CN108677057A - 一种铜基合金坯料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铜基合金坯料及其制备方法，制备方法为：以纯铜锭、纯铌锭/纯银锭、纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末、石墨烯粉末为原料，经过还原处理取出其表面氧化物；将纯铜锭、纯铌锭/纯银锭混合后加热融化成合金熔体，采用氩气保护熔体液面，加入纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌，同时将合金熔体温度降温并保温，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体；将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，冷却至室温，最后经多向高温锻造、低温锻造和组合时效处理，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。本发明制备的材料具有极高强度和导电性能。

Description

一种铜基合金坯料及其制备方法
本申请是申请号为2017101734523，申请日为2017年03月22日，发明创造名称为“一种含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料及其制备方法”的专利的分案申请。
技术领域
本发明属于铜基合金材料技术领域，具体涉及一种含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料及其制备方法。
背景技术
铜及铜合金长用于引线框架、电触头、高铁线缆以及电动机电线等领域，但是传统的铜及铜合计的强度不高，因此对高强高导电的铜合金进行了研发。常用的高强高导电铜合金的强化方法有加工硬化、固溶强化、细晶强化和第二相强化，其中，固溶强化是通过合金元素融入铜基体产生晶格畸变，从而阻碍位错运动来提高合金强度的强化手段，但形成固熔体时，合金导电性能会降低，溶剂晶格的扭曲畸变破坏了晶格势场的周期性，仅有少数元素如Cd、Zn、Ag、Ni、Pb、Sn、Nb等微量加入铜中对铜电阻率的影响不大，还可以提高基体强度。
以Cu-Nb、Cu-Ag为代表的铜微观复合材料具有较高的导电率和抗拉强度，是最可能实现100T耐冲强磁场的导体材料，但是Nb和Ag在Cu中的固溶度极低，弹性能力十分接近,还可以获得高的导电性和韧性。中国专利CN101818273B公开的一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法，将铜粉与Nb粉球磨得到Cu-Nb纳米晶固溶体粉末，经退火后与硼粉混合，真空烧结得到Cu-Nb合金坯锭，最后用铜包覆封口，热挤压得到产品。该方法中将组织结构达到纳米尺寸时，获得高强度、高导电性能，硼粉提高纳米尺度下Cu-Nb界面的稳定性。中国专利CN 102703754公开的一种Cu-Ni-Si基合金及其制备方法，将纯铜、纯硅、纯镍和纯钒熔炼浇筑得到坯料，再近退火、热轧、冷轧、固溶和时效处理得到产品。由现有技术可知，目前铜基合金的制备原料都为金属粉末，无法直接制备细品的铜合金坯料，生产周期长，无法实现大批量生产。本发明将铜粉与石墨烯粉末与纯铜锭、纯铌锭作为原料，采用固液双相凝固结合半固态铸造技术，结合拉拔、轧制得到显微组织细化致纳米级别的铜合金。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料及其制备方法，将纯铜锭、纯铌锭/纯银锭、纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末、石墨烯粉末为原料，采用固液双相凝固结合半固态铸造技术，并将纯铌粉和/或纯银粉和石墨烯粉加入合金熔体，在快速凝固过程中形成固溶体，并通过拉拔、轧制工艺制备出显微组织细化致纳米级别的铜基合金。本发明制备的材料具有极高强度和导电性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料，所述含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料中Cu元素的含量为70-98wt％，石墨烯态的含量为1-1.5wt％，其余为Nb、Ag或者两者的混合物，所述含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料采用固液双相凝固结合半固态铸造技术，并将纯铌粉和/或纯银粉和石墨烯粉加入合金熔体，在快速凝固过程中形成固溶体，并通过拉拔、轧制工艺制备出显微组织细化致纳米级别的铜基合金。
作为上述技术方案的优选，所述含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料中晶粒尺寸为1-30μm，导电率高于75-100％IACS，抗拉强度为600-1700MPa。
本发明还提供一种含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以纯铜锭、纯铌锭/纯银锭、纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为65-97wt％、纯铌锭/纯银锭1-30wt％、纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末1-5wt％，石墨烯粉末1-1.5wt％，总量为100％，其中纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末的颗粒直径为0.05-100μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物；
(2)首先将纯铜锭、纯铌锭/纯银锭混合后加热至1050-1700℃，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌1-5min，同时将合金熔体温度降低至900-1600℃，并保温10-15min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体；
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，以50-200℃/min的速度冷却至室温，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，纯铜粉末的颗粒直径为0.05-100μm，纯铌粉末的颗粒直径为0.5-30μm，纯银粉末的颗粒直径为25-50nm，石墨烯粉末的直径为20nm，厚度为5碳原子厚度。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料中Cu元素的含量为80-97wt％，石墨烯态的含量为1-1.5wt％，Nb元素为2-20％，总量为100％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料中Cu元素的含量为70-97wt％，石墨烯态的含量为1-1.5wt％，Ag元素为2-30％，总量为100％。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料还经过后处理，具体处理方法为：将含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料加热至700-720℃，保温1h，将铸锭沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量20-40％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至500℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10-30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至400℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10-30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至300℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10-30％，随后将锻坯空冷至室温。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，所述含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料中晶粒尺寸为1-30μm，导电率高于75-100％IACS，抗拉强度为600-1700MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料采用固液双相凝固结合半固态铸造技术，在铜基合金熔体中加入纯铜粉/纯铌粉和/或纯银粉和石墨烯粉，并且搅拌形成半固态组织，显著细化合金铸态显微组织，是更多的铌、银和石墨烯更多地固溶于铜基体中，更有利于在后续变形过程中显微组织细化工艺奠定了基础，并通过拉拔、轧制工艺制备出显微组织细化致纳米级别的铜基合金。
