CN103469133A

CN103469133A - 一种高强度高导电纯铜材料及其制备方法

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Publication number: CN103469133A
Application number: CN2013102133094A
Authority: CN
Inventors: 刘敬君
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明涉及一种高强度高导电纯铜材料的制备方法，包括以下步骤：在低温下，将纯铜材料采用高速轧机进行单次或多次的高应变速率轧制处理制造而成。还涉及一种高强度高导电纯铜材料，该纯铜材料为工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％，所述纯铜材料的形状为棒材、线材、板材、带材或者管材中的一种；所述纯铜材料在室温的拉伸强度为500-800MPa，室温电阻率为1.73-1.90(10⁸Ωm)，该纯铜材料具备高强度和高导电性以及与现有技术相比具有低成本和高生产效率的有益效果。

Description

一种高强度高导电纯铜材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制造领域，更具体地说，涉及一种适用于工业纯铜在低温下进行高应变速率轧制制造高强度高导电纯铜材料及其制备方法。

背景技术

作为电的良导体，铜及铜合金广泛应用于电力输送，电机制造，通讯等领域。纯铜导电性好但强度较低。对于一些用途，如电极，连接端子，连接器等同时需要高强度和高导电性能。人们通过合金化、固溶强化等来改善铜的力学性能，但这通常是以降低导电性为代价。此外，一些合金元素对环境具有相当的危害性，如铍铜合金中铍元素对人体有很强的毒副作用。因此，制备出高强度高导电且环境良好的金属材料是材料研究领域的一大挑战。

金属材料的力学性能与其晶粒尺寸密切相关：晶粒尺寸越小，屈服强度越高。对传统粗晶金属材料的力学性能与晶粒尺寸之间的关系进行外推，人们预测当晶粒尺寸小于100nm时金属材料强度和塑性可以同时得到提高(Scr.Metall.Materialia1991；25：811)。目前制备出的纳米金属材料的强度比相应的粗晶材料提高了5-10倍(MRS Bull.1999；24：44)，与预测结果基本相符合。

俄罗斯科学家Valiev等人采用等通道挤压方法(ECAP)制备了亚微米晶体纯铜(J.Mater.Res.2002；17：5)，室温拉伸强度约为400Mpa。

将等通道挤压方法与传统轧制方法相结合，可以在样品中引入更多的位错和得到更小尺寸的晶粒，使样品的强度得到进一步的提高。Wang等人(APL2002，80：2395)对ECAP Cu样品在液氮温度下进行大变形量轧制得到近似等轴的纳米晶粒，与原始的ECAP Cu相比位错密度有大幅增加，晶粒尺寸也有所下降。制备出的样品拉伸强度约为480MPa。

增加样品中晶界等缺陷密度以阻碍位错运动是纳米晶金属的强化的机制。近来的研究表明，纳米尺度的孪晶对金属有类似的强化效果。Han等人(Philosophical Magazine2004；84：3705)在液氮温度下对纯铜进行拉拔，制备出具有高密度纳米尺度孪晶结构的样品，其拉伸强度约为580Mpa，电阻率为1.79×108Ω·m。Zhao等人(Scripta Metall.2005，53：745)在液氮温度下对纯铜进行动态塑性变形(DPD)，制备出的样品具有高密度纳米尺度孪晶和高密度位错的微观结构，拉伸强度达到633MPa。电阻率为1.80×108Ω·m。这两种样品的导电率相近，约为高导无氧纯铜导电率的94％左右，可见室温下孪晶界和位错对传导电子的散射作用很小，因此高密度位错和孪晶的引入可以强化导体而不会严重地降低它的电导率。

上述强化纯铜的方法，或制造成本高，或生产效率低，因而限制了它们在工业上的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中纯铜的强度低、导电性能差、制造成本高以及生产效率低的缺陷，提供一种适用于工业纯铜在低温下进行高应变速率轧制制造高强度高导电纯铜材料的制备方法；本发明要解决的另一技术问题在于，针对现有技术中纯铜的强度低、导电性能差、制造成本高以及生产效率低的缺陷，提供一种适用于工业纯铜在低温下进行高应变速率轧制制造的高强度高导电纯铜材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高强度高导电纯铜材料的制备方法，包括以下步骤：

在低温下，将纯铜材料采用高速轧机进行单次或多次的高应变速率轧制处理制造而成。

在本发明所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法中，所述轧制过程中的轧制温度范围是-50℃至-200℃。

在本发明所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法中，所述轧制过程中的轧制平均应变速率是50至10⁴s^-1。

在本发明所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法中，所述轧制平均应变速率的计算方式为计算轧制过程中变形区内各断面应变速率的均值。

在本发明所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法中，所述高应变量为1至4。

在本发明所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法中，所述高应变量的计算方式为ε＝ln(l/L)，其中，ε为应变量，L为材料轧制前长度，l为材料轧制后的长度。

本发明解决其另一技术问题所采用的技术方案是：构造一种高强度高导电的纯铜材料，该纯铜材料为工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％。

在本发明所述的高强度高导电纯铜材料中，所述纯铜材料的形状为棒材、线材、板材、带材或者管材中的一种；所述纯铜材料在室温的拉伸强度为500-800MPa，室温电阻率为1.73-1.90(10⁸Ωm)。

实施本发明的高强度高导电纯铜材料及其制备方法，具有以下有益效果：本发明将纯铜材料在低温下采用高速轧机进行单次或多次的高应变速率轧制处理制造而成，具备高强度和高导电性以及与现有技术相比具有低成本和高生产效率的特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的高强度高导电纯铜材料的典型成品透射电镜照片；

