CN104342627B - 一种纯铜材料表面强化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纯铜材料表面强化处理方法，属于金属材料加工技术领域；本发明将纯铜材料于400~700℃的温度下退火2~4小时，利用高能离子注入机，在真空度≤1×10‑4，能量100keV，注入计量2×10‑17~5×10‑17 ions/cm2的条件下对退火后的纯铜板高能离子注入铌，然后在真空环境或液氮环境表面纳米化试验机频率为20‑50Hz，100‑200颗钢条件下，对高能离子注入纯铌后的铜板进行高应变速率的撞击变形处理，时间为5~30min，从而制得高强度高导电性具有稳定的超细晶纳米梯度纯铜材料；本发明所述方法制备过程简单，即可获得强度为纯铜退火粗晶状态3倍以上的表面注铌铜材；本发明制备的高强度高导电性纯铜材料在迅速发展的电力、电子、计算机等领域具有重要的价值和应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种纯铜材料表面强化处理方法，属于金属材料加工技术领域。
背景技术
铜很早就被人类所发现并得到了广泛的应用，如今，铜和铜合金已经大量的应用在很多行业，例如电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，其也是与人类关系非常密切的有色金属之一。2013年全球铜产量达2110万吨，其中，中国的铜产量达630万吨，虽然如此多的铜已经在生产和生活中得到了应用，但是往往铜的强度和硬度都很低，一些重要的场合难以使用；加入其他合金元素固溶强化或第二相强化后，导电性会大幅降低，也难以达到使用的要求，影响其在电子行业的实用。而通过表面改性的方法（如化学镀、电子束、激光束、气相沉积、热喷涂等）改善其性能的工艺比较复杂，对设备的要求较高，能耗比较大成本较高，并且很难大幅提高纯铜的表面强度和硬度。近年来，人们越来越关注不改变成分而通过大塑性变形的方法来制备超细晶材料。超细晶材料由于具有大量的晶界有效地阻碍了位错的运动，根据Hall－Petch关系，多晶材料的强度或硬度与其晶粒尺寸的平方根成反比。因此细晶强化作用尤为明显。目前，常见的大塑性变形的方法有等径角挤压、高压扭转、叠轧等。但以上方法制备过程复杂，而且很难制备出很大的样品也难实用与连续化的工业生产。
超细晶材料虽然有如此多的优点但是往往属于热力学不稳定的状态，如何稳定细晶防止细晶的长大亟待解决，这极大的影响着材料本身的寿命问题。也关系重大工程项目的安危问题。如何使晶粒细化到微米级甚至纳米级并且稳定存在是当今材料领域的焦点之一。
铜铌合金将熔点及强度高的铌与高导电导热性的铜复合，具有优良的特殊性能的材料，弥散分布于铜基体的铌有效增强铜合金强度，并因为该体系呈正生成焓（+4KJ·mol-1），固态互溶度有限，对合金电导性的不利影响很小且铌高温强度大，因此铜铌合金强度高，导电导热性、高温应力疲劳抗性和电介质粘附性优异，在微电子、航空、热交换领域前景广阔。但由于铜铌属于难混溶体系常规的熔铸工艺难以制备均质化的铜铌复合材料。现有复合技术有：形变复合法、机械合金化法及物理气相沉积法。形变复合法包括：形变原位和非原位复合法，原位法通过熔炼或粉末冶金使铜铌混合均匀再经过大变形冷轧或冷拉使其变形获得铌纤维间距为10-100nm的纳米复合材料。形变非原位复合法制备熔化变形和捆扎变形两种制备方法，主要是将细的铌丝和基材铜复合然后热挤压然后再反复的工艺；其制备出来的都是具有纤维流向的复合材料，其界面也不一定融合很好而且工艺及其复杂成本很高。Botcharova等用机械合金化法（Mechanical Alloying）制备了铜铌复合材料，并研究了退火对材料的影响，证明了铌对稳定细晶铜的作用，但是最大固溶度为10at%铌；磁控溅射和离子束改性等只能做到表面改性制备薄膜材料。
