CN105543514B - 一种纳米强化铜合金制备方法 - Google Patents
一种纳米强化铜合金制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种纳米弥散强化铜合金，铜合金由以下组分组成：占铜合金总质量的0.1‑1.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.1‑5％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.1‑3％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；余量为铜及其他合金。本发明制得的纳米强化铜合金成品率高、成本低、性能稳定且内部缺陷少，可以广泛应用于各种纳米强化铜合金的制造中。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种纳米强化制备方法，尤其是铜合金制备方法，属于纳米弥散强化金属复合材料技术领域。
二、背景技术
2014年中国铜产量达796万吨，居世界首位。铜合金已广泛应用工业制造的各个领域。随着机械、冶金、电子、电力与新能源、矿山、交通以及航空航天工业的迅猛发展，铜基复合材料被广泛用作集成电路的引线框架、超高压电真空器件、光伏联结器、电阻焊电极、先进飞行机翼前缘和核工业关键部件、高速列车架空导线、电动机电刷、电触头等高新技术领域作为关键材料。这些应用对铜合金的强度、导电性、耐磨性、高温软化性能和使用寿命均提出了更高的要求，迫切需要开发不仅具有良好导电(热)性，而且具有较高机械和耐磨性能、较低热膨胀系数、较高温软化性能的功能材料。
铜和铜合金是传统的高导电(热)材料，但由于强度低，耐热性差，高温下易软化变形，其应用范围受到很大的限制。现有的高强高导电铜合金的强化方式主要包括形变原位复合法、颗粒强化、弥散强化、纤维强化、固溶强化+沉淀强化、细晶强化等。其中纳米弥散强化无疑是最具发展潜力和应用前景最广的强化方式。
纳米铜合金是一种具有优良综合物理性能和力学性能的新型功能材料，它兼具高强度、高导电性、高耐磨性和良好的抗高温软化性能，已成为各类高新技术领域中关键的电工、电气材料。。
传统的纳米弥散强化铜合金的不同复合法包括非原位复合法、粉末冶金法、机械合金化法、原位复合法、内氧化法、碳热还原法、喷射沉积法、机械合金化等。这些方法多存在制备技术工艺复杂、生产成本过高、烧氢膨胀技术缺陷难以消除等问题，阻碍了这一先进材料的推广应用，这些方法多存在制备技术工艺复杂、生产成本过高、烧氢膨胀技术缺陷难以消除等问题，阻碍了这一先进材料的推广应用，难以满足各类高新技术领域中关键器件的研制与生产需要，制约了装备水平的进步。
因此开展高性能纳米强化铜合金研究，进一步简化其制备工艺，对满足高新技术装备发展需要具有十分重要意义。
三、发明内容
本发明目的在于提供一种纳米弥散强化铜合金及其制备方法，铜合金由以下组分组成：占铜合金总质量的0.1-1.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.1-5％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.1-3％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；余量为铜及其他合金。本发明制得的纳米强化铜合金成品率高、成本低、性能稳定且内部缺陷少，可以广泛应用于各种纳米强化铜合金的制造中。
纳米弥散强化铜合金制备方法可适用于机械、冶金、电子、电力与新能源、矿山、交通以及航空航天工业等领域的各种铜基合金材料的制备。尤其各类高新技术领域所需的高强度、高导电性、高耐磨性和良好的抗高温软化性能铜基合金材料的制备。
本发明目的是实现方法是：
第一步：纳米预合金粉体制备。先将占铜合金总质量的0.1-1.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.1-5％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.1-3％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；纳米碳、纳米铬、纳米氧化锆以特定的比例混合，采用在氩气保护下球磨混合方法，制备成纳米预合金粉体。球磨条件为：氩气保护下球磨，球磨罐与磨球材质：淬火不锈钢；球料比：15∶1；球磨转速：300rpm，球磨时间：10～100h。
第二步：将上述纳米预合金粉体制成包芯线或按加入比例制成压块或铜皮包覆块。
第三步：将铜合金按合金比例熔化、等待纳米弥散强化。
第四步：纳米弥散强化。对于模铸，可采用钟罩法将上述粉体压块或铜皮包覆块快速压入铜合金熔炉内并搅拌均匀后浇铸，或采用冲入法即将上述压块或铜皮包覆块放置在中包或模腔内，冲入铜合金，根据需要可采用振动结晶或电磁搅拌促使纳米粉体在铜熔体中均匀化，冷却后形成纳米弥散强化铜合金铸锭或铸坯。
对于连铸，可采用喂丝法将上述粉体喂入铜合金熔体的保温炉内或结晶器内，根据需要可采用振动结晶或电磁搅拌促使纳米粉体在铜熔体中均匀化。冷却后形成纳米弥散强化铜合金铸锭或铸坯。
第五步：固溶处理或均匀化退火。根据需要，对上述纳米弥散强化铜合金铸锭或铸坯进行固溶处理或均匀化退火。
第六步：挤压或其他热加工。根据需要，对上述纳米弥散强化铜合金铸锭或铸坯加热特定温度进行挤压加工或锻造、辗压等热加工成棒材、型材。
第七步：冷拔、冷轧或其他冷加工。根据需要，对上述热加工获得的棒材、型材进行冷拔、冷轧或其他冷加工，以获得所需的表面质量、几何尺寸、形位公差。
附图1为本发明实现方法第一步至第七步的典型制备工艺流程图
四、具体实施方式
本发明的实施例1：
