CN1253591C - 一种纳米晶粒增强铜基材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
以铜、铬(Cr)、锆(Zr)、镁(Mg)和稀土镧(La)、铈(Ce)、钇(Y)其中之一的元素为原料，经熔炼和雾化制粉后成为超细、固溶或过固溶的粉末。粉末在钢模中双向压制后直接挤压成为杆坯，在一定的加热温度和加热时间下，通过短路径扩散在杆坯中自生成纳米晶粒，再经烧结、冷拉拔或轧制后成为纳米晶粒增强的铜基材料。具有增强相原位生成、尺寸细小，与铜基体所形成的界面新鲜、结合牢固，材料性能优异，原料准备简单、工艺过程容易控制等特点。
Description
(一)技术领域：金属基复合材料科学领域
(二)背景技术：公知的纳米晶粒增强铜基材料的制备方法有以下几种：
1.粉末冶金法。将铜粉与预先制备好的纳米粉末充分混合，经过粉末成形、烧结、加工等工艺，最终获得纳米颗粒或纳米晶增强的铜基材料。
2.机械合金化法。通过高能球磨或撞击的方法，使铜粉和增强物充分混合、破碎，从而得到纳米晶粒或纳米颗粒增强的铜基材料粉末，再经过后续加工获得纳米颗粒或纳米晶增强的铜基材料。
3.非晶态法。将铜或铜合金熔炼后，通过快速凝固的方法得到非晶态合金，将非晶态合金破碎后压制成形，再对其进行适当的热处理，使之转变成为纳米晶粒，获得纳米晶粒的铜基材料。
4.沉淀析出法。将铜与其它合金元素经过合金熔炼后，浇铸成锭坯，再将锭坯加工成所需的棒材、线材、板材等，对加工后的材料进行固溶和时效处理，纳米增强相在时效过程中沉淀析出，获得纳米晶粒增强的铜基材料。
5.电沉积法。将铜制成铜盐溶液，溶液中置入由正负电极构成的电场，在电场的作用下铜将沉积到极板上形成一定厚度的沉积铜板，再将电沉积铜板经过加工(如轧制)后，得到纳米颗粒或纳米晶构成的铜基材料。公知的纳米晶粒增强铜基材料的制备方法均可以获得纳米颗粒或纳米晶粒增强的铜基材料，或是由纳米颗粒或纳米晶构成的铜基材料，但又都存在着明显的不足。作为粉末冶金法，需要预先制备纳米颗粒，受目前纳米颗粒制备技术的限制，制备工艺复杂，对设备的要求较高，且纳米颗粒的产量小、制备成本高，限制了纳米颗粒或纳米晶增强的铜基材料的发展与大规模的应用。机械合金化法、非晶态法、电沉积法由于受制备技术的限制，均无法用于规模化生产。沉淀析出法尽管可以进行规模化生产，但对纳米晶粒的生长不能进行有效的控制，纳米晶粒生长成为亚微米和微米级晶粒的倾向严重。
(三)发明内容
本发明的目的是针对上述公知技术的不足而提出的一种以铜、铬(Cr)、锆(Zr)、镁(Mg)和稀土镧(La)、铈(Ce)、钇(Y)其中之一的元素为原料，经过熔炼、制粉、压制、短路径扩散生成纳米晶粒，再经烧结、冷拉拔或轧制成为铜基材料的新工艺，以达到粉末压制与杆坯挤压一次完成、纳米晶粒的生长可控以及材料性能优越的目的。
本发明是通过下面的技术方案实现的。
图1是本发明的工艺流程图，图2是纳米晶粒增强铜基材料的显微组织。原料经合金熔炼和雾化制粉后成为超细、固溶或过固溶的合金粉末。合金粉末在钢模中双向压制后直接挤压成为杆坯，而后将杆坯送入加热炉中进行加热处理，在一定的加热温度和加热时间下，超细粉末中的合金元素通过短路径扩散在杆坯中自生成晶粒尺寸约为30纳米的增强颗粒。加热处理后的杆坯经烧结，再通过冷拉拔或轧制后成为纳米晶粒增强的铜基材料制品(线材或带材)。
一、原料成分及所占百分比：
主原料：
铬(Cr)：0.2-4.0％(重量百分比)
锆(Zr)：0.05-0.25％(重量百分比)
镁(Mg)：0.01-0.18％(重量百分比)
铜(Cu)：余量
添加元素：
①镧(La)：不超过总重量的0.05％
②铈(Ce)：不超过总重量的0.02％
③钇(Y)：不超过总重量的0.01％
二、原料配方：
主原料+添加元素①
或：
主原料+添加元素②
或：
主原料+添加元素③
三、技术条件：
①合金熔炼温度：1200-1350℃，大气环境；
②雾化制粉：水雾化或氮气雾化，合金粉末粒度为负500到负300目；
③粉末压制及挤压压力
钢模双向压制：300-600MPa；
粉末挤压力：400-800MPa；
④纳米晶合成：350-850℃，时间4-24小时，氢气或氨分解气氛保护；
⑤烧结温度700-950℃，时间4-8小时，氢气或氨分解气氛保护；
与公知技术相比所具有的优点及积极效果：
