CN102534293A - 一种高强度超细晶块体铜锗合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强度超细晶块体铜锗合金及其制备方法，该高强度超细晶块体铜锗合金由下列组分组成：铜的质量百分比为99.89%～89.85%，锗的质量百分比为0.11%～10.15%。通过将纯铜和纯锗按比例混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；再真空退火、然后进行锻造；再真空退火获得均匀的微观组织；接着浸入液氮中冷却，最后进行锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金。通过加入锗元素降低铜的层错能，引入大量变形孪晶，使铜锗合金获得较高的强度，从而获得比较优异的力学性能。本发明通过简单的制备过程，即可获得室温拉伸强度为467～802MPa的铜锗合金。
Description
技术领域
本发明涉及超细晶块体金属材料及其制备方法，具体地说是一种高强度超细晶铜锗合金，以及利用低温大塑性变形制备超细晶铜锗合金的方法，属于超细晶金属材料加工技术领域。
背景技术
通常强化金属的方法有固溶强化、弥散强化、加工硬化、细晶强化等，其中细晶强化反映了晶粒大小与材料强度的关系（Hall－Petch关系），是唯一能同时提高强度、改善塑性与韧性的有效手段。目前，通常采用大塑性变形（Severe Plastic Deformation，SPD）方法来制备界面清洁、密实的块体超细晶材料。但研究表明，用大塑性变形方法制备的金属材料，晶粒尺寸可以降低到1μm以下，强度可以得到极大提高，但室温拉伸塑性却很低。这就极大地限制了超细晶材料的工程应用。
低塑性的主要原因是晶粒尺寸小以及位错密度已经达到饱和，使得超细晶材料加工硬化能力缺失，过早发生断裂。位错和孪生是金属材料塑性变形的两种基本方式。通过孪生变形可以产生大量的共格孪晶界。孪晶界是一种特殊的晶界，比普通晶界更加稳定。孪晶界可有效阻碍位错，具有和普通晶界相似的强化作用，又可作为位错的滑移面储存大量位错，提高材料的加工硬化能力，从而提高材料的拉伸塑性。
纯铜具有面心立方结构和中等层错能，在室温或低速率变形条件下，主要通过位错滑移来产生塑性变形，不会产生变形孪晶。研究表明，通过调整以下的材料参数和变形条件有利于高密度变形孪晶的形成：降低层错能；提高应变速率；降低变形温度；减小晶粒尺寸。
要降低层错能，可以往纯铜里添加适当的其他元素。研究表明，在纯铜里加入适量的锗形成铜锗合金，可以大大地降低层错能。采用冷塑性加工的工艺制备高强度超细晶铜锗合金，可以在提高强度的同时还能获得一定的塑性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用合金化降低层错能，通过在低温条件下的大塑性变形工艺，在铜锗合金内部引入变形孪晶，从而制备出高强度超细晶铜锗合金，获得比超细晶纯铜更好的综合力学性能。该方法成本低，加工工艺简单，通过下列技术方案实现。
本发明提供所述一种高强度超细晶块体铜锗合金，由下列组分组成：铜的质量百分比为99.89%～89.85%，锗的质量百分比为0.11%～10.15%。
本发明的另一目的在于提供一种高强度超细晶块体铜锗合金的制备方法，经过下列各工艺步骤：
A．将纯度为99.95%～99.99%的纯铜和纯度为99.95%～99.99%的纯锗，按铜的质量百分比为99.89%～89.85%、锗的质量百分比为0.11%～10.15%混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在700℃～900℃下进行真空退火1～3小时；
C、在温度为700℃～900℃、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在700℃～900℃下进行真空退火1～3小时，以消除内应力，获得均匀的微观组织；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度范围为低于-100℃并高于液氮温度、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为99.89%～89.85%，锗的质量百分比为0.11%～10.15%。
所述退火处理为现有技术中的常规退火工艺。
所述锻造为现有技术中的常规锻造工艺。
本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：采用上述方案，通过加入锗元素降低铜的层错能，从而获得比较优异的力学性能；即通过对合金含量、变形温度和变形量的控制，使低层错能铜锗合金在低温（液氮温度）下，尽量提高变形速率，发生大塑性变形，引入大量变形孪晶，使铜锗合金获得较高的强度。本发明通过简单的制备过程，即可获得室温拉伸强度为467MPa～802MPa的铜锗合金，为获得较高强度，同时塑性又较好的铜锗合金奠定了基础。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
A．将纯度为99.95%的纯铜和纯度为99.99%的纯锗，按铜的质量百分比为99.89%、锗的质量百分比为0.11%混合后，在中频感应熔炼炉中进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在840℃下进行常规真空退火2小时；
C、在温度为800℃、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行常规锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在840℃下进行常规真空退火2小时，以消除内应力，获得均匀的微观组织；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度范围为低于-100℃并高于液氮温度、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行常规锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为99.89%，锗的质量百分比为0.11%。制得的超细晶块体铜锗合金在室温下的拉伸屈服强度为467MPa。
实施例2
A．将纯度为99.99%的纯铜和纯度为99.95%的纯锗，按铜的质量百分比为93.54%、锗的质量百分比为6.46%混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在840℃下进行常规真空退火2小时；
