機械合金化法制備銅復合材料工藝研究

王 琛

（西安職業技術學院機電工程學院，陜西西安 710003）

機械合金化法，即MA，其本質是一系列的物理化學變化，能夠完成固態合金化，使用的主要工具是研磨機，使用研磨球也可以達到同樣的效果。借助研磨機，粉末不斷變形，甚至破碎，以實現原子粒度的合金化。這種技術由來已久，最早可以追溯到1969年，是美國國際鎳公司發明的，“球磨”混合是這種技術最初的名字[1]。與傳統工藝相比，借助MA工藝合成的材料在諸多方面具有優勢，比如：力學性能、顯微組織等。這些優勢在鋁合金的制備方面體現得較為明顯。借助機械合金化的方法，能夠制備出高熔點的合金。

1 機械合金化的原理

機械合金化主要是借助球磨機對粉末進行混合，可以是兩種粉末混合，也可以是多種粉末混合，通過球磨機的擠壓和延展等作用，實現對粉末的機械混合。在擠壓、破碎以及斷裂等多項作用下，粉末能夠不斷進行擴散以及固態反應，最終達到合金化目的。另外，為了達到更好的合金化效果，還可以加入界面以及位錯等，當組元處于室溫時即能夠進行擴散，同時還能夠產生相變，從這個角度來看，機械合金化能夠為煉制具有特殊性能的合金材料提供有效手段。粉末間破裂以及聚合的過程與組元特點息息相關。同時，根據粉末特點的不同，粉末構成的主要元素又可分為三類，具體為：

1）塑性和塑性：這種煉制合金的機制將沖壓折疊減薄法作為基本原則，該方法由新宮秀夫提出，兩種塑性粉末要不斷分離聚合，直至變為雙層重疊的狀態。

2）塑性和脆性：這種煉制合金的機制主要在于球磨工序的變化，這種變化主要體現在兩個方面，一是脆性破裂，塑性基體會被多次擠壓，其組織將會進一步細化；二是脆相性與塑性基體相融合。

3）脆性和脆性：相對于前兩種煉制機制而言，有關這種機制的報道較少。人們對該機制的認識是在逐步加深的，最初該領域的專家和學者認為這樣的機制無法發生合金化。通過實驗，Si-28% atGe混合粉末在球磨機的碰撞之下，可以進行合金化。在這個實驗成功后，人們認識到這種脆性組合材料能夠合金化的最重要原因是，球磨碰撞產生的高溫，能夠導致顆粒擴散。

2 球磨工藝對焊粉的影響

2.1 球料比對焊粉顆粒形貌的影響

焊粉主要是由56Ag44Cu構成的，球磨的過程中需要采用無水乙醇，轉速為300r/min，時長為60h，料與球的比例具體可分為三種，一是10∶1、二是15∶1、三是20∶1。

伴隨投入的球和料的比例持續增加，顆粒破碎的速度持續加快，顆粒的形態也在逐漸發生改變，從片狀逐漸轉變為等軸狀，除此之外，顆粒的大小也發生改變，一般小于10μm。銀和銅粉末具有一定的延展性，當球的投入是料的10倍時，在持續的碰撞和摩擦的情況下，顆粒會變成片狀。再進一步增加二者的投入比例時，撞擊的次數愈加頻繁，同時，伴隨斷裂以及冷焊的持續，顆粒會被焊合在一起，從而形成復合組織，當顆粒逐漸變小時，相對較大的顆粒會出現裂紋。當球的投入是料的20倍時，伴隨碰撞進一步加劇，顆粒會破碎，破碎后的顆粒比之前更加細膩、均勻。

2.2 球磨轉速對焊粉顆粒形貌的影響

56Ag44Cu是構成焊粉的主要成分，球磨時間一般為60h，球與料之間的比例是20∶1，轉速有三種，一是250r/min，二是300r/min，三是400r/min。通過控制變量法對球磨過程進行研究，其他參量不變，可以發現，球磨速度和其轉速呈現出同方向的變化，同時，碰撞概率也和轉速呈現出同方向的變化。球磨轉速的提高能夠產生兩個方面的影響，一是粉末接受的能量進一步提高；二是磨球和粉末摩擦、碰撞會更加頻繁，這些都能夠提升固相反應的效率。同時，轉速提升對顆粒形狀、狀態也會產生影響，一是粒徑減小，二是等軸狀顆粒增加。當球的轉速為250r/min，銀銅延性粉末將會變為片狀，并且不會破碎。當轉速較低時，由于能量不足，合金化過程很難發生，即使增加碰撞的時間，也不會實現固溶。另外，在粉末細化程度較高的情況下，球磨能夠使粉末硬化，不同層之間的距離將會逐漸縮小，此時，能夠達到合金化的效果。

