一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，包括如下步驟：將Cu-Al或Cu-Zn合金行固溶處理；固溶處理時的Cu-Al或Cu-Zn合金先爐冷，再進行鹽水冷卻；將鹽水冷卻后的Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡；迅速對Cu-Al或Cu-Zn合金進行等通道變形；對等通道變形后的Cu-Al或Cu-Zn合金進行深冷處理。該方法制備的納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金材料的顯微硬度和強度顯著提高，且具有良好的塑性，該方法生產工藝簡單，在不改變樣品和尺寸的情況下，可實現大尺寸樣品的納米孿晶合金的制備。
【專利說明】一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于納米孿晶材料的制備領域，尤其是一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金 的制備方法。
【背景技術】
[0002] Cu-Al或Cu-Zn合金具有優異的物理、化學、機械、耐磨和耐腐蝕性能，是一類綜合 性能優良的工程材料，被廣泛使用于機械、汽車制造、家電等行業中。銅鋁合金價格相對便 宜，也成為一些昂貴金屬材料的部分替代品，如替代錫青銅、不銹鋼、鎳基合金等。但隨著科 學技術的進步，普通的銅鋁合金的硬度、強度等力學性能已不能滿足實際應用，迫切需要進 一步提高合金的綜合力學性能。
[0003] 現階段，強化材料的基本途徑主要有應變強化、相變強化、固溶強化、細晶強化和 第二相彌散強化等。這些強化方法的實質都是將各種缺陷（點、線、面、體缺陷）引入材料 內部，阻礙位錯運動來提高從而材料強度。然而這些傳統的強化方式不可避免會使材料的 塑性、韌性或導電性能顯著降低。
[0004] 孿晶界是一種特殊的低能態共格晶界，孿晶界就是孿生面，兩側晶體以此面為對 稱面，構成鏡面對稱關系。同大角度晶界一樣，孿晶界也可以有效地阻礙位錯的運動，從而 強化材料。但是微米或亞微米級別的孿晶片層的強化效果并不明顯，只有將孿晶片層的厚 度細化至納米級別其強化效果才開始顯現。當孿晶片層變薄以至于位錯塞積無法實現時， 將需要非常高的外加應力促使單個位錯穿過孿晶界，從而使得材料的強度得到提高。孿晶 界可以有效的吸收位錯，并且位錯滑移過程中會造成孿晶界的迀移，可以有效的釋放變形 過程中產生的應力集中，使得孿晶界可以容納可觀的塑性變形。因此，孿晶界不僅可以阻礙 位錯運動來強化材料，同時又可以吸納位錯從而承受較大的塑性變形。
[0005] 中國專利號為102400188,公開了 "一種〈111>織構納米孿晶Cu塊體材料的制備 方法"，該方法采用電解沉積技術制備納米孿晶Cu，提高了純Cu的強度、電導率及塑性。但 是工藝要求較高，且制備出的納米孿晶Cu的厚度僅為390?1120微米。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術中存在不足，本發明提供了一種制備工藝簡單，在不改變樣品形狀 和尺寸的情況下，獲得大尺寸納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金，提高Cu-Al或Cu-Zn合金的綜 合力學性能的制備方法。
[0007] 本發明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
[0008] -種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，包括如下步驟：
[0009] (1)對Cu-Al或Cu-Zn合金進行固溶處理；
[0010] (2)固溶處理時的Cu-Al或Cu-Zn合金先爐冷，再進行鹽水冷卻，使合金的溫度與 液氮溫度相同；
[0011] (3)將鹽水冷卻后的Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡；
[0012] (4)迅速對Cu-Al或Cu-Zn合金進行等通道變形；
[0013] (5)對等通道變形后的Cu-Al或Cu-Zn合金進行深冷處理。
[0014] 進一步地，所述的Cu-Al合金中Al的含量為2. 2?7. 0% (質量百分數）。
[0015] 進一步地，所述的Cu-Zn合金中Zn的含量為10?30% (質量百分數）。
[0016] 進一步地，步驟（1)所述的固溶處理溫度800?900°C，保溫時間1. 5?2h。
[0017] 進一步地，步驟（2)所述的爐冷過程是隨爐冷卻至500?600°C。
[0018] 進一步地，步驟（3)所述的在液氮中浸泡時間為5?30min。
[0019] 進一步地，步驟（4)所述的等通道變形的模具內角9為120°，模具外角$為0°
[0020] 進一步地，步驟（5)所述的深冷處理是將變形后的Cu-Al或Cu-Zn合金浸泡在液 氮中40?50min。
[0021] 本發明具有如下優點：
