[发明专利]一种纳米弥散强化弹性Cu-Nb合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Cu-Nb合金的制备方法，特指一种纳米弥散强化弹性Cu-Nb合金的制备方法；属于粉末冶金材料技术领域。该弹性合金具有高强度、高导电和高抗应力松弛特性，可应用于航天航空以及电子工业高性能导电弹性器件，如大功率密封电磁继电器等。

背景技术

近年来，航天、航空、兵器、舰船、电子等工业的发展对弹性材料的各项技术指标和环境适应能力提出了更高的要求，如作为继电器中的关键材料，接触簧片不但需要导电率高、弹性好、易于焊接，而且要求在200℃以上的高温条件下各项性能稳定。铍青铜虽然具有高的导电性和导热性，但不适合在高温下长期使用。银镁镍合金虽导电、导热性能好、抗电弧能力强，但强度、弹性模量较低，高温下弹性稳定性差。Cu-Ni-Al、Cu-Ni-Si等新型弹性铜合金时效处理后有较高的弹性和硬度，但其抗应力松弛性能也不能胜任200℃以上的工作环境。Cu-Ni-Sn合金和“卡密隆”合金具有很高的强度和较好的弹性稳定性，但其电导率太低。纳米弥散强化铜合金是一类具有高强度、高导电、抗高温退火软化特性的铜合金，如Cu-Al₂O₃、Cu-Nb合金等。其中Cu-Al₂O₃合金虽具有极高的抗高温退火软化能力，但由于内氧化反应的限制，该合金体系尚不能实现高浓度纳米弥散强化，不足以产生足够高的弹性性能。以上所介绍的各种材料由于其组分或组织结构存在的缺陷，导致其综合性能不能满足工业发展对弹性材料的各项技术指标的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便的纳米弥散强化弹性Cu-Nb合金的制备方法。由本发明方法制备的弹性Cu-Nb合金具有高强度、高导电、高抗应力松弛的特性。

本发明一种纳米弥散强化弹性Cu-Nb合金的制备方法，包括以下步骤：

第一步：制备低氧级Cu-Nb合金锭坯

1、按Cu-Nb合金各组分重量百分比，分别取纯度≥99.95％，平均粒度为10～15μm的Cu粉与纯度≥99.90％，平均粒度＜5μm的Nb粉混合，在真空度为(5～6)×10^-2Pa或纯度＞99.999％高纯氩气气氛保护下球磨，球料比(15～20)∶1，球磨转速250～350rpm，球磨时间40～50h，制得强固溶和内部含有大量小于5nm弥散Nb或NbO粒子的Cu-Nb纳米晶合金粉末；

2、将Cu-Nb纳米晶合金粉末在氢气保护气氛下于600～650℃的炉中，保温时间1.0～1.5h，进行氢气保护退火；使球磨后Cu-Nb合金粉末中的CuO、Cu₂O还原为Cu；然后，向退火后的Cu-Nb纳米晶合金粉末中添加占Cu-Nb纳米晶合金粉末总量50～300ppm的硼粉，混合均匀后，在真空热压机中，进行热压烧结，制得含氧量≤11ppm的Cu-Nb冶金坯锭；热压烧结工艺参数为：真空度10^-2～10^-3Pa，温度800～850℃，压强25～30MPa，热压时间2h；通过固体还原剂真空热压在线二次还原，可进一步清除残存在合金中的残留氧；

第二步：热挤压及冷轧工艺制备弹性带材

1、在纯度＞99.999％的高纯氮气保护下将Cu-Nb粉末冶金坯锭加热至800～900℃，热挤压制得挤压板坯；热挤压时模温≥450℃，挤压比≥15∶1；

2、将所得的挤压板坯进行道次变形量为8％～10％的冷轧变形，当总变形量达34％～35％时，将冷轧材在纯度＞99.999％的高纯氮气保护下进行去应力退火，退火温度600～750℃，保温时间30～60min；重复上述步骤，最终制得厚0.1～0.5mm的高精度冷轧弹性带材。

本发明采用上述工艺方法，通过机械球磨获得了强固溶和内部含有大量小于5nm弥散Nb或NbO粒子的Cu-Nb纳米晶合金粉末；由于Nb在铜中溶解度极低，固溶Nb在随后热压和热挤压过程中析出较充分，使得铜基体具有高的纯度，从而大大提高了合金导电性；同时，由于高浓度纳米级Nb粒子的纳米弥散强化作用，可使Cu-Nb合金获得高弹性；另外，由于Nb粒子在Cu-Nb合金中具有极高的耐热稳定性，即使在900℃的高温下也难以聚集长大，因此Cu-Nb合金在250℃的温度下，位错组态极难发生改变，不会产生回复，更不存在胞状析出问题，使得Cu-Nb合金应具有较高的高温抗应力松弛能力。