图2是本发明的高强度高导电纯铜材料的典型成品拉伸曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明的高强度高导电纯铜材料的典型成品透射电镜照片，图2示出了本发明的高强度高导电纯铜材料的典型成品拉伸曲线，如图2所示，横轴表示工程应变，纵轴表示工程应力，在图2中，纯铜材料的拉伸强度峰值能达到600多MPa，采用本发明制备方法制成的高强度高导电纯铜材料的拉伸强度最优，本发明的一种高强度高导电纯铜材料的制备方法，包括以下步骤：在低温下，将纯铜材料采用高速轧机进行单次或多次的高应变速率轧制处理制造而成，其中，高速轧机为现有技术中常见的设备。

进一步地，在轧制过程中，所轧制的温度范围是-50℃至-200℃，轧制过程中的轧制平均应变速率是50至10⁴s^-1。

进一步地，轧制平均应变速率的计算方式为计算轧制过程中变形区内各断面应变速率的均值，所述高应变量为1至4，所述高应变量的计算方式为ε＝ln(l/L)，其中，ε为应变量，L为材料轧制前长度，l为材料轧制后的长度。

在本发明中，采用上述制备方法制成的纯铜材料，该纯铜材料为工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％，其余为杂质。

进一步地，所述纯铜材料的形状为棒材、线材、板材、带材或者管材中的一种；所述纯铜材料在室温的拉伸强度为500-800MPa，室温电阻率为1.73-1.90(10⁸Ωm)，在以上实施例中，纯铜材料的形状也可以为其他传统轧制方式制备的形状。

实施例1

采用高速轧制设备制备高强度高导电纯铜带材材料：所采用的设备为高速轧机，在轧制温度为-50℃下，并且轧制平均应变速率为5000s^-1，累计应变量为1的条件下进行制备，其中原材料为退火态工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％，其余为不可避免之杂质，每道次变形量约为0.2，共5次处理制得微观结构为高密度纳米孪晶和高密度位错的样品，如图1所示。其室温拉伸屈服强度524MPa，室温拉伸强度551Mpa，室温电阻率为1.79(10⁸Ω·m)。

实施例2

采用高速轧制设备制备高强度高导电纯铜线材材料：所采用的设备为高速轧机，在轧制温度为-60℃下，并且轧制平均应变速率为100s^-1，累计应变量为3.6的条件下进行制备，其中原材料为加工硬态工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％，其余为不可避免之杂质，每道次变形量约为0.4，共9次处理制得微观结构为高密度纳米孪晶和高密度位错的样品，如图1所示。其室温拉伸屈服强度652MPa，室温拉伸强度689Mpa，室温电阻率为1.81(10⁸Ω·m)。

实施例3

采用高速轧制设备制备高强度高导电纯铜管材材料：所采用的设备为高速轧机，在轧制温度为-196℃下，并且轧制平均应变速率为9000s^-1，累计应变量为4的条件下进行制备，其中原材料为加工硬态工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％，其余为不可避免之杂质。每道次变形量约为1，共4次处理制得样品，如图1所示。其室温拉伸屈服强度775MPa，室温拉伸强度789Mpa，室温电阻率为1.88(10⁸Ω·m)。

实施例4

采用高速轧制设备制备高强度高导电纯铜棒材材料：所采用的设备为高速轧机，在轧制温度为-196℃下，并且轧制平均应变速率为50s^-1，累计变形量为1的条件下进行制备，其中原材料为退火态工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％，其余为不可避免之杂质。每道次变形量约为0.2，共5次处理制得微观结构为高密度纳米孪晶和高密度位错的样品，如图1所示。其室温拉伸屈服强度653MPa，室温拉伸强度681Mpa，室温电阻率为1.80(10⁸Ω·m)。

实施例5

采用高速轧制设备制备高强度高导电纯铜棒材材料：所采用的设备为高速轧机，在轧制温度为-120℃下，并且轧制平均应变速率为1000s^-1，累计应变量为2.5的条件下进行制备，其中原材料为退火态工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％，其余为不可避免之杂质。每道次变形量约为0.5，共5次处理制得微观结构为高密度纳米孪晶和高密度位错的样品。其室温拉伸屈服强度733MPa，室温拉伸强度751Mpa，室温电阻率为1.80(10⁸Ω·m)。

本发明将纯铜材料在低温下采用高速轧机进行单次或多次的高应变速率轧制处理制造而成，具备高强度和高导电性以及与现有技术相比具有低成本和高生产效率的特点。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种高强度高导电纯铜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法，其特征在于，所述轧制过程中的轧制温度范围是-50℃至-200℃。

3.如权利要求1所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法，其特征在于，所述轧制过程中的轧制平均应变速率是50至10⁴s^-1。

4.如权利要求3所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法，其特征在于，所述轧制平均应变速率的计算方式为计算轧制过程中变形区内各断面应变速率的均值。

5.如权利要求1所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法，其特征在于，所述高应变量为1至4。

6.如权利要求5所述的高强度高导电纯铜材料的制备方法，其特征在于，所述高应变量的计算方式为ε＝ln(l/L)，其中，ε为应变量，L为材料轧制前长度，l为材料轧制后的长度。

7.一种由权利要求1至6中任一项所述制备方法制成的纯铜材料，其特征在于，该纯铜材料为工业纯铜，其铜元素含量大于99.5％。

8.如权利要求7所述的纯铜材料，其特征在于，所述纯铜材料的形状为棒材、线材、板材、带材或者管材中的一种；所述纯铜材料在室温的拉伸强度为500-800MPa，室温电阻率为1.73-1.90(10⁸Ωm)。