[0022] 通過將Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡處理，有效抑制塑性變形中位錯滑移，促 進形變孿生，從而提高納米孿晶的密度；由于等通道變形不改變試樣的形狀和尺寸，有利于 高密度孿晶塊體銅合金的實際應用；深冷處理可以進一步優化材料的力學性能，本方法制 備的納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的綜合力學性能明顯高于普通的Cu-Al或Cu-Zn合金， 且制備工藝簡單，可以實現大尺寸樣品的納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明所述的等通道變形過程的示意圖。
[0024] 圖2為本發明實施例1中Cu-2. 2% Al合金的透射電鏡照片。
[0025] 圖3為本發明實施例2中Cu-4. 5% Al合金的透射電鏡照片。
[0026] 圖4為本發明實施例3中Cu-7. 0% Al合金的透射電鏡照片。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并 不限于此。
[0028] 實施例1
[0029] 將 Cu-2. 2% Al 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0030] 對Cu-2. 2% Al合金進行固溶處理，固溶溫度為800°C，保溫時間為I. 5h，對Cu-Al 合金進行固溶處理，可以起固溶強化的作用，在隨后的冷卻過程中，先將合金隨爐冷卻到 500?600°C，再進行鹽水冷卻，使Cu-Al合金內部組織更加均勻。
[0031] 鹽水冷卻后的Cu-2. 2% Al合金浸泡在液氮中5min，迅速進行一道次等通道變形， 如圖1所示，進行等通道變形的模具內角9為120°，模具外角步為0°，變形速度為15? 60mm/min。對等通道變形后的Cu-2. 2% Al合金進行深冷處理，浸泡在液氮中40min，通過 深冷處理進一步優化材料的力學性能。
[0032] 圖2為采用上述方法制備的納米孿晶Cu-2. 2% Al合金的透射電鏡照片，從透射 電鏡照片中可以明顯觀察到納米孿晶片層。Cu-2. 2% Al合金的綜合力學性能也得到了明 顯的提高，顯微硬度由Hv55提高到Hvl88,屈服強度由57MPa提高到378MPa，抗拉強度由 211MPa 提高到 388MPa，延伸率 16. 5%。
[0033] 實施例2
[0034] 將 Cu-4. 5% Al 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0035] 對Cu-4. 5% Al合金進行固溶處理，固溶溫度為900 °C，保溫時間為2h，對Cu-Al 合金進行固溶處理，可以起固溶強化的作用，在隨后的冷卻過程中，先將合金隨爐冷卻到 500?600°C，再進行鹽水冷卻，使Cu-Al合金內部組織更加均勻。
[0036] 鹽水冷卻后的Cu-4. 5% Al合金浸泡在液氮中30min，迅速進行一道次等通道變 形，模具內角cP為120°，模具外角it為0°，變形速度為15?60mm/min。對等通道變形后 的Cu-4. 5% Al合金進行深冷處理，浸泡在液氮中50min，通過深冷處理進一步優化材料的 力學性能。
[0037] 圖3為采用上述方法制備的納米孿晶Cu-4. 5% Al合金的透射電鏡照片，從透射電 鏡照片中可以明顯觀察到納米孿晶片層。Cu-4. 5% Al合金的綜合力學性能也得到了更加 明顯的提高，顯微硬度由Hv71提高到Hv208,屈服強度由66MPa提高到476MPa，抗拉強度由 210MPa提高到502MPa，延伸率為15. 4%。
[0038] 實施例3
[0039] 將 Cu-7. 0% Al 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0040] 對Cu-7. 0% Al合金進行固溶處理，固溶溫度為850°C，保溫時間為I. 5h，對Cu-Al 合金進行固溶處理，可以起固溶強化的作用，在隨后的冷卻過程中，先隨爐冷卻到500? 600°C，再進行鹽水冷卻，使Cu-Al合金內部組織更加均勻。
[0041] 鹽水冷卻后的Cu-7. 0% Al合金浸泡在液氮中15min，迅速進行一道次等通道變 形，模具內角tP為120°，模具外角it為0°，變形速度為15?60mm/min。對等通道變形后 的Cu-7. 0% Al合金進行深冷處理，浸泡在液氮中40min，通過深冷處理進一步優化材料的 力學性能。
[0042] 圖4為上述方法制備的納米孿晶Cu-7. 0% Al合金的透射電鏡照片，可以明顯觀察 到進一步細化的納米孿晶片層。Cu-7. 0% Al合金的綜合力學性能也得到了更加明顯的提 高，顯微硬度由Hv95提高到Hv232,屈服強度由91MPa提高到591MPa，抗拉強度由365MPa 提高到607MPa，延伸率為17. 1%。
[0043] 實施例4