(2)本发明制备的含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料是直接制备出晶粒尺寸细小的大规格铜基合金坯料，提高了铜合金坯料的加工效率，也为铜基合金坯料的规格有更多的可选性，而且具有极高强度和导电性能，扩大了铜基材料的应用领域。
(3)本发明的制备方法提高了铜基合金材料的制备水平，提高了批量化制备铜基合金材料的可能，提高了铜基合金材料的工艺化大生产。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)以纯铜锭、纯银锭、纯铜粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为85wt％、纯银锭12wt％、纯铜粉末2wt％，石墨烯粉末1wt％，总量为100％，其中纯铜粉末的直径为0.5μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物。
(2)首先将纯铜锭、纯银锭混合后加热至1100℃，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯铜粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌3min，同时将合金熔体温度降低至900℃，并保温10min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体。
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，以80℃/min的速度冷却至室温，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。
(4)将含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料加热至710℃，保温1h，将铸锭沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至500℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至400℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至300℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量30％，随后将锻坯空冷至室温。
实施例2：
(1)以纯铜锭、纯铌锭、纯铌粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为97wt％、纯铌锭1wt％、纯铌粉末1wt％，石墨烯粉末1wt％，总量为100％，其中纯铌粉末的直径为30μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物。
(2)首先将纯铜锭、纯铌锭混合后加热至1300℃，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯铌粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌5min，同时将合金熔体温度降低至1200℃，并保温15min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体。
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，以190℃/min的速度冷却至室温，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。
实施例3：
(1)以纯铜锭、纯银锭、纯银粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为87wt％、纯银锭10wt％、纯银粉末2wt％，石墨烯粉末1wt％，总量为100％，其中纯银粉末的直径为25μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物。
(2)首先将纯铜锭、纯银锭混合后加热至1100℃，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯银粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌3min，同时将合金熔体温度降低至1000℃，并保温10min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体。
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，以100℃/min的速度冷却至室温，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。
(4)将含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料加热至720℃，保温1h，将铸锭沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量20％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至500℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量20％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至400℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量20％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至300℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量20％，随后将锻坯空冷至室温。
实施例4：
(1)以纯铜锭、纯银锭、纯铜粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为65wt％、纯银锭30wt％、纯铜粉末4wt％，石墨烯粉末1wt％，总量为100％，其中纯铜粉末的直径为50μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物。
(2)首先将纯铜锭、纯银锭混合后加热至1050℃，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯铜粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌5min，同时将合金熔体温度降低至900℃，并保温10min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体。
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，以100℃/min的速度冷却至室温，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。
(4)将含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料加热至710℃，保温1h，将铸锭沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量40％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至500℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至400℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至300℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量30％，随后将锻坯空冷至室温。
实施例5：
