專利名稱：一種高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗高溫軟化性能的Cu-Nb合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Cu-Nb合金制備方法，特別是一種可應(yīng)用于電真空、電阻焊電極、 高壓開關(guān)、電子電工、核技術(shù)等領(lǐng)域的具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗高溫軟化性能的納米彌散強(qiáng) 化Cu-Nb合金的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，微波技術(shù)、微電子、電子、航天、航空、核技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)導(dǎo)電材料的 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)能力提出了更高的要求，如制造超大規(guī)模集成電路引線框架和微 波管柵網(wǎng)等通常需要Qb彡600MPa，相對(duì)電導(dǎo)率彡80% IACS，而且抗高溫軟化溫度必須達(dá) 800K以上的導(dǎo)電材料。純銅和Cu-Zr、Cu-B、Cu-Ag等銅合金導(dǎo)電率雖高(98% IACS以上)， 但強(qiáng)度過低。沉淀強(qiáng)化型銅合金，如Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等，雖具有高強(qiáng)度(σ b 可達(dá)500MPa以上)，但導(dǎo)電率偏低(75% IACS以下)，且抗高溫退火軟化性能不高，當(dāng)溫度 高于500°C后即迅速出現(xiàn)退火軟化，特別是溫度大于600°C時(shí)，這類合金因退火軟化和沉淀 粒子的回溶，強(qiáng)度和導(dǎo)電率均急劇下降而喪失高強(qiáng)高導(dǎo)的特性。目前在上述領(lǐng)域應(yīng)用較多 的是納米彌散強(qiáng)化Cu-Al2O3合金?？墒荂u-Al2O3合金雖具有極高的抗高溫退火軟化能力， 但其強(qiáng)化粒子Al2O3不導(dǎo)電，容易引起用其制作的微器件局部區(qū)域?qū)щ娦灾袛啵瑥亩绊懥?其在微電子領(lǐng)域和電真空領(lǐng)域的應(yīng)用。納米彌散強(qiáng)化Cu-Nb合金因其具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電 的性能日益受到人們的關(guān)注，現(xiàn)有的關(guān)于Cu-Nb合金的研究集中在高濃度合金體系，主要 應(yīng)用于超高脈沖磁場(chǎng)領(lǐng)域，合金雖具有極高的強(qiáng)度，但導(dǎo)電率仍然偏低而難以滿足電真空、 電阻焊電極、高壓開關(guān)、電子電工、核技術(shù)等領(lǐng)域的要求。如何制備具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗 高溫軟化性能的納米彌散強(qiáng)化Cu-Nb合金正在成為研究熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗高溫軟化性能的Cu-Nb合金的制 備方法。該制備方法包括以下步驟(1)將純度彡99. 98%，平均粒度為10 15 μ m的Cu粉與純度彡99. 95%，平均粒 度< 5μπι的Nb粉按重量比(70. 4 99) 1放入瑪瑙罐中，再裝入三種不同半徑的瑪瑙 球，大球半徑10 12mm，中球半徑5 6mm，小球3. 6 4mm，三者重量百分比為1 (3 4) (3. 5 5)進(jìn)行球磨，球料比(10 14) 1，轉(zhuǎn)速200 240rpm，球磨時(shí)間30 40h， 制得Cu-Nb納米晶固溶體粉末；(2)將Cu-Nb納米晶固溶體粉末進(jìn)行氫氣保護(hù)退火，退火溫度500 550°C，保溫 1. 0 1. 5h ；將退火后的Cu-Nb納米晶粉末與粒度為0. 1 100 μ m的硼粉均勻混合，所加 硼粉的濃度為5 80ppm，將混合料抽真空至10_2 10_3Pa，再充入(1 1. 5) X IO5Pa的純 度> 99. 998%的氬氣，升溫至700 750°C，保溫1 1. 5h后再次抽真空至10_2 ICT3Pa進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，熱壓壓強(qiáng)25 28MPa，熱壓時(shí)間2. 5 3h，制得Cu-Nb合金坯錠；(3)對(duì)Cu-Nb合金坯錠用銅包覆，制成包套后封口，再將包好銅套的錠坯加熱至 800 850°C，熱擠壓成棒材或板坯材，熱擠壓時(shí)模溫380 420°C，擠壓比(25 30) 1。作為改進(jìn)，所述步驟(2)中的硼粉為非晶硼粉。作為更進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(3)中的銅為無氧銅。