[0044] 將 Cu-IO% Zn 合金加工成 12. 2_X 12. 2_X 80mm 的方料。
[0045] 對Cu-10% Zn合金進行固溶處理，固溶溫度為800°C，保溫時間為I. 5h，對Cu-Zn 合金進行固溶處理，可以起固溶強化的作用，在隨后的冷卻過程中，先將合金隨爐冷卻到 500?600°C，再進行鹽水冷卻，使Cu-Zn合金內部組織更加均勻。
[0046] 鹽水冷卻后的Cu-10% Zn合金浸泡在液氮中5min，迅速進行一道次等通道變形， 模具內角9為120°，模具外角it為0°，變形速度為15?60mm/min。對等通道變形后的 Cu-10% Zn合金進行深冷處理，浸泡在液氮中40min，通過深冷處理進一步優化材料的力學 性能。
[0047] 采用上述方法制備的納米孿晶Cu-10% Zn合金的綜合力學性能也得到了更加明 顯的提高，顯微硬度由Hv57提高到Hvl50,屈服強度由62MPa提高到367MPa，抗拉強度由 195MPa提高到381MPa，延伸率為12. 8%。
[0048] 實施例5
[0049] 將 Cu-30% Zn 合金加工成 12. 2mmX 12. 2mmX80mm 的方料。
[0050] 對Cu-30 % Zn合金進行固溶處理，固溶溫度為900 °C，保溫時間為2h，對Cu-Zn 合金進行固溶處理，可以起固溶強化的作用，在隨后的冷卻過程中，先將合金隨爐冷卻到 500?600°C，再進行鹽水冷卻，使Cu-Zn合金內部組織更加均勻。
[0051] 鹽水冷卻后的Cu-30 % Zn合金浸泡在液氮中30min，迅速進行一道次等通道變形， 模具內角cP為120°，模具外角it為0°，變形速度為15?60mm/min。對等通道變形后的 Cu-10% Zn合金進行深冷處理，浸泡在液氮中40min，通過深冷處理進一步優化材料的力學 性能。
[0052] 采用上述方法制備的納米孿晶Cu-30% Zn合金的綜合力學性能也得到了更加明 顯的提高，顯微硬度由Hv71提高到Hvl98,屈服強度由76MPa提高到465MPa，抗拉強度由 202MPa提高到478MPa，延伸率為12. 1%。
[0053] 所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明并不限于上述實施方式，在不 背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換 或變型均屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，包括如下步驟： (1) 對Cu-Al或Cu-Zn合金進行固溶處理； (2) 固溶處理時的Cu-Al或Cu-Zn合金先爐冷，再進行鹽水冷卻； (3) 將鹽水冷卻后的Cu-Al或Cu-Zn合金在液氮中浸泡，使合金的溫度與液氮溫度相 同； (4) 迅速對Cu-Al或Cu-Zn合金進行等通道變形； (5) 對等通道變形后的Cu-Al或Cu-Zn合金進行深冷處理。
2. 根據權利要求1所述的一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，其特征在于： 所述的Cu-Al合金中Al的含量為2. 2?7. 0% (質量百分數）。
3. 根據權利要求1所述的一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，其特征在于： 所述的Cu-Zn合金中Zn的含量為10. 0?30. 0% (質量百分數）。
4. 根據權利要求1所述的一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，其特征在于： 步驟（1)所述的固溶處理溫度800?900°C，保溫時間1. 5?2h。
5. 根據權利要求1所述的一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，其特征在于： 步驟（2)所述的爐冷過程是隨爐冷卻至500?600°C。
6. 根據權利要求1所述的一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，其特征在于： 步驟（3)所述的在液氮中浸泡時間為5?30min。
7. 根據權利要求1所述的一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，其特征在于： 步驟（4)所述的等通道變形的模具內角φ為120°，模具外角Φ為0°。
8. 根據權利要求1所述的一種納米孿晶Cu-Al或Cu-Zn合金的制備方法，其特征在于： 步驟（5)所述的深冷處理是將變形后的Cu-Al或Cu-Zn合金浸泡在液氮中40?50min。
【文檔編號】C22F1/08GK104451486SQ201410613914
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月4日 優先權日:2014年11月4日
【發明者】魏偉, 荀永德, 魏坤霞, 杜慶柏, 胡靜 申請人:常州大學