(1)以纯铜锭、纯铌锭、纯铌粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为83.5wt％、纯铌锭12.5wt％、纯铌粉末2.5wt％，石墨烯粉末1.5wt％，总量为100％，其中纯铌粉末的直径为2μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物。
(2)首先将纯铜锭、纯铌锭混合后加热至1600℃，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯铌粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌5min，同时将合金熔体温度降低至1500℃，并保温10min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体。
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，以180℃/min的速度冷却至室温，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。
实施例6：
(1)以纯铜锭、纯银锭、纯银粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为75wt％、纯银锭14wt％、纯银粉末10wt％，石墨烯粉末1wt％，总量为100％，其中纯银粉末的直径为50μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物。
(2)首先将纯铜锭、纯银锭混合后加热至1700℃，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯银粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌3min，同时将合金熔体温度降低至1600℃，并保温10min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体。
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，以200℃/min的速度冷却至室温，得到含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料。
(4)将含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料加热至720℃，保温1h，将铸锭沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量40％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至500℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量20％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至400℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至300℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10％，随后将锻坯空冷至室温。
经检测，实施例1-6制备的含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料的显微组织其平均晶粒直径、屈服强度、抗拉强度、导电率的结果如下所示：
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
显微组织其平均晶体直径(μm) 25 30 15 25 10 20
抗拉强度(MPa) 980 1300 900 1040 1700 1230
导电率(％IACS) 78 90 89 83 85 81
由上表可见，本发明制备的含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料的显微组织其平均晶粒细小，屈服强度和抗拉强度良好，导电率好。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种铜基合金坯料，其特征在于：所述铜基合金坯料中Cu元素的含量为70-98wt％，石墨烯态的含量为1-1.5wt％，其余为Nb、Ag或者两者的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种铜基合金坯料，其特征在于：所述含石墨烯的高强度高导电铜基合金坯料中晶粒尺寸为1-30μm，导电率高于75-100％IACS，抗拉强度为600-1700MPa。
3.一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以纯铜锭、纯铌锭/纯银锭、纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末、石墨烯粉末为原料，其成分组成为纯铜锭为65-97wt％、纯铌锭/纯银锭1-30wt％、纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末1-5wt％，石墨烯粉末1-1.5wt％，总量为100％；
(2)首先将纯铜锭、纯铌锭/纯银锭混合后加热，使其融化成合金熔体，保温10min后，采用氩气保护熔体液面，并且加入纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末、石墨烯粉末，采用机械搅拌方式对合金熔体充分搅拌1-5min，同时将合金熔体温度降低至900-1600℃，并保温10-15min，使合金熔体迅速凝固并且形成半固态混合组织的熔体；
(3)将半固态混合组织的熔体浇注到采用循环水冷却的磨具中制备形成铸锭，冷却至室温，得到铜基合金坯料。
4.根据权利要求3所述的一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，纯铜粉末的颗粒直径为0.05-100μm，纯铌粉末的颗粒直径为0.5-30μm，纯银粉末的颗粒直径为25-50nm，石墨烯粉末的直径为20nm，厚度为5碳原子厚度。
5.根据权利要求3所述的一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，其中纯铜粉末/纯铌粉末/纯银粉末的颗粒直径为0.05-100μm，并且经过还原处理取出其表面氧化物。
6.根据权利要求1所述的一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述加热温度为1050-1700℃。
7.根据权利要求3所述的一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，含铜基合金坯料中Cu元素的含量为80-97wt％，石墨烯态的含量为1-1.5wt％，Nb元素为2-20％，总量为100％。
8.根据权利要求3所述的一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，铜基合金坯料中Cu元素的含量为70-97wt％，石墨烯态的含量为1-1.5wt％，Ag元素为2-30％，总量为100％。
9.根据权利要求3所述的一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，铜基合金坯料还经过后处理，具体处理方法为：将铜基合金坯料加热至700-720℃，保温1h，将铸锭沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量20-40％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至500℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10-30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至400℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10-30％，随后将锻坯空冷至室温，再将锻坯加热至300℃保温1h，沿着纵向、横向和轴向三个正交方向分布进行锻造成型，每个方向上的锻造压下量10-30％，随后将锻坯空冷至室温。
10.根据权利要求3所述的一种铜基合金坯料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述铜基合金坯料中晶粒尺寸为1-30μm，导电率高于75-100％IACS，抗拉强度为600-1700MPa，冷却至室温的速度为50-200℃/min。
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