行。各平侧面共面时不仅便于爆炸焊炸药的均匀放置，而且能够使金属涂覆板在爆炸焊过程中进行有序塑性变形。
19.优选的，所述凹槽的数量与所述金属涂覆板的数量一致，将金属涂覆板放置在金属基板上时，各凹槽均只插入一块金属涂覆板。各凹槽的形状与对应插入的金属涂覆板插入部位的形状相匹配。
20.优选的，任意两条凹槽相互平行或共线。进一步的，任意两条凹槽相互平行。
21.优选的，所述金属涂覆板的两最大相对平行侧面上均全部涂覆有导电碳材层。
22.优选的，涂覆在金属板基体上导电碳材层对金属板基体形成包覆。导电碳材层对金属板基体完全包覆时，能够在金属基板表层形成具有自润滑作用的层状结构，从而大幅度提高铜合金复合板材的耐磨性能。
23.优选的，涂覆在金属板基体上的导电碳材层是将含有导电碳材的涂覆液涂覆在金属板基体上以后进行加热处理形成的。
24.优选的，所述涂覆液主要由导电碳材、分散剂、粘接剂和溶剂组成。所述溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、甲醚、乙醚、甲乙醚、丙酮、丁酮、甲乙酮、氯仿、四氯化碳、苯、甲苯、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙酸、甲酸甲酯中的一种或任意组合。所述粘接剂为有机粘接剂。所述粘接剂为纤维素、壳聚糖、nafion、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨基甲酸酯中的一种或任意组合。所述分散剂为有机分散剂。所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯及吡咯烷酮、span 80、triton x-100中的一种或任意组合。
25.进一步的，所述加热处理为碳化处理。可以理解的是碳化处理即在无氧气氛中进行的加热处理，碳化处理过程中涂覆液中的有机成分碳化后和导电碳材共同在金属板基体上形成导电碳材层。
附图说明
26.图1为实施例1的步骤4)中将金属涂覆板堆叠放置在合金基板上并在金属涂覆板上放置纯铜合金覆板后的状态示意图；
27.图2为实施例1的步骤步骤4)中制得复合板的结构示意图；
28.图3为实施例3的步骤5)中将金属涂覆板堆叠放置在合金基板上并在金属涂覆板上放置纯铜合金覆板后的状态示意图；
29.图4为实施例3的步骤步骤5)中制得复合板的结构示意图；
30.其中，1-雷管，2-炸药，3-药框，4-纯铜覆板，5-金属涂覆板，6-支撑体，7-金属基板，8-地基，9-爆炸焊接复合后的纯铜覆板，10-金属涂覆板复合层，11-爆炸焊接复合后的金属基板。
具体实施方式
31.以下结合具体实施方式本发明的技术方案作进一步的说明。
32.实施例1
33.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，包括以下步骤：
34.1)取金属基板(长300mm
×
宽300mm
×
厚15mm)和金属板基体(长300mm
×
宽350mm
×
厚3mm)，并将金属基板和金属板基体表面清洗干净；所采用的金属基板为t2纯铜基板，金属板基体为cu-0.76wt.％cr合金板；
35.2)涂镀液配制：将导电碳材、溶剂、分散剂和粘接剂混合均匀，得到涂镀液；采用的导电碳材为平均粒径为30μm的石墨烯，溶剂为n-甲基-2-吡咯烷酮，分散剂为十二烷基苯磺酸钠，粘接剂为环氧树脂；
36.3)金属板基体表面的完全涂覆：将步骤2)制得的涂镀液涂覆在金属板基体的各面，然后置于惰性气体保护的加热炉中进行碳化处理，得到金属板基体表面完全包覆导电碳材层的金属涂覆板；导电碳材层的厚度为0.2mm；
37.4)爆炸焊接：如图1所示，将金属基板7放置在地基8上，然后将4块步骤3)制得的金属涂覆板5堆叠放置在金属基板7上，各金属涂覆板5之间在边缘处用支撑体6支撑使相邻两金属涂覆板间隔5mm，随后用纯铜覆板4覆盖，在纯铜覆板上防放置药框3，并将炸药2放置在纯铜覆板4上的药框3内，用雷管1从一端引爆进行爆炸焊接复合，得到复合板，实现金属涂
覆板和金属基板7的高强度连接；所得复合板的结构如图2所示，包括爆炸焊接复合后的金属基板11、由4块金属涂覆板复合形成的金属涂覆板复合层10以及爆炸焊接复合后的纯铜覆板9。
38.5)覆板去除：爆炸焊工艺后，采用机加工方法将所得复合板表层的爆炸焊接复合后的纯铜覆板9去除。
39.实施例2
40.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，与实施例1的铜合金复合板材的制备方法的区别仅在于：本实施例的步骤4)先在金属基板上开设8条凹槽；将8块步骤2)中得到的金属涂覆板堆叠放置在金属基板上(完全覆盖凹槽)，各金属涂覆板之间在边缘处用支撑体支撑使相邻两金属涂覆板间隔5mm，随后用纯铜覆板覆盖，在纯铜覆板上防放置药框，并将炸药2放置在纯铜覆板上的药框内，再用雷管从一端引爆进行爆炸焊接复合。