为了解决以上现有技术的缺点，本发明利用高能离子注入表面改性的基础上加入表面大塑性变形的方法，制备表面铜铌均质混合的极其稳定的超细晶纳米梯度材料，心部导电性良好，表层具有极高的强度、硬度。梯度的成分变化，晶粒大小和应力分布使这种材料具有极其优异的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度高导电性纯铜材料表面强化处理方法，利用高能离子注入的方法将铌元素注入到高纯退火铜板（纯度≥99.95%）表面，并加以高应变速率的表面纳米化处理，改变铜板表面层为稳定的超细晶或纳米梯度材料，从而制备出一种表面强化处理的高强度高导电性纯铜材料，具体包括以下步骤：
（1）将纯铜材料于400~700℃的温度下退火2~4小时；
（2）在步骤（1）得到的纯铜材料表面通过高能离子注入的方法将纯铌（纯度大于等于99.95%）渗到基体的表面；
（3）在真空环境或液氮环境下对步骤（2）得到表面注入铌元素的铜板进行撞击变形处理5~30min制得表面强化处理后的纯铜材料。
纯铜材料（纯度大于等于99.95%）为板材，其厚度为1mm~4mm。
本发明步骤（3）中所述高能离子注入方法的参数：真空度≤1×10-4，能量100keV，注入计量2×10-17~5×10-17 ions/cm2。
本发明步骤（3）中所述步骤（3）中所述在真空环境下变形处理时，处理温度为室温。
本发明步骤（3）中所述撞击变形处理过程使用表面纳米化试验机完成，表面纳米化试验机的试验频率为20Hz~50Hz，钢球为100-200颗。
本发明的有益效果是：
（1）本发明结合传统的退火工艺和强力表面喷丸处理方法、高能离子注入金属元素方法获得其他加工工艺难以获得的高强高导电的纯铜材料，制备方法简单；
（2）本发明所述方法得到的表面强化处理后高强度高导电性纯铜材料克服了热力学上铜铌不互溶的弊端，制备了表面注入铌元素的具有稳定的超细晶或纳米梯度纯铜材料；铌元素自身导电性能好，熔点高，表面加入铌后的铜材可以有效地降低由高压产生的电弧对材料本身的影响；同时铌的加入有稳定细晶的作用，在高能喷丸的过程中很好的稳定了高应变速率产生的细晶；有效提高产品的稳定性；高能喷丸后晶粒的梯度分布和应力的梯度分布极大的提高了基体的强度，这种特殊的材料是现有工艺未能实现的；
（3）易于实现连续化生产，产品质量稳定，设备资金投入比较少，维护方便。
附图说明
图1为实施例1制备得到的表面强化处理后纯铜材料和普通退火态纯铜的室温拉伸曲线比较；
图2为实施例2制备得到的表面强化处理后纯铜材料和普通退火态纯铜的室温拉伸曲线比较；
图3为实施例3制备得到的表面强化处理后纯铜材料和普通退火态纯铜的室温拉伸曲线比较；
图4为实施例4制备得到的表面强化处理后纯铜材料和普通退火态纯铜的室温拉伸曲线比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
（1）将1mm纯铜板(纯度为99.95%)材料于600℃的温度下退火3小时；
（2）在步骤（1）得到的纯铜材料的表面通过高能离子注入的方法将铌（纯度为99.95%）渗到基体的表面，所述高能离子注入方法的参数：真空度为1×10-4，能量100keV，注入计量2×10-17 ions/cm2；
（3）在室温下，真空环境表面纳米化试验机的频率为50Hz，200颗钢球（直径8mm）分别对铜板两个表面进行30分钟撞击变形处理，从而制得的高强度高导电性表面渗铌纯铜材料。
制备的表面渗铌铜材料表面具有极高的强度和硬度，表面显微硬度可达1.6Gpa，总屈服强度可达250Mpa，导电性和纯铜接近，室温电阻率1.82×10-8Ω·m。