采用本发明所述的方法，先将占铜合金总质量的0.1-0.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.1-0.6％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.05-0.3％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；三种纳米粉体混合后，在氩气保护下球磨制备成纳米预合金粉体。另将纯铜在300kg有芯感应电炉中熔化。再将纳米预合金粉体按加入熔体比例用量制成铜皮包覆块预置在浇铸模腔内，冲入纯铜合金，凝固过程采用振动结晶促使纳米粉体在铜熔体中均匀化，冷却后形成纳米弥散强化铜合金铸锭。900～950℃二次加热后锻造成圆饼、加工成各类高强度、高导电、高抗软化温度特性的纳米弥散强化电阻焊电极，其产品硬度≥85HRB，软化温度≥900℃，导电率≥85％IACS。
本发明的实施例2：
采用本发明所述的方法，先将占铜合金总质量的0.1-0.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.1-0.6％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.01-0.1％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；三种纳米粉体混合后，在氩气保护下球磨制备成纳米预合金粉体。另将纯铜在300kg有芯感应电炉中熔化，按GB/T5231中QCr0.5加入金属铬所需的下限量、加入磷铜合金脱氧。再将纳米预合金粉体按加入熔体比例用量制成包芯线，在上引连铸时采用喂丝法将上述粉体喂入铜合金熔体的保温炉内，并采用电磁搅拌促使纳米粉体在铜熔体中均匀化。经上引连铸成形获得纳米弥散强化铜合金连铸铸坯。经下料、900～950℃二次加热后，挤压棒材或型材，制成具有高强度、高导电性、高软化温度特性的纳米弥散强化光伏联结器。主要性能指标：其产品硬度85～95HRB，软化温度≥850℃，导电率≥82％IACS。
本发明的实施例3：
采用本发明所述的方法，先将占铜合金总质量的0.1-0.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.3-0.6％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.01-0.1％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；三种纳米粉体混合后，在氩气保护下球磨制备成纳米预合金粉体。另将纯铜在300kg有芯感应电炉中熔化，按GB/T20809中加入Cu-0.1Ag-Cr金属银、金属铬所需的下限量、加入磷铜合金脱氧。再将纳米预合金粉体按加入熔体比例用量制成包芯线，在上引连铸时采用喂丝法将上述粉体喂入铜合金熔体的保温炉内，并采用电磁搅拌促使纳米粉体在铜熔体中均匀化。经上引连铸成形获得纳米弥散强化铜合金连铸铸坯。经冷拔、高温固溶处理，制成具有高强度、高导电性、高软化温度特性的纳米弥散强化高速电气化铁路接触网用接触导线。主要性能指标：其产品抗拉强度≥630MPa，伸长率≥8.0％，导电率≥82％IACS。
Claims (3)
1.一种纳米弥散强化铜合金的制备方法，其特征它包括如下步骤：先将占铜合金总质量的0.1-0.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.1-0.6％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.05-0.3％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；三种纳米粉体混合后，在氩气保护下球磨制备成纳米预合金粉体；另将纯铜在300kg有芯感应电炉中熔化；再将纳米预合金粉体按加入熔体比例用量制成铜皮包覆块预置在浇铸模腔内，冲入纯铜合金，凝固过程采用振动结晶促使纳米粉体在铜熔体中均匀化，冷却后形成纳米弥散强化铜合金铸锭；900～950℃二次加热后锻造成圆饼、加工成产品。
2.一种纳米弥散强化铜合金的制备方法，其特征它包括如下步骤：先将占铜合金总质量的0.1-0.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.1-0.6％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.01-0.1％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；三种纳米粉体混合后，在氩气保护下球磨制备成纳米预合金粉体；另将纯铜在300kg有芯感应电炉中熔化，按GB/T5231中QCr0.5加入金属铬所需的下限量、加入磷铜合金脱氧， 再将纳米预合金粉体按加入熔体比例用量制成包芯线，在上引连铸时采用喂丝法将上述粉体喂入铜合金熔体的保温炉内，并采用电磁搅拌促使纳米粉体在铜熔体中均匀化；经上引连铸成形获得纳米弥散强化铜合金连铸铸坯；经下料、900～950℃二次加热后，挤压棒材或型材，制成产品。
3.一种纳米弥散强化铜合金的制备方法，其特征它包括如下步骤：先将占铜合金总质量的0.1-0.5％的纳米碳，碳的粒径＜70nm；占铜合金总质量的0.3-0.6％的纳米铬，铬的粒径为＜100nm；占铜合金总质量的0.01-0.1％的纳米氧化锆，氧化锆的粒径为＜70nm；三种纳米粉体混合后，在氩气保护下球磨制备成纳米预合金粉体；另将纯铜在300kg有芯感应电炉中熔化，按GB/T20809中加入Cu-0.1Ag-Cr金属银、金属铬所需的下限量、加入磷铜合金脱氧；再将纳米预合金粉体按加入熔体比例用量制成包芯线，在上引连铸时采用喂丝法将上述粉体喂入铜合金熔体的保温炉内，并采用电磁搅拌促使纳米粉体在铜熔体中均匀化；经上引连铸成形获得纳米弥散强化铜合金连铸铸坯；经冷拔、高温固溶处理，制成产品。
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