41.金属基板上各凹槽的形状相同，凹槽界面长方形，凹槽的宽度为20mm、深度为3mm，长度为300mm；任意两个凹槽相互平行，相邻两凹槽的间距为10mm；各凹槽沿金属基板的长度延伸方向依次排列。
42.实施例3
43.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，包括以下步骤：
44.1)将长方体状的金属板基体(长80mm
×
宽30mm
×
厚3mm)表面清洗干净；所采用的金属板基体为cu-1wt.％ti合金板；
45.2)涂镀液配制：将导电碳材、溶剂、分散剂和粘接剂混合均匀，得到涂镀液；采用的导电碳材为平均粒径为20μm的石墨烯，溶剂为n-甲基-2-吡咯烷酮，分散剂为十二烷基苯磺酸钠，粘接剂为环氧树脂；
46.3)金属板基体表面的完全涂覆：将步骤2)制得的涂镀液涂覆在金属板基体的六面，然后置于惰性气体保护的加热炉中进行碳化处理，得到导电碳材层完全包覆金属板基体的金属涂覆板；导电碳材层的厚度为0.2mm；
47.4)在金属基板(长100mm
×
宽80mm
×
厚20mm)上并行开设8条完全相同的长度为80mm的凹槽，凹槽沿直线延伸且垂直延伸方向的截面为长方形(高2mm
×
宽为4mm)，任意两个凹槽相互平行，相邻两凹槽的间距为2mm；各凹槽沿金属基板的长度延伸方向依次排列且均为通槽；所采用的金属基板为t2纯铜基板；
48.5)爆炸焊接：如图3所示，将金属基板7放在地基8上，设置有凹槽的一面朝上，然后将8块步骤3)制得的金属涂覆板5一一对应插入8条金属基板9的凹槽内，随后在金属基板9上设置用于支撑纯铜覆板4的支撑体，用纯铜覆板4覆盖在金属涂覆板5上，在纯铜覆板4上放置药框3，并将炸药2放置在纯铜覆板4上的药框3内，用雷管1从一端引爆进行爆炸焊接复合，得到复合板，实现金属涂覆板和金属基板的高强度连接；所得复合板的结构如图4所示，包括爆炸焊接复合后的金属基板11、由8块金属涂覆板形成的金属涂覆板复合层10以及爆炸焊接复合后的纯铜覆板9；
49.6)覆板去除：爆炸焊工艺后，采用机加工方法将复合板表层的爆炸焊接复合后的纯铜覆板9去除。
50.实施例4
51.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，与实施例3的铜合金复合板材的制备方
法的区别仅在于：采用的金属板基体为cu-0.33wt.％cr-0.54wt.％zr合金板。
52.实施例5
53.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，与实施例2的铜合金复合板材的制备方法的区别仅在于：本实施例采用的导电碳材为碳纳米管(直径2～20nm，长度0.3～4μm)，溶剂为n-甲基-2-吡咯烷酮，分散剂为十二烷基苯磺酸钠，粘接剂为环氧树脂；采用的金属板基体为cu-3.1wt.％ni-0.75wt.％si合金板。
54.实施例6
55.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，与实施例1的铜合金复合板材的制备方法的区别仅在于：采用的导电碳材层厚度为0.1mm。
56.实施例7
57.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，与实施例1的铜合金复合板材的制备方法的区别仅在于：所采用的金属板基体为cu-3.1wt.％ni-0.75wt.％si合金板。
58.实施例8
59.本实施例的铜合金复合板材的制备方法，与实施例1的铜合金复合板材的制备方法的区别仅在于：两相邻金属涂覆板之间的间隙是2.5mm。
60.实验例
61.分别对实施例1～8中制备的铜合金复合板材的导电率、硬度和摩擦系数以及磨损率进行测试，爆炸焊后将表面金属覆板去除并打磨平整(用于测量)。按国家标准根据《gb/t 32791-2016》，采用sigma 2008 b1涡流检测仪对打磨平整并进行抛光后的试样进行表层导电率测量，测量探头为φ8mm，频率为60khz。硬度测量按国家标准《gb/t 5586-1998》进行，利用hvs-1000型数字显微硬度计对材料硬度进行测试，测试条件为载荷100g，保压时间10s。采用nbit ftm cf200的销-盘式电磨损试验机进行载流摩擦磨损试验。其中销试样为爆炸焊后的复合板材，盘试样为qcr0.5，实验条件为载荷为0.63mpa，线速度为10m/s，电流为10a，摩擦时间为20s，通过测试实验前后销试样的体积变化计算其体积磨损率，根据实验过程中的扭矩变化计算其平均摩擦系数。测试结果见表1。
62.表1爆炸复合板材表层基础性能和载流摩擦磨损性能
63.实施例导电率(％iacs)硬度(hv)摩擦系数磨损率(10-3
mm3·
m-1
)实施例1831250.350.128实施例2801270.370.115实施例3203000.450.231实施例4831100.380.125实施例5432200.420.207实施例6801220.330.132实施例7452250.430.212实施例8821220.360.11