专利名称：铜－铌－合金和它的制备方法
技术领域：
本发明涉及材料技术领域和涉及铜-铌-合金，其例如加工成半制品或型材，通过已知的成型方法来制备粉末冶金产品，还涉及铜-铌-合金的制备方法。
现有技术为了制备具有尽可能高的机械强度以及电和热传导性能的金属材料，除了在所有金属中具有最高的电传导性能的银外，主要是铜被用作为基体金属，这是由于其较低廉的价格。为了有效地提高延性铜基体的强度，而不显著地损害其热和电性能，通过在热力学平衡中最大程度的不溶解的第二相而给予增强。这在面心立方体的(kfz)铜基体的情况下可以是硬的陶瓷颗粒(如氧化物、氮化物、碳化物)，然而也可以是一系列高熔点的体心立方体的(krz)耐热金属(如Cr、W、Ta、Nb、Mo)。上述的合金添加剂由于它们在基体中的不溶解性，而在高的应力温度下完全满足尽可能好的微结构稳定性的需求。但各自的第二相的均匀分布和在纳米范围内能有效提高强度所必需的颗粒粒度分布，由于有密度和熔点差别而不能通过熔炼冶金法达到。机械炼制合金的方法克服了这个难题，使得例如具有最精细的氧化物分布(直径＜50nm)和最高硬度与强度的Ag-氧化物-复合材料的制备成为可能(B.J.Joshi et al，Proceedings Vol.3，Powder Metallurgy WorldCongress，Granada/Spain，1998；JP 07173555 A；DE 199 53 780 C1)。
对于机械炼制合金，由于多次破碎和粉末小颗粒的冷焊接而导致研磨进展。然而在由铜构成的软金属基体中硬陶瓷颗粒的情况下，随着氧化物含量下降到10％(体积)以下就增加了这种趋势，即氧化物只是被软的基体所包裹，该氧化物的进一步破碎就停止了(DE 44 18600 C2)。优选通过“软-软”材料组合而影响研磨进展，也就是说通过选择与铜的弹性性能尽可能匹配的第二相而影响研磨进展(C.C.Koch，Nanostructured Materials 2，1993，109-129)。上述所列之中，铌是最合适的元素(L.G.Fritzemeier，Nanostructured Materials 1，1992，257-262)。对于在室温下经富集的Cu-Nb-合金的机械炼制合金已经有报道(A.Benthalem u.a.，Scripta Metallurgica et Materialia 27，1992，739-744und Materials Science and Engineering A161，1993，255-266)。通过采用高能量研磨而扩展了混晶区域，并且达到微结构的高均匀性。同时还显示一部分所加入的铌通过研磨而被强制溶入铜晶格中。
然而通常对于这种合金体系，由于在研磨过程中温度的提高，而有粉末粘附到容器壁和研磨球上的危险，这导致较少的粉末产率。有机辅助剂虽然可以减小焊接倾向，然而其由于能量输入而分解成CO2和H2，并且被研磨进入粉末中(US5,322,666)。假如这些气体不在高温下通过除气退火而去除，那么粉末粘结成紧密的、坚固的半制品是不可能的，或导致在以后的高温下使用时成形的不稳定性(“膨胀”)。另一方面，由于前面的除气退火而损坏在粉末中精心调节构成的纳米晶体颗粒结构。
本发明的说明本发明的任务在于给出铜-铌-合金和它的制备方法，在这种合金中有均匀的亚稳Cu-混晶和实现这种亚稳Cu-混晶的方法。
该目的通过在权利要求中给出的本发明来实现，进一步的构成是从属权利要求的对象。
根据本发明的铜-铌-合金是在铜基体中除了有铜-铌-混晶外，还有具有5-100nm的颗粒直径的铌-析出。
在此优选部分溶解在铜晶格中的铌。
也优选有以精细颗粒或纤维形式的铌-析出。
这也是优选的，即当纤维具有大于4∶1的长度直径比，优选大于10∶1的长度直径比。
此外根据本发明的铜-铌-合金优越地具有50-80％IACS的电导率和/或1200-2000MPa的强度。
在根据本发明用来制备铜-铌-合金的方法中，作为基体材料的铜粉末和0.1-50原子％的铌粉末一起研磨和机械炼制合金，之后，进行至少一次热处理。
优选地添加入0.5-20原子％的铌粉末。
在-196℃至-10℃的温度下进行研磨工艺过程也是优选的。
这也是优选的，即在研磨过程中和/或研磨阶段之间，进行研磨容器的冷却。
此外这也是优选的，即研磨容器用液氮或用乙醇冷却。
此外这是优选的，即在研磨过程中将铌完全强制性溶解在铜晶格中。
这也是优选的，即热处理在500℃的温度下进行。
通过变形工艺过程而生成纤维形结构的铜-铌-合金也是优选的，在该过程中以下再次是优选的，即在变形过程中调节纤维-长度直径比为大于4∶1，优选是大于10∶1。
这也是优选的，即产生铜-铌-合金的高粉末产率。
这也是优选的，即研磨20-30小时。
在根据本发明的方法中，一开始就要使得铜粉末变得所期望的脆化。这样是可能的，即与采用机械炼制合金已知的措施而制备的材料不同，得到均匀的铜与铌的一相合金。由于优选在低温下进行研磨工艺过程，以下是可能的，即以较少的能量输入而达到铌原子部分地或完全地强制溶解在铜混晶中。铌原子在铜混晶中的溶解度取决于研磨时间和所用粉末的氧含量。