本發(fā)明方法通過機(jī)械球磨獲得了高純度的低濃度Cu-Nb納米晶固溶體粉末；由于 Nb的添加量少，且Nb在銅中溶解度極低，固溶Nb在隨后熱壓和熱擠壓過程完全析出，使得 銅基體具有高的純度，合金導(dǎo)電性顯著提高；同時(shí)由于Nb粒子在銅基體中均勻彌散分布且 在900°C以內(nèi)高度穩(wěn)定，保持著超細(xì)納米尺寸(IOnrn左右)，因此通過低濃度納米級(jí)Nb粒子 的彌散強(qiáng)化作用，Cu-N b合金即可獲得高強(qiáng)度；此外，由于納米Nb粒子具有極高的耐熱穩(wěn)定 性，因此即使在500 600°C的高溫下，納米Nb粒子不聚集長(zhǎng)大，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，銅基 體中的位錯(cuò)組態(tài)極難發(fā)生改變，使得該合金具有高的抗高溫軟化能力；另外，由于Nb粒子 本身具有較好的導(dǎo)電性，有利于用其制作的微器件的精密電火花加工或電子束加工，并能 防止微器件微區(qū)導(dǎo)電性中斷。采用在瑪瑙罐中球磨的方法，可有效避免機(jī)械合金化過程中 的鐵、鉻或碳化物等雜質(zhì)污染，有利于提高合金綜合性能，使得用本發(fā)明方法制備的Cu-Nb 合金的ob可達(dá)600 800MPa，而相對(duì)導(dǎo)電率可達(dá)84% IACS 89% IACS，抗退火軟化溫 度可達(dá)900 1100°C。此外，本發(fā)明還具有方法簡(jiǎn)單、操作方便、可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等一系列 優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:(1)取純度為99. 98%，平均粒度為15 μ m的Cu粉990g與純度為99. 95 %，平均 粒度為5 μ m的Nb粉IOg混合后放入瑪瑙罐中，再裝入三種不同半徑的瑪瑙球，大球半徑 10_，中球半徑5_，小球3. 6_，三者重量百分比為1 4 5，進(jìn)行球磨，球料比10 1， 轉(zhuǎn)速200rpm，球磨時(shí)間30h，制得Cu-Nb納米晶固溶體粉末；(2)將Cu-Nb納米晶固溶體粉末進(jìn)行氫氣保護(hù)退火，退火溫度500°C，保溫1. Oh ； 將退火后的Cu-Nb納米晶粉末與粒度為100 μ m的非晶硼粉均勻混合，所加非晶硼粉的濃度 為5ppm，將混合料抽真空至10_2Pa，再充入IO5Pa的純度為99. 998%的氬氣，升溫至700°C， 保溫Ih后再次抽真空至10_2Pa進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，熱壓壓強(qiáng)25MPa，熱壓時(shí)間2. 5h，制得 Φ 60的Cu-Nb合金坯錠，坯錠含氧量為10. 5ppm、致密度98% ；(3)對(duì)Cu-Nb合金坯錠用無氧銅包覆，制成包套后封口，再將包好銅套的錠坯加熱 至800°C，熱擠壓成2mm厚，45mm寬的擠壓板坯，擠壓比30 1，擠壓時(shí)模溫為380°C。所制得的擠壓材ob為600MPa，σ Q 2為545MPa，相對(duì)電導(dǎo)率為89 % IACS，抗高 溫軟化溫度900°C。將所得的擠壓板坯進(jìn)行道次變形量為15%的冷軋變形，當(dāng)總變形量達(dá) 40% 45%時(shí)，將冷軋材在高純氮?dú)?純度> 99. 999%)保護(hù)下進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火溫 度710°C，保溫Ih ；重復(fù)上述步驟，最終制成厚0. 2mm,寬40mm的帶材。該合金帶材在高純 氮?dú)獗Ｗo(hù)下經(jīng)900°C退火Ih后ο 605MPa，σ 02為550MPa，相對(duì)電導(dǎo)率為89% IACS，抗 高溫軟化溫度900°C。實(shí)施例2:
(1)取純度為99. 99%，平均粒度為12 μ m的Cu粉988g與純度為99. 96 %，平均粒度為4 μ m的Nb粉12g混合后放入瑪瑙罐中，再裝入三種不同半徑的瑪瑙球，大球半 徑11mm，中球半徑5. 5mm，小球3. 8mm，三者重量百分比為1 3.5 4，進(jìn)行球磨，球料比 13 1，轉(zhuǎn)速230rpm,球磨時(shí)間35h，制得Cu-Nb納米晶固溶體粉末；(2)將Cu-Nb納米晶固溶體粉末進(jìn)行氫氣保護(hù)退火，退火溫度530°C，保溫1. 3h ； 將退火后的Cu-Nb納米晶粉末與粒度為50 μ m的硼粉均勻混合，所加硼粉的濃度為30ppm， 將混合料抽真空至5 X 10_2Pa，再充入1. 3 X IO5Pa的純度為99. 999%的氬氣，升溫至720°C， 保溫1. 2h后再次抽真空至5 X IO-2Pa進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，熱壓壓強(qiáng)26MPa，熱壓時(shí)間2. 8h， 制得Φ 60的Cu-Nb合金坯錠。(3)對(duì)Cu-Nb合金坯錠用銅包覆，制成包套后封口，再將包好銅套的錠坯加熱至 820°C，熱擠壓成Φ 12的棒材，擠壓比25 1，熱擠壓時(shí)模溫400°C。所制得的擠壓材σ b為657MPa，σ 0 2為611MPa，相對(duì)電導(dǎo)率為86% IACS，抗高溫 軟化溫度1000°C。實(shí)施例3:(1)取純度為99. 