2.3 球磨時間對焊粉顆粒結構的影響

焊粉制備所需要的球與料之間的比例是20∶1，球的轉速的是400r/min，伴隨球磨時長增加，顆粒逐步被細化，特征持續減弱，主要表現在：銀和銅衍射峰持續下降，同時寬化現象較為突出，在球磨時長超過40h的情況下，銅單質峰就不會出現。銀特征峰的形態也將發生變化，呈現出高角度偏移的狀態。峰形變化的原因是：合金化不斷推進，銅原子與銀發生置換反應，晶格收縮，在球磨時長為60h的情況下，衍射峰基本不變，整體更加穩定。

3 不同壓制壓力下的銅基復合材料的抗彎強度和電阻系數

機械球磨之后，要進行下一個程序，即壓制工藝，并且需要嚴格把控壓力的大小，最好將其置于250MPa～500MPa之間，達到限定的壓力后，應該使機器處于保載的狀態，并持續1min，最終，壓坯的長、寬、高分別是50mm、6mm和6mm。結束壓制后，需要進入到燒結工序中，溫度需要調節到880℃，并設定2h的保溫，才能獲取銅基復合材料。在壓制的過程中，伴隨壓強的持續升高，材料的各項性能發生持續變化，主要表現為抗彎強度提高，電阻系數減小，并且系數的變化會隨著壓強的變化呈現出不同的強度。在壓強250MPa持續提高到400MPa的情況下，這兩種特性的變化突出，在超過400MPa的情況下，二者的變化將逐漸減小。主要原因在于壓強提升，粉末內部緊密度上升，直接導致電阻系數減小，壓強持續增加，對緊密度不再產生重大影響。

壓坯還需要經過燒結工藝，在壓強為400MPa的情況下，改變溫度和時間，進一步探討燒結工藝給材料屬性帶來的變化。在溫度為840℃至940℃之間的情況下，時間設定為兩個小時。伴隨溫度的持續上升，材料強度也在不斷發生變化，表現為先升后降。在溫度為920℃的情況下，抗彎強度能夠達到最大，與此相反，電阻系數一直減小。綜上所述，可以得出這樣的結論，抗彎強度以及電阻系數在920攝氏度的情況下達到最佳。其他變量不變，繼續探討燒結時間對材料屬性的影響。壓強應該是400MPa，溫度應該設定在920℃，時間最好能夠控制在1h～3.5h，時間的長短會對材料的屬性產生影響，主要體現在抗彎強度以及電阻系數方面的變化，時間延長，強度將會提升，系數將會減小。2.5h是一個臨界的燒結時間，如果將時間控制在2.5h以內，強度的變化劇烈；如果在2.5h以上，則不能夠對強度產生較大的作用。

從電阻系數的角度來說，燒結時間不超過2.5h，系數將會大幅降低，如果超過這個時長，則燒結時間的延長對電阻系數將不再產生大幅影響。原因在于，燒結時間延長能夠對材料多方面的屬性產生影響，比如：原子進一步擴散，孔隙減少，密度增加等，一系列的變化能夠造成電子系數降低。伴隨燒制時間延長，原子將進一步擴散，內部缺陷也將逐步減少，但隨著燒制時間的延長，超過了一定的時限，這些效果則將逐漸減弱。因此，實驗證明，燒結時間是2.5h，材料的多項屬性能夠達到最佳，比如抗彎強度以及電阻系數。

4 結束語

1）增加球磨時間，平均顆粒度將會逐漸下降。

2）提升壓制壓強，將會導致抗彎強度增加，電阻系數下降；伴隨燒結溫度升高，材料強度先升后降，920℃時達到峰值；增加燒結時間，將會強化抗彎強度，電阻系數下降。

3）在球磨時長40h，壓制壓強為400MPa、燒結溫度為900℃、燒結時長為2.5h的條件下，是機械合金化法制備銅復合材料的最佳工藝。