本發明屬于銅基合金材料
技術領域：
，具體涉及一種含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料及其制備方法。
背景技術：
：銅及銅合金長用于引線框架、電觸頭、高鐵線纜以及電動機電線等領域，但是傳統的銅及銅合計的強度不高，因此對高強高導電的銅合金進行了研發。常用的高強高導電銅合金的強化方法有加工硬化、固溶強化、細晶強化和第二相強化，其中，固溶強化是通過合金元素融入銅基體產生晶格畸變，從而阻礙位錯運動來提高合金強度的強化手段，但形成固熔體時，合金導電性能會降低，溶劑晶格的扭曲畸變破壞了晶格勢場的周期性，僅有少數元素如cd、zn、ag、ni、pb、sn、nb等微量加入銅中對銅電阻率的影響不大，還可以提高基體強度。以cu-nb、cu-ag為代表的銅微觀復合材料具有較高的導電率和抗拉強度，是最可能實現100t耐沖強磁場的導體材料，但是nb和ag在cu中的固溶度極低，彈性能力十分接近，還可以獲得高的導電性和韌性。中國專利cn101818273b公開的一種高強度、高導電、抗高溫軟化性能的cu-nb合金的制備方法，將銅粉與nb粉球磨得到cu-nb納米晶固溶體粉末，經退火后與硼粉混合，真空燒結得到cu-nb合金坯錠，最后用銅包覆封口，熱擠壓得到產品。該方法中將組織結構達到納米尺寸時，獲得高強度、高導電性能，硼粉提高納米尺度下cu-nb界面的穩定性。中國專利cn102703754公開的一種cu-ni-si基合金及其制備方法，將純銅、純硅、純鎳和純釩熔煉澆筑得到坯料，再近退火、熱軋、冷軋、固溶和時效處理得到產品。由現有技術可知，目前銅基合金的制備原料都為金屬粉末，無法直接制備細品的銅合金坯料，生產周期長，無法實現大批量生產。本發明將銅粉與石墨烯粉末與純銅錠、純鈮錠作為原料，采用固液雙相凝固結合半固態鑄造技術，結合拉拔、軋制得到顯微組織細化致納米級別的銅合金。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是提供一種含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料及其制備方法，將純銅錠、純鈮錠/純銀錠、純銅粉末/純鈮粉末/純銀粉末、石墨烯粉末為原料，采用固液雙相凝固結合半固態鑄造技術，并將純鈮粉和/或純銀粉和石墨烯粉加入合金熔體，在快速凝固過程中形成固溶體，并通過拉拔、軋制工藝制備出顯微組織細化致納米級別的銅基合金。本發明制備的材料具有極高強度和導電性能。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料，所述含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料中cu元素的含量為70-98wt％，石墨烯態的含量為1-1.5wt％，其余為nb、ag或者兩者的混合物，所述含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料采用固液雙相凝固結合半固態鑄造技術，并將純鈮粉和/或純銀粉和石墨烯粉加入合金熔體，在快速凝固過程中形成固溶體，并通過拉拔、軋制工藝制備出顯微組織細化致納米級別的銅基合金。作為上述技術方案的優選，所述含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料中晶粒尺寸為1-30μm，導電率高于75-100％iacs，抗拉強度為600-1700mpa。本發明還提供一種含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料的制備方法，包括以下步驟：(1)以純銅錠、純鈮錠/純銀錠、純銅粉末/純鈮粉末/純銀粉末、石墨烯粉末為原料，其成分組成為純銅錠為65-97wt％、純鈮錠/純銀錠1-30wt％、純銅粉末/純鈮粉末/純銀粉末1-5wt％，石墨烯粉末1-1.5wt％，總量為100％，其中純銅粉末/純鈮粉末/純銀粉末的顆粒直徑為0.05-100μm，并且經過還原處理取出其表面氧化物；(2)首先將純銅錠、純鈮錠/純銀錠混合后加熱至1050-1700℃，使其融化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且加入純銅粉末/純鈮粉末/純銀粉末、石墨烯粉末，采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌1-5min，同時將合金熔體溫度降低至900-1600℃，并保溫10-15min，使合金熔體迅速凝固并且形成半固態混合組織的熔體；(3)將半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的磨具中制備形成鑄錠，以50-200℃/min的速度冷卻至室溫，得到含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料。作為上述技術方案的優選，所述步驟(1)中，純銅粉末的顆粒直徑為0.05-100μm，純鈮粉末的顆粒直徑為0.5-30μm，純銀粉末的顆粒直徑為25-50nm，石墨烯粉末的直徑為20nm，厚度為5碳原子厚度。作為上述技術方案的優選，所述步驟(3)中，含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料中cu元素的含量為80-97wt％，石墨烯態的含量為1-1.5wt％，nb元素為2-20％，總量為100％。作為上述技術方案的優選，所述步驟(3)中，含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料中cu元素的含量為70-97wt％，石墨烯態的含量為1-1.5wt％，ag元素為2-30％，總量為100％。作為上述技術方案的優選，所述步驟(3)中，含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料還經過后處理，具體處理方法為：將含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料加熱至700-720℃，保溫1h，將鑄錠沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量20-40％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至500℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量10-30％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至400℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量10-30％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至300℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量10-30％，隨后將鍛坯空冷至室溫。