实施例2
（1）将1mm纯铜板(纯度为99.99%)，于400℃温度下进行4小时的常规退火处理，使其再结晶；
（2）将处理后的铜板通过高能离子注入的方法渗铌(纯度为99.99%)到基体的表面，所述高能离子注入方法的参数：真空度为0.5×10-4，能量100keV，注入计量3×10-17 ions/cm2；
（3）在室温下，真空环境表面纳米化试验机的频率为20Hz，150颗钢球（直径8mm）分别对铜板两个表面进行15分钟撞击变形处理，从而制得的高强度高导电性表面渗铌纯铜材料。
制备的表面渗铌铜材料表面具有极高的强度和硬度，表面显微硬度可达1.5Gpa，总屈服强度可达220Mpa，导电性和纯铜接近，室温电阻率1.79×10-8Ω·m。
实施例3
（1）将0.5mm纯铜板(纯度为99.99%)，于500℃温度下进行2.5小时的常规退火处理，使其再结晶；
（2）将处理后的铜板通过高能离子注入的方法渗铌(纯度为99.99%)到基体的表面，所述高能离子注入方法的参数：真空度为0.2×10-4，能量100keV，注入计量4×10-17；
（3）在室温下，真空环境表面纳米化试验机的频率为30Hz，100颗钢球（直径8mm）分别对铜板两个表面进行5分钟撞击变形处理，从而制得的高强度高导电性表面渗铌纯铜材料。
制备的表面渗铌铜材料表面具有极高的强度和硬度，表面显微硬度可达1.3Gpa，总屈服强度可达240Mpa，导电性和纯铜接近，室温电阻率1.73×10-8Ω·m。
实施例4
（1）将0.5mm纯铜(纯度为99.99%)板，于700℃温度下进行2小时的常规退火处理，使其再结晶；
（2）将处理后的铜板通过高能离子注入的方法渗铌(纯度为99.99%)到基体的表面，所述高能离子注入方法的参数：真空度为0.1×10-4，能量100keV，注入计量5×10-17 ions/cm2；
（3）在通入液氮的条件下，表面纳米化试验机的率为40Hz，180颗钢球（直径8mm）分别对铜板两个表面进行15分钟撞击变形处理，从而制得的高强度高导电性表面渗铌纯铜材料。
制备的表面渗铌铜材料表面具有极高的强度和硬度，表面显微硬度可达1.8Gpa，总屈服强度可达270Mpa，导电性和纯铜接近，室温电阻率1.84×10-8Ω·m。
Claims (5)
1.一种纯铜材料表面强化处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将纯铜材料于400~700℃的温度下退火2~4小时；
（2）在步骤（1）得到的纯铜材料表面通过高能离子注入的方法将铌渗到基体的表面；
（3）在真空环境或液氮环境下对步骤（2）得到的表面注入铌元素的铜板进行撞击变形处理5~30min制得表面强化处理后的纯铜材料；
步骤（2）中所述高能离子注入方法的参数：真空度≤1×10-4 ，能量100keV，注入计量2×10-17~5×10-17 ions/cm2。
2.根据权利要求1所述纯铜材料表面强化处理方法，其特征在于：纯铜材料为板材，其厚度为1mm~4mm。
3.根据权利要求1所述纯铜材料表面强化处理方法，其特征在于：步骤（3）中所述在真空环境下变形处理时，处理温度为室温。
4.根据权利要求1所述纯铜材料表面强化处理方法，其特征在于：步骤（3）中所述撞击变形处理过程使用表面纳米化试验机完成，表面纳米化试验机的试验频率为20~50HZ，钢球为100-200颗。
5.根据权利要求1所述纯铜材料表面强化处理方法，其特征在于：所述纯铜材料的纯度≥99.95%，纯铌的纯度≥99.95%。
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