专利名称：一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Cu-Nb合金制备方法，特别是一种可应用于电真空、电阻焊电极、 高压开关、电子电工、核技术等领域的具有高强度、高导电、抗高温软化性能的纳米弥散强 化Cu-Nb合金的制备方法。
背景技术：
近年来，微波技术、微电子、电子、航天、航空、核技术等领域的发展对导电材料的 各项技术指标和环境适应能力提出了更高的要求，如制造超大规模集成电路引线框架和微 波管栅网等通常需要Qb彡600MPa，相对电导率彡80% IACS，而且抗高温软化温度必须达 800K以上的导电材料。纯铜和Cu-Zr、Cu-B、Cu-Ag等铜合金导电率虽高(98% IACS以上)， 但强度过低。沉淀强化型铜合金，如Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等，虽具有高强度(σ b 可达500MPa以上)，但导电率偏低(75% IACS以下)，且抗高温退火软化性能不高，当温度 高于500°C后即迅速出现退火软化，特别是温度大于600°C时，这类合金因退火软化和沉淀 粒子的回溶，强度和导电率均急剧下降而丧失高强高导的特性。目前在上述领域应用较多 的是纳米弥散强化Cu-Al2O3合金。可是Cu-Al2O3合金虽具有极高的抗高温退火软化能力， 但其强化粒子Al2O3不导电，容易引起用其制作的微器件局部区域导电性中断，从而影响了 其在微电子领域和电真空领域的应用。纳米弥散强化Cu-Nb合金因其具有高强度和高导电 的性能日益受到人们的关注，现有的关于Cu-Nb合金的研究集中在高浓度合金体系，主要 应用于超高脉冲磁场领域，合金虽具有极高的强度，但导电率仍然偏低而难以满足电真空、 电阻焊电极、高压开关、电子电工、核技术等领域的要求。如何制备具有高强度、高导电、抗 高温软化性能的纳米弥散强化Cu-Nb合金正在成为研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制 备方法。该制备方法包括以下步骤(1)将纯度彡99. 98%，平均粒度为10 15 μ m的Cu粉与纯度彡99. 95%，平均粒 度< 5μπι的Nb粉按重量比(70. 4 99) 1放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙 球，大球半径10 12mm，中球半径5 6mm，小球3. 6 4mm，三者重量百分比为1 (3 4) (3. 5 5)进行球磨，球料比(10 14) 1，转速200 240rpm，球磨时间30 40h， 制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度500 550°C，保温 1. 0 1. 5h ；将退火后的Cu-Nb纳米晶粉末与粒度为0. 1 100 μ m的硼粉均勻混合，所加 硼粉的浓度为5 80ppm，将混合料抽真空至10_2 10_3Pa，再充入(1 1. 5) X IO5Pa的纯 度> 99. 998%的氩气，升温至700 750°C，保温1 1. 5h后再次抽真空至10_2 ICT3Pa进行真空热压烧结，热压压强25 28MPa，热压时间2. 5 3h，制得Cu-Nb合金坯锭；(3)对Cu-Nb合金坯锭用铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至 800 850°C，热挤压成棒材或板坯材，热挤压时模温380 420°C，挤压比(25 30) 1。作为改进，所述步骤(2)中的硼粉为非晶硼粉。作为更进一步改进，所述步骤(3)中的铜为无氧铜。本发明方法通过机械球磨获得了高纯度的低浓度Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；由于 Nb的添加量少，且Nb在铜中溶解度极低，固溶Nb在随后热压和热挤压过程完全析出，使得 铜基体具有高的纯度，合金导电性显著提高；同时由于Nb粒子在铜基体中均勻弥散分布且 在900°C以内高度稳定，保持着超细纳米尺寸(IOnrn左右)，因此通过低浓度纳米级Nb粒子 的弥散强化作用，Cu-N b合金即可获得高强度；此外，由于纳米Nb粒子具有极高的耐热稳定 性，因此即使在500 600°C的高温下，纳米Nb粒子不聚集长大，阻碍位错运动能力强，铜基 体中的位错组态极难发生改变，使得该合金具有高的抗高温软化能力；另外，由于Nb粒子 本身具有较好的导电性，有利于用其制作的微器件的精密电火花加工或电子束加工，并能 防止微器件微区导电性中断。采用在玛瑙罐中球磨的方法，可有效避免机械合金化过程中 的铁、铬或碳化物等杂质污染，有利于提高合金综合性能，使得用本发明方法制备的Cu-Nb 合金的ob可达600 800MPa，而相对导电率可达84% IACS 89% IACS，抗退火软化温 度可达900 1100°C。此外，本发明还具有方法简单、操作方便、可实现批量生产等一系列 优点。
具体实施例方式实施例1:(1)取纯度为99. 98%，平均粒度为15 μ m的Cu粉990g与纯度为99. 95 %，平均 粒度为5 μ m的Nb粉IOg混合后放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径 10_，中球半径5_，小球3. 6_，三者重量百分比为1 4 5，进行球磨，球料比10 1， 转速200rpm，球磨时间30h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度500°C，保温1. Oh ； 将退火后的Cu-Nb纳米晶粉末与粒度为100 μ m的非晶硼粉均勻混合，所加非晶硼粉的浓度 为5ppm，将混合料抽真空至10_2Pa，再充入IO5Pa的纯度为99. 998%的氩气，升温至700°C， 保温Ih后再次抽真空至10_2Pa进行真空热压烧结，热压压强25MPa，热压时间2. 5h，制得 Φ 60的Cu-Nb合金坯锭，坯锭含氧量为10. 5ppm、致密度98% ；(3)对Cu-Nb合金坯锭用无氧铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热 至800°C，热挤压成2mm厚，45mm宽的挤压板坯，挤压比30 1，挤压时模温为380°C。所制得的挤压材ob为600MPa，σ Q 2为545MPa，相对电导率为89 % IACS，抗高 温软化温度900°C。将所得的挤压板坯进行道次变形量为15%的冷轧变形，当总变形量达 40% 45%时，将冷轧材在高纯氮气(纯度> 99. 999%)保护下进行去应力退火，退火温 度710°C，保温Ih ；重复上述步骤，最终制成厚0. 2mm,宽40mm的带材。该合金带材在高纯 氮气保护下经900°C退火Ih后ο 605MPa，σ 02为550MPa，相对电导率为89% IACS，抗 高温软化温度900°C。实施例2:
