[發明專利]一種純銅材料表面強化處理方法

有效

• 申請號: 201410496633.6
• 申請日: 2014-09-25
• 公開（公告）號: CN104342627A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發明（設計）人: 朱心昆;王偉;楊新誠
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/16;C23C14/02
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技術領域

本發明涉及一種純銅材料表面強化處理方法，屬于金屬材料加工技術領域。?

背景技術

銅很早就被人類所發現并得到了廣泛的應用，如今，銅和銅合金已經大量的應用在很多行業，例如電氣、輕工、機械制造、建筑工業、國防工業等領域，其也是與人類關系非常密切的有色金屬之一。2013年全球銅產量達2110萬噸，其中，中國的銅產量達630萬噸，雖然如此多的銅已經在生產和生活中得到了應用，但是往往銅的強度和硬度都很低，一些重要的場合難以使用；加入其他合金元素固溶強化或第二相強化后，導電性會大幅降低，也難以達到使用的要求，影響其在電子行業的實用。而通過表面改性的方法（如化學鍍、電子束、激光束、氣相沉積、熱噴涂等）改善其性能的工藝比較復雜，對設備的要求較高，能耗比較大成本較高，并且很難大幅提高純銅的表面強度和硬度。近年來，人們越來越關注不改變成分而通過大塑性變形的方法來制備超細晶材料。超細晶材料由于具有大量的晶界有效地阻礙了位錯的運動，根據Hall－Petch關系，多晶材料的強度或硬度與其晶粒尺寸的平方根成反比。因此細晶強化作用尤為明顯。目前，常見的大塑性變形的方法有等徑角擠壓、高壓扭轉、疊軋等。但以上方法制備過程復雜，而且很難制備出很大的樣品也難實用與連續化的工業生產。?

超細晶材料雖然有如此多的優點但是往往屬于熱力學不穩定的狀態，如何穩定細晶防止細晶的長大亟待解決，這極大的影響著材料本身的壽命問題。也關系重大工程項目的安危問題。如何使晶粒細化到微米級甚至納米級并且穩定存在是當今材料領域的焦點之一。?

銅鈮合金將熔點及強度高的鈮與高導電導熱性的銅復合，具有優良的特殊性能的材料，彌散分布于銅基體的鈮有效增強銅合金強度，并因為該體系呈正生成焓（+4KJ·mol^-1），固態互溶度有限，對合金電導性的不利影響很小且鈮高溫強度大，因此銅鈮合金強度高，導電導熱性、高溫應力疲勞抗性和電介質粘附性優異，在微電子、航空、熱交換領域前景廣闊。但由于銅鈮屬于難混溶體系常規的熔鑄工藝難以制備均質化的銅鈮復合材料?，F有復合技術有：形變復合法、機械合金化法及物理氣相沉積法。形變復合法包括：形變原位和非原位復合法，原位法通過熔煉或粉末冶金使銅鈮混合均勻再經過大變形冷軋或冷拉使其變形獲得鈮纖維間距為10-100nm的納米復合材料。形變非原位復合法制備熔化變形和捆扎變形兩種制備方法，主要是將細的鈮絲和基材銅復合然后熱擠壓然后再反復的工藝；其制備出來的都是具有纖維流向的復合材料，其界面也不一定融合很好而且工藝及其復雜成本很高。Botcharova等用機械合金化法（Mechanical?Alloying）制備了銅鈮復合材料，并研究了退火對材料的影響，證明了鈮對穩定細晶銅的作用，但是最大固溶度為10at%鈮；磁控濺射和離子束改性等只能做到表面改性制備薄膜材料。?

為了解決以上現有技術的缺點，本發明利用高能離子注入表面改性的基礎上加入表面大塑性變形的方法，制備表面銅鈮均質混合的極其穩定的超細晶納米梯度材料，心部導電性良好，表層具有極高的強度、硬度。梯度的成分變化，晶粒大小和應力分布使這種材料具有極其優異的性能。?

發明內容

本發明的目的是提供一種高強度高導電性純銅材料表面強化處理方法，利用高能離子注入的方法將鈮元素注入到高純退火銅板（純度≥99.95%）表面，并加以高應變速率的表面納米化處理，改變銅板表面層為穩定的超細晶或納米梯度材料，從而制備出一種表面強化處理的高強度高導電性純銅材料，具體包括以下步驟：?

（1）將純銅材料于400~700℃的溫度下退火2~4小時；

（2）在步驟（1）得到的純銅材料表面通過高能離子注入的方法將純鈮（純度大于等于99.95%）滲到基體的表面；

（3）在真空環境或液氮環境下對步驟（2）得到表面注入鈮元素的銅板進行撞擊變形處理5~30min制得表面強化處理后的純銅材料。

純銅材料（純度大于等于99.95%）為板材，其厚度為1mm~4mm。?

本發明步驟（3）中所述高能離子注入方法的參數：真空度≤1×10^-4，能量100keV，注入計量2×10^-17~5×10^-17?ions/cm²。?

本發明步驟（3）中所述步驟（3）中所述在真空環境下變形處理時，處理溫度為室溫。?

本發明步驟（3）中所述撞擊變形處理過程使用表面納米化試驗機完成，表面納米化試驗機的試驗頻率為20Hz~50Hz，鋼球為100-200顆。?