作為上述技術方案的優選，所述步驟(3)中，所述含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料中晶粒尺寸為1-30μm，導電率高于75-100％iacs，抗拉強度為600-1700mpa。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：(1)本發明制備的含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料采用固液雙相凝固結合半固態鑄造技術，在銅基合金熔體中加入純銅粉/純鈮粉和/或純銀粉和石墨烯粉，并且攪拌形成半固態組織，顯著細化合金鑄態顯微組織，是更多的鈮、銀和石墨烯更多地固溶于銅基體中，更有利于在后續變形過程中顯微組織細化工藝奠定了基礎，并通過拉拔、軋制工藝制備出顯微組織細化致納米級別的銅基合金。(2)本發明制備的含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料是直接制備出晶粒尺寸細小的大規格銅基合金坯料，提高了銅合金坯料的加工效率，也為銅基合金坯料的規格有更多的可選性，而且具有極高強度和導電性能，擴大了銅基材料的應用領域。(3)本發明的制備方法提高了銅基合金材料的制備水平，提高了批量化制備銅基合金材料的可能，提高了銅基合金材料的工藝化大生產。具體實施方式下面將結合具體實施例來詳細說明本發明，在此本發明的示意性實施例以及說明用來解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。實施例1：(1)以純銅錠、純銀錠、純銅粉末、石墨烯粉末為原料，其成分組成為純銅錠為85wt％、純銀錠12wt％、純銅粉末2wt％，石墨烯粉末1wt％，總量為100％，其中純銅粉末的直徑為0.5μm，并且經過還原處理取出其表面氧化物。(2)首先將純銅錠、純銀錠混合后加熱至1100℃，使其融化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且加入純銅粉末、石墨烯粉末，采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌3min，同時將合金熔體溫度降低至900℃，并保溫10min，使合金熔體迅速凝固并且形成半固態混合組織的熔體。(3)將半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的磨具中制備形成鑄錠，以80℃/min的速度冷卻至室溫，得到含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料。(4)將含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料加熱至710℃，保溫1h，將鑄錠沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量30％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至500℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量30％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至400℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量30％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至300℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量30％，隨后將鍛坯空冷至室溫。實施例2：(1)以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末、石墨烯粉末為原料，其成分組成為純銅錠為97wt％、純鈮錠1wt％、純鈮粉末1wt％，石墨烯粉末1wt％，總量為100％，其中純鈮粉末的直徑為30μm，并且經過還原處理取出其表面氧化物。(2)首先將純銅錠、純鈮錠混合后加熱至1300℃，使其融化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且加入純鈮粉末、石墨烯粉末，采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌5min，同時將合金熔體溫度降低至1200℃，并保溫15min，使合金熔體迅速凝固并且形成半固態混合組織的熔體。(3)將半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的磨具中制備形成鑄錠，以190℃/min的速度冷卻至室溫，得到含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料。實施例3：(1)以純銅錠、純銀錠、純銀粉末、石墨烯粉末為原料，其成分組成為純銅錠為87wt％、純銀錠10wt％、純銀粉末2wt％，石墨烯粉末1wt％，總量為100％，其中純銀粉末的直徑為25μm，并且經過還原處理取出其表面氧化物。(2)首先將純銅錠、純銀錠混合后加熱至1100℃，使其融化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且加入純銀粉末、石墨烯粉末，采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌3min，同時將合金熔體溫度降低至1000℃，并保溫10min，使合金熔體迅速凝固并且形成半固態混合組織的熔體。(3)將半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的磨具中制備形成鑄錠，以100℃/min的速度冷卻至室溫，得到含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料。