(1)取纯度为99. 99%，平均粒度为12 μ m的Cu粉988g与纯度为99. 96 %，平均粒度为4 μ m的Nb粉12g混合后放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半 径11mm，中球半径5. 5mm，小球3. 8mm，三者重量百分比为1 3.5 4，进行球磨，球料比 13 1，转速230rpm,球磨时间35h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度530°C，保温1. 3h ； 将退火后的Cu-Nb纳米晶粉末与粒度为50 μ m的硼粉均勻混合，所加硼粉的浓度为30ppm， 将混合料抽真空至5 X 10_2Pa，再充入1. 3 X IO5Pa的纯度为99. 999%的氩气，升温至720°C， 保温1. 2h后再次抽真空至5 X IO-2Pa进行真空热压烧结，热压压强26MPa，热压时间2. 8h， 制得Φ 60的Cu-Nb合金坯锭。(3)对Cu-Nb合金坯锭用铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至 820°C，热挤压成Φ 12的棒材，挤压比25 1，热挤压时模温400°C。所制得的挤压材σ b为657MPa，σ 0 2为611MPa，相对电导率为86% IACS，抗高温 软化温度1000°C。实施例3:(1)取纯度为99. 995%，平均粒度为ΙΟμπι的Cu粉986g与纯度为99. 95%，平均 粒度为3 μ m的Nb粉14g混合后放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径 12_，中球半径6_，小球4_，三者重量百分比为1 3 3. 5，进行球磨，球料比14 1， 转速240rpm，球磨时间40h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度550°C，保温1. 5h ； 将退火后的Cu-Nb纳米晶粉末与粒度为0. 1 μ m的非晶硼粉均勻混合，所加非晶硼粉的浓度 为80ppm，将混合料抽真空至10_3Pa，再充入1. 5 X IO5Pa的纯度为99. 9995 %的氩气，升温至 750°C，保温1. 5h后再次抽真空至ICT3Pa进行真空热压烧结，热压压强28MPa，热压时间3h， 制得Φ 60的Cu-Nb合金坯锭。(3)对Cu-Nb合金坯锭用无氧铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热 至850°C，热挤压成2mm厚，45mm宽的挤压板坯，挤压比30 1，挤压时模温为420°C。所制得的挤压材σ b为800MPa，相对电导率为84% IACS,抗高温软化温度1100°C。将所得的挤压板坯进行道次变形量为8%的冷轧变形，当总变形量达40%时，将 冷轧材在高纯氮气(纯度为99. 999%)保护下进行去应力退火，退火温度750°C，保温 1. 5h ；重复上述步骤，最终制成厚0. 4mm,宽40mm的带材。所制得的带材σ b为825MPa，σ 0. 2为789MPa，相对电导率为81% IACS，抗高温软 化温度1100°C。
权利要求
一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将纯度≥99.98％，平均粒度为10～15μm的Cu粉与纯度≥99.95％，平均粒度＜5μm的Nb粉按重量比(70.4～99)∶1放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径10～12mm，中球半径5～6mm，小球3.6～4mm，三者重量百分比为1∶(3～4)∶(3.5～5)进行球磨，球料比(10～14)∶1，转速200～240rpm，球磨时间30～40h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度500～550℃，保温1.0～1.5h；将退火后的Cu-Nb纳米晶粉末与粒度为0.1～100μm的硼粉均匀混合，所加硼粉的浓度为5～80ppm，将混合料抽真空至10-2～10-3Pa，再充入(1～1.5)×105Pa的纯度＞99.999％的氩气，升温至700～750℃，保温1～1.5h后再次抽真空至10-2～10-3Pa进行真空热压烧结，热压压强25～28MPa，热压时间2.5～3h，制得Cu-Nb合金坯锭；(3)对Cu-Nb合金坯锭用铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至800～850℃，热挤压成棒材或板坯材，热挤压时模温380～420℃，挤压比(25～30)∶1。
2.根据权利要求1的高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法，其特 征在于，所述步骤(2)中的硼粉为非晶硼粉。
3 根据权利要求1的高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法，其特 征在于，所述步骤(3)中的铜为无氧铜。
全文摘要
本发明公开了一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金制备方法。该方法包括(1)制备Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；(2)再进行真空热压烧结制备Cu-Nb合金坯锭；(3)再进行铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至850℃进行热挤压。使用本发明方法制备的Cu-Nb合金的σb可达600～800MPa，而相对导电率可达84％IACS～89％IACS，抗退火软化温度可达900～1100℃。可应用于电真空、电阻焊电极、高压开关、电子电工、核技术等领域。
文档编号C22C27/02GK101818273SQ201010146348
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者李周, 汪明朴, 贾延琳, 雷若姗, 魏海根 申请人:中南大学