在此气体含量在研磨工艺过程中几乎是不变的，以致于在进一步的加工时可以不用进行附加的除气步骤。
在铌原子溶解于铜混晶中后，在随后的热处理中析出精细的铌-小颗粒。这些铌-析出明显地有助于提高强度和有助于保证高的电导率。
实施本发明的最佳方式下面以一个实施例更清楚地解释本发明。
一个具有钢球、装有铜粉末和10原子％铌粉末的研磨桶，在液氮中将研磨桶盖处的温度冷却至-196。之后，经冷却的研磨桶用聚苯乙烯包裹以与周围的空气隔绝。随后的研磨工艺过程分步骤地每30分钟进行一步，以将研磨桶再次冷却至-196℃。研磨工艺过程在200U/min的转动速度和粉末-研磨球-比例为1∶14下进行。在35h内所加入的铌粉末完全地强制溶解入铜晶格中。这可从X-射线图像和透射电子显微(TEM)检测中获知，在这些检测中不再出现铌的反射(
图1和2)。经机械炼制合金的粉末具有晶体粒度约7nm的纳米晶体结构组织。在此粉末显微硬度达到500 HV0.025。
所得到的粉末在500下用热压机在真空中和650MPa的压力下压制成相对密度为98-99％的直径为10mm的圆柱形型材。
以这种方式制得的型材具有400 HV 2的硬度和20MS/m(相当于35％IACS)的电导率。
随后的热处理，在这个过程中铌从铜-基体中析出，导致电导率增加至45-50MS/m(相当于70-80％IACS)和硬度稍微减小至380 HV2。最后的冷变形通过形成纤维结构在继续保持高的电导率下又将硬度提高到550 HV 2。
在将起始粉末混合物中的Nb-含量减少到5原子％时可制备机械炼制合金的粉末，其晶体粒度为11nm和其粉末显微硬度达到450 HV0.025。那么型材的电导率比具有10原子％Nb的型材略高30MS/m(相当于50％IACS)，而硬度略低350 HV 2。通过进行热处理达到约50MS/m(相当于80％IACS)的更高的电导率，然而更低的约300 HV 2的硬度，其通过最后的变形又可提高到500 HV 2。
图例说明图1aCu-20原子％Nb粉末的衍射图，17h研磨图1bCu-10原子％Nb粉末的衍射图，35h研磨图2 在不同的研磨时间后经机械炼制合金粉末的X-射线图像分析。
权利要求
1.一种铜-铌-合金，在该合金的铜基体中除了有铜-铌-混晶外，还有颗粒直径为5-100nm的铌析出。
2.根据权利要求1的铜-铌-合金，在该合金中铌部分地溶解在铜晶格中。
3.根据权利要求1的铜-铌-合金，在该合金中有以精细颗粒形式或纤维形式的铌-析出。
4.根据权利要求3的铜-铌-合金，在该合金中纤维具有大于4∶1，优选大于10∶1的长度直径比。
5.根据权利要求1的铜-铌-合金，其具有50-80％IACS的电导率。
6.根据权利要求1的铜-铌-合金，其具有1200-2000MPa的强度。
7.一种用来制备权利要求1-6的铜-铌-合金的方法，在该方法中作为基体材料的铜粉末和0.1-50原子％的铌粉末一起研磨和机械炼制合金，然后要进行至少一次热处理。
8.根据权利要求7的方法，在该方法中添加0.5-20原子％的铌粉末。
9.根据权利要求7的方法，在该方法中研磨工艺过程在-196℃至-10℃的温度下进行。
10.根据权利要求7的方法，其中在研磨过程中和/或在各研磨阶段之间对研磨容器进行冷却。
11.根据权利要求7的方法，在该方法中研磨容器用液氮或乙醇冷却。
12.根据权利要求7的方法，其中在研磨过程中将铌完全强制性地溶解在铜晶格中。
13.根据权利要求7的方法，其中在500℃的温度下进行热处理。
14.根据权利要求7的方法，其中热处理同时与变形工艺过程一起进行。
15.根据权利要求14的方法，其中通过变形工艺过程产生铜-铌-合金的纤维状结构。
16.根据权利要求15的方法，其中在变形工艺过程中调节纤维-长度直径比为大于4∶1，优选为大于10∶1。
17.根据权利要求7的方法，其中研磨进行20-30小时。
全文摘要
本发明涉及材料技术领域和涉及铜－铌－合金，其例如加工成半制品或型材，通过已知的成型方法来制备粉末冶金产品，还涉及铜－铌－合金制备方法。本发明的任务在于给出铜－铌－合金和它的制备方法，在这种合金中有均匀的亚稳Cu－混晶和实现这种亚稳Cu－混晶的方法。这任务通过一种铜－铌－合金而解决，在该合金的铜基体中除了有铜－铌－混晶外，还有颗粒直径为5－100nm的铌析出。此外这任务还通过一种用来制备铜－铌－合金的方法而解决，在该方法中作为基体材料的铜粉末和0.1－50原子％的铌粉末一起研磨和机械炼制合金，之后要进行至少一次热处理。
文档编号C22C27/02GK1639363SQ03805193
公开日2005年7月13日 申请日期2003年3月3日 优先权日2002年3月4日
发明者叶卡捷琳娜·博奇哈若娃, 马丁·海尔迈尔, 路德维格·舒尔茨 申请人:德累斯顿协会莱布尼茨固体材料研究所