(4)將含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料加熱至720℃，保溫1h，將鑄錠沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量20％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至500℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量20％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至400℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量20％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至300℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量20％，隨后將鍛坯空冷至室溫。實施例4：(1)以純銅錠、純銀錠、純銅粉末、石墨烯粉末為原料，其成分組成為純銅錠為65wt％、純銀錠30wt％、純銅粉末4wt％，石墨烯粉末1wt％，總量為100％，其中純銅粉末的直徑為50μm，并且經過還原處理取出其表面氧化物。(2)首先將純銅錠、純銀錠混合后加熱至1050℃，使其融化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且加入純銅粉末、石墨烯粉末，采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌5min，同時將合金熔體溫度降低至900℃，并保溫10min，使合金熔體迅速凝固并且形成半固態混合組織的熔體。(3)將半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的磨具中制備形成鑄錠，以100℃/min的速度冷卻至室溫，得到含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料。(4)將含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料加熱至710℃，保溫1h，將鑄錠沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量40％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至500℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量10％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至400℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量30％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至300℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量30％，隨后將鍛坯空冷至室溫。實施例5：(1)以純銅錠、純鈮錠、純鈮粉末、石墨烯粉末為原料，其成分組成為純銅錠為83.5wt％、純鈮錠12.5wt％、純鈮粉末2.5wt％，石墨烯粉末1.5wt％，總量為100％，其中純鈮粉末的直徑為2μm，并且經過還原處理取出其表面氧化物。(2)首先將純銅錠、純鈮錠混合后加熱至1600℃，使其融化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且加入純鈮粉末、石墨烯粉末，采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌5min，同時將合金熔體溫度降低至1500℃，并保溫10min，使合金熔體迅速凝固并且形成半固態混合組織的熔體。(3)將半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的磨具中制備形成鑄錠，以180℃/min的速度冷卻至室溫，得到含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料。實施例6：(1)以純銅錠、純銀錠、純銀粉末、石墨烯粉末為原料，其成分組成為純銅錠為75wt％、純銀錠14wt％、純銀粉末10wt％，石墨烯粉末1wt％，總量為100％，其中純銀粉末的直徑為50μm，并且經過還原處理取出其表面氧化物。(2)首先將純銅錠、純銀錠混合后加熱至1700℃，使其融化成合金熔體，保溫10min后，采用氬氣保護熔體液面，并且加入純銀粉末、石墨烯粉末，采用機械攪拌方式對合金熔體充分攪拌3min，同時將合金熔體溫度降低至1600℃，并保溫10min，使合金熔體迅速凝固并且形成半固態混合組織的熔體。(3)將半固態混合組織的熔體澆注到采用循環水冷卻的磨具中制備形成鑄錠，以200℃/min的速度冷卻至室溫，得到含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料。(4)將含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料加熱至720℃，保溫1h，將鑄錠沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量40％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至500℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量20％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至400℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量30％，隨后將鍛坯空冷至室溫，再將鍛坯加熱至300℃保溫1h，沿著縱向、橫向和軸向三個正交方向分布進行鍛造成型，每個方向上的鍛造壓下量10％，隨后將鍛坯空冷至室溫。經檢測，實施例1-6制備的含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料的顯微組織其平均晶粒直徑、屈服強度、抗拉強度、導電率的結果如下所示：實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5實施例6顯微組織其平均晶粒直徑(μm)253015251020屈服強度(mpa)8209507108901120920抗拉強度(mpa)9801300900104017001230導電率(％iacs)789089838581由上表可見，本發明制備的含石墨烯的高強度高導電銅基合金坯料的顯微組織其平均晶粒細小，屈服強度和抗拉強度良好，導電率好。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬
技術領域：
中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。當前第1頁12