1.粉末压制与杆坯挤压一次完成，缩短了材料加工工序，提高了材料成材率；
2.纳米晶粒的生长可控，增强相原位生成、尺寸细小，与铜基体所形成的界面新鲜、结合牢固；
3.材料性能优异原料准备简单、工艺过程容易控制，材料性能优异。
(四)附图说明：图1是本发明工艺流程图，图2是纳米晶粒增强铜基材料的显微组织。
(五)具体实施方式：
实施例一
按0.5％Cr(铬)(重量百分比)、0.08％Zr(锆)、0.03％Mg(镁)、铜余量，另加0.03％La(镧)(重量百分比)的比例配制原料，原料经过1250℃熔炼后水雾化制成粒度为负400目的合金粉末，合金粉末先在钢模中双向压制，压力为450MPa，而后以550MPa的挤压力挤成直径为Φ3mm的线杆，线杆在氢气保护炉中经480℃、10小时热处理，生成纳米晶粒，再经850℃、5小时的烧结，最后冷拉拔成线(丝)材。
实施例二
按1.5％Cr(铬)(重量百分比)、0.10％Zr(锆)、0.08％Mg(镁)、铜余量，另加0.02％Ce(铈)(重量百分比)的比例配制原料，原料经过1300℃熔炼后水雾化制成粒度为负500目的合金粉末，合金粉末先在钢模中双向压制，压力为500MPa，而后以600MPa的挤压力挤成直径为Φ3mm的线杆，线杆在氨分解气氛炉中经400℃、12小时热处理，生成纳米晶粒，再经900℃、3小时的烧结，最后冷拉拔成线(丝)材。
实施例三
按1.0％Cr(铬)(重量百分比)、0.2％Zr(锆)、0.18％Mg(镁)、铜余量，另加0.01％Y(钇)(重量百分比)的比例配制原料，原料经过1280℃熔炼后水雾化制成粒度为负300目的合金粉末，合金粉末先在钢模中双向压制，压力为450MPa，而后以600MPa的挤压力挤成直径为Φ3mm的线杆，线杆在氨分解气氛炉中经450℃、10小时热处理，生成纳米晶粒，再经920℃、4小时的烧结，最后冷拉拔成线(丝)材。
Claims (3)
1.一种制备纳米晶粒增强铜基材料的方法，其特征在于：
1)工艺流程：原料经合金熔炼和雾化制粉后成为超细、固溶或过固溶的合金粉末，合金粉末在钢模中双向压制后直接挤压成为杆坯，而后将杆坯送入加热炉中进行加热处理，在一定的加热温度和加热时间下，超细粉末中的合金元素通过短路径扩散在杆坯中自生成晶粒尺寸约为30纳米的增强颗粒，加热处理后的杆坯经烧结，再通过冷拉拔或轧制后成为纳米晶粒增强的铜基材料制品；
2)原料成分及所占百分比：
主原料：
铬：重量百分比为0.2-4.0％
锆：重量百分比为0.05-0.25％
镁：重量百分比为0.01-0.18％
铜：余量
添加元素：
①镧：不超过总重量的0.05％
②铈：不超过总重量的0.02％
③钇：不超过总重量的0.01％
3)原料配方：
主原料+添加元素①
或：
主原料+添加元素②
或：
主原料+添加元素③
4)技术条件：
①合金熔炼温度：1200-1350℃，大气环境；
②雾化制粉：水雾化或氮气雾化，合金粉末粒度为负500到负300目；
③粉末压制及挤压压力
钢模双向压制：300-600MPa；
粉末挤压力：400-800MPa；
④纳米晶合成：350-850℃，时间4-24小时，氢气或氨分解气氛保护；
⑤烧结温度700-950℃，时间4-8小时、氢气或氨分解气氛保护。
2.根据权利要求1所述的制备纳米晶粒增强铜基材料的方法，其特征在于：按0.5％Cr、0.08％Zr、0.03％Mg、铜余量，另加0.03％La的重量百分比配制原料，原料经过1250℃熔炼后水雾化制成粒度为负400目的合金粉末，合金粉末先在钢模中双向压制，压力为450MPa，而后以550MPa的挤压力挤成直径为Φ3mm的线杆，线杆在氢气保护炉中经480℃、10小时热处理，生成纳米晶粒，再经850℃、5小时的烧结，最后冷拉拔成线或丝材。
3、根据权利要求1所述的制备纳米晶粒增强铜基材料的方法，其特征在于：按1.0％Cr、0.2％Zr、0.18％Mg、铜余量，另加0.01％Y重量百分比配制原料，原料经过1280℃熔炼后水雾化制成粒度为负300目的合金粉末，合金粉末先在钢模中双向压制，压力为450MPa，而后以600MPa的挤压力挤成直径为Φ3mm的线杆，线杆在氨分解气氛炉中经450℃、10小时热处理，生成纳米晶粒，再经920℃、4小时的烧结，最后冷拉拔成线或丝材。
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