C、在温度为800℃、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行常规锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在840℃下进行常规真空退火2小时，以消除内应力，获得均匀的微观组织；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度范围为低于-100℃并高于液氮温度、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行常规锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为93.54%，锗的质量百分比为6.46%。制得的超细晶块体铜锗合金在室温下的拉伸屈服强度为770MPa。
实施例3
A．将纯度为99.96%的纯铜和纯度为99.98%的纯锗，按铜的质量百分比为89.85%、锗的质量百分比为10.15%混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在840℃下进行常规真空退火2小时；
C、在温度为800℃、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行常规锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在840℃下进行常规真空退火2小时，以消除内应力，获得均匀的微观组织；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度范围为低于-100℃并高于液氮温度、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行常规锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为89.85%，锗的质量百分比为10.15%。制得的超细晶块体铜锗合金在室温下的拉伸屈服强度为802MPa。
实施例4
A．将纯度为99.99%的纯铜和纯度为99.99%的纯锗，按铜的质量百分比为96.36%、锗的质量百分比为3.64%混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在700℃下进行常规真空退火3小时；
C、在温度为900℃、变形速率为10-4/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行常规锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在900℃下进行常规真空退火1小时，以消除内应力，获得均匀的微观组织；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度为-100℃、变形速率为102/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行常规锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为96.36%，锗的质量百分比为3.64%。制得的超细晶块体铜锗合金在室温下的拉伸屈服强度为582MPa。
实施例5
A．将纯度为99.95%的纯铜和纯度为99.98%的纯锗，按铜的质量百分比为94.3%、锗的质量百分比为5.7%混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在900℃下进行常规真空退火1小时；
C、在温度为700℃、变形速率为102/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行常规锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在700℃下进行常规真空退火3小时，以消除内应力，获得均匀的微观组织；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度为-196℃、变形速率为10-4/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行常规锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为94.3%，锗的质量百分比为5.7%。制得的超细晶块体铜锗合金在室温下的拉伸屈服强度为726MPa。
实施例6
A．将纯度为99.99%的纯铜和纯度为99.98%的纯锗，按铜的质量百分比为91.0%、锗的质量百分比为9.0%混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在800℃下进行常规真空退火3小时；
C、在温度为750℃、变形速率为10-3/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行常规锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在820℃下进行常规真空退火2小时，以消除内应力，获得均匀的微观组织；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度为-150℃、变形速率为10-3/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行常规锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为91.0%，锗的质量百分比为9.0%。制得的超细晶块体铜锗合金在室温下的拉伸屈服强度为785MPa。
Claims (4)
1.一种高强度超细晶块体铜锗合金，其特征在于由下列组分组成：铜的质量百分比为99.89%～89.85%，锗的质量百分比为0.11%～10.15%。
2.一种权利要求1所述高强度超细晶块体铜锗合金的制备方法，其特征在于经过下列各工艺步骤：
A．将纯度为99.95%～99.99%的纯铜和纯度为99.95%～99.99%的纯锗，按铜的质量百分比为99.89%～89.85%、锗的质量百分比为0.11%～10.15%混合后进行熔炼，浇铸成铜锗合金棒材；
B．将步骤A所得铜锗合金棒材在700℃～900℃下进行真空退火1～3小时；
C、在温度为700℃～900℃、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，对步骤B所得铜锗合金棒材进行锻造；
D、将步骤C所得铜锗合金在700℃～900℃下进行真空退火1～3小时；
E、将步骤D所得铜锗合金浸入液氮中冷却至合金自身温度达到液氮温度后取出；
F、在变形温度范围为低于-100℃并高于液氮温度、变形速率为10-4/s～102/s的条件下，再次对步骤E所得铜锗合金进行锻造，从而制得含变形孪晶的高强度超细晶块体铜锗合金，其铜的质量百分比为99.89%～89.85%，锗的质量百分比为0.11%～10.15%。
3.根据权利要求2所述的高强度超细晶块体铜锗合金的制备方法，其特征在于：所述退火为现有技术中的常规退火工艺。
4.根据权利要求2所述的高强度超细晶块体铜锗合金的制备方法，其特征在于：所述锻造为现有技术中的常规锻造工艺。
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