995%，平均粒度為ΙΟμπι的Cu粉986g與純度為99. 95%，平均 粒度為3 μ m的Nb粉14g混合后放入瑪瑙罐中，再裝入三種不同半徑的瑪瑙球，大球半徑 12_，中球半徑6_，小球4_，三者重量百分比為1 3 3. 5，進(jìn)行球磨，球料比14 1， 轉(zhuǎn)速240rpm，球磨時(shí)間40h，制得Cu-Nb納米晶固溶體粉末；(2)將Cu-Nb納米晶固溶體粉末進(jìn)行氫氣保護(hù)退火，退火溫度550°C，保溫1. 5h ； 將退火后的Cu-Nb納米晶粉末與粒度為0. 1 μ m的非晶硼粉均勻混合，所加非晶硼粉的濃度 為80ppm，將混合料抽真空至10_3Pa，再充入1. 5 X IO5Pa的純度為99. 9995 %的氬氣，升溫至 750°C，保溫1. 5h后再次抽真空至ICT3Pa進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，熱壓壓強(qiáng)28MPa，熱壓時(shí)間3h， 制得Φ 60的Cu-Nb合金坯錠。(3)對(duì)Cu-Nb合金坯錠用無氧銅包覆，制成包套后封口，再將包好銅套的錠坯加熱 至850°C，熱擠壓成2mm厚，45mm寬的擠壓板坯，擠壓比30 1，擠壓時(shí)模溫為420°C。所制得的擠壓材σ b為800MPa，相對(duì)電導(dǎo)率為84% IACS,抗高溫軟化溫度1100°C。將所得的擠壓板坯進(jìn)行道次變形量為8%的冷軋變形，當(dāng)總變形量達(dá)40%時(shí)，將 冷軋材在高純氮?dú)?純度為99. 999%)保護(hù)下進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火溫度750°C，保溫 1. 5h ；重復(fù)上述步驟，最終制成厚0. 4mm,寬40mm的帶材。所制得的帶材σ b為825MPa，σ 0. 2為789MPa，相對(duì)電導(dǎo)率為81% IACS，抗高溫軟 化溫度1100°C。
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗高溫軟化性能的Cu-Nb合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將純度≥99.98％，平均粒度為10～15μm的Cu粉與純度≥99.95％，平均粒度＜5μm的Nb粉按重量比(70.4～99)∶1放入瑪瑙罐中，再裝入三種不同半徑的瑪瑙球，大球半徑10～12mm，中球半徑5～6mm，小球3.6～4mm，三者重量百分比為1∶(3～4)∶(3.5～5)進(jìn)行球磨，球料比(10～14)∶1，轉(zhuǎn)速200～240rpm，球磨時(shí)間30～40h，制得Cu-Nb納米晶固溶體粉末；(2)將Cu-Nb納米晶固溶體粉末進(jìn)行氫氣保護(hù)退火，退火溫度500～550℃，保溫1.0～1.5h；將退火后的Cu-Nb納米晶粉末與粒度為0.1～100μm的硼粉均勻混合，所加硼粉的濃度為5～80ppm，將混合料抽真空至10-2～10-3Pa，再充入(1～1.5)×105Pa的純度＞99.999％的氬氣，升溫至700～750℃，保溫1～1.5h后再次抽真空至10-2～10-3Pa進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，熱壓壓強(qiáng)25～28MPa，熱壓時(shí)間2.5～3h，制得Cu-Nb合金坯錠；(3)對(duì)Cu-Nb合金坯錠用銅包覆，制成包套后封口，再將包好銅套的錠坯加熱至800～850℃，熱擠壓成棒材或板坯材，熱擠壓時(shí)模溫380～420℃，擠壓比(25～30)∶1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗高溫軟化性能的Cu-Nb合金的制備方法，其特 征在于，所述步驟(2)中的硼粉為非晶硼粉。
3 根據(jù)權(quán)利要求1的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗高溫軟化性能的Cu-Nb合金的制備方法，其特 征在于，所述步驟(3)中的銅為無氧銅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、抗高溫軟化性能的Cu-Nb合金制備方法。該方法包括(1)制備Cu-Nb納米晶固溶體粉末；(2)再進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)制備Cu-Nb合金坯錠；(3)再進(jìn)行銅包覆，制成包套后封口，再將包好銅套的錠坯加熱至850℃進(jìn)行熱擠壓。使用本發(fā)明方法制備的Cu-Nb合金的σb可達(dá)600～800MPa，而相對(duì)導(dǎo)電率可達(dá)84％IACS～89％IACS，抗退火軟化溫度可達(dá)900～1100℃?？蓱?yīng)用于電真空、電阻焊電極、高壓開關(guān)、電子電工、核技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C22C27/02GK101818273SQ201010146348
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者李周, 汪明樸, 賈延琳, 雷若姍, 魏海根 申請(qǐng)人:中南大學(xué)