一种双层梯度铜合金材料制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种双层梯度铜合金材料制备方法，属于材料加工技术领域。
【背景技术】
[0002] 铜及铜合金是与人们生活密切相关的有色金属，因其具有良好的导电性、导热性、 易加工性、延伸性等优点而被广泛的应用于电气、电子、交通、机械制造、建筑、航天等领域。 电力输送、电机制造、通讯电缆、点真空器件、集成电路、汽车、铁路等都离不开铜及铜合金 产品，在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。
[0003] 金属材料的强度和塑性通常不可兼得，高强度往往对应着低塑性。伴随着强度和 硬度的显著提升，金属材料在塑性变形过程中加工硬化能力逐渐消失，从而导致塑性和韧 性显著降低。当金属材料晶粒尺寸rf小于lOOnm时，断裂延伸率往往不足7%，金属材料塑性 低、韧性差严重制约着其应用领域。因此，目前研究以逐步深入到显微结构的研究和新型变 形机理的探索，力图解决材料强度-塑性的这种"倒置"关系。梯度结构材料有效的解决了上 述矛盾，通过对材料结构单元（晶粒尺寸/片层厚度）的多级构筑从而实现其在空间呈连续 梯度变化。梯度结构的本质是晶界密度在空间上的梯度变化，即就是材料的结构单元从微 观尺度连续增加至宏观尺度。这种特征使得材料在变形过程中不同结构单元相互协调，使 整体性能得到优化。
[0004] 材料表面纳米化方法是指通过物理的或化学的方法，或者两者结合使用，细化材 料表层原粗晶晶粒，制备出具有纳米结构的表层，而材料内部仍保持原有结构。通过表面纳 米化技术可以改善材料的抗疲劳性能、耐磨性、耐蚀性。常见的材料表面纳米化方法有三 种:表面沉积或涂覆，表面自身纳米化和混合纳米化方式，表面沉积或涂覆是指用机械球磨 法、化学气相沉淀法(PVD)、电解沉积等方法制备出具有纳米尺度的颗粒，在将这些已经制 备好的颗粒以一定的方式结合在材料表面;表面自身纳米化通过非平衡处理的方式直接对 材料进行处理，增加材料的表面自由能，使得表面层的粗晶晶粒细化至纳米级别;混合纳米 化是指将表面自身纳米化和表面涂覆或沉积技术相结合，首先通过表面自身纳米化制备出 表层纳米结构，在利用化学处理等手段在材料表层形成与基体成分不同的固溶体/化合物， 从而达到进一步提高材料性能的目的。
[0005] 本发明通过表面机械研磨处理方法对铜锌合金板材进行表面处理，强度提高，但 与此同时，随着表面机械研磨处理时间的延长，会导致材料塑性降低，表面粗糙度增大。为 克服此缺陷，结合电镀工艺在处理后的铜锌合金板材上镀铜，一方面可以改善材料塑性，另 一方面也可以改善表面粗糙度。此外，材料在使用过程中基本都会要求表层硬、芯部软，因 此在镀铜的基础上，利用高能离子注入的方法将铌元素注入到镀层表面，提高表面硬度，从 而提尚材料整体使用性能。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于提供一种双层梯度铜合金材料制备方法，利用表面机械研磨处理 方法提高材料强度，并结合电镀工艺改善材料强度和表面粗糙度，最终通过高能离子注入 的方法提高表面硬度，从而制备出综合性能优异的双层梯度铜合金材料，本发明所述方法 具体经过以下步骤： (1) 将铜锌合金板材于350~400 °C温度下进行1~2小时的退火处理； (2) 在真空或低温条件下对步骤（1)得到的板材进行表面机械研磨处理，时间为5~ 30min； (3) 对步骤(2)处理过的铜锌合金板材进行清洗(依次在丙酮溶液中超声震荡除油污、 水洗、90~100°C温度下碱洗、酸洗;上述清洗过程均为现有技术中的常规工艺）； (4) 对步骤(3)中清洗过的铜锌合金板材进行双阳极镀铜，电镀环境为：电镀液温度66~ 68°C，阳极为电解铜板，铜锌合金板材作为阴极，阴阳极面积比1:1.5~2.5,极间距为80~ 100mm，电流密度为1~2A/iW，电镀时间为5~8h; (5) 对步骤(4)所得双层梯度合金，通过高能离子注入的方法将纯铌注入到镀层表面。
[0007] 本发明步骤（2)中所述真空环境下处理时，处理温度为室温；低温条件下处理时， 处理温度为液氮温度。
[0008] 本发明表面机械研磨处理通过表面纳米化实验机完成，实验参数为:实验频率30~ 50Hz，钢球150~180颗，钢球直径8mm。
[0009] 本发明步骤(4)中电解液的配方为Cu2+ 40~50g/L，硫酸155~165g/L，明胶30~35mg/ L，硫脲 30~35mg/L。
[0010] 本发明步骤(5)注入纯铌的浓度大于等于99.95%，实验参数为：真空度<1Χ10-4， 能量 l〇〇keV，注入计量 1 X 10-17~2 X 10-17ions/cm2〇
[0011] 本发明和现有技术比较其优点在于： (1)本发明把传统的电镀工艺、高能离子注入和表面机械研磨处理结合起来，通过表面 机械研磨处理方法细化材料表层晶粒，强度提升；同时，细化表层晶粒会使得晶界体积分数 显著增大，这些晶界可以作为原子扩散的理想通道，使得后续电镀更容易进行，镀层与基体 之间结合也更牢固。
[0012] (2 )本发明最终所得双层梯度材料表面平整、粗糙度低，且材料表层硬、芯部软，符 合一般条件下的使用要求。
[0013] (3)本发明所述制备方法简单，产品质量稳定，设备资金投入比较少，维护方便。
【附图说明】
[0014] 图1为实施例1~4与退火态原样的室温拉伸曲线比较图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限 于所述内容。
[0016] 实施例1 (1)将铜锌合金板材（锌的质量百分比为20%，铜的质量百分比为80%，板材厚度为2~ 2.5mm)于400°C温度下进行2小时的退火处理，板材厚度2.5mm。
[0017] (2)在真空条件下对步骤（1)中板材进行表面机械研磨处理，时间为5min，实验参 数为:实验频率30Hz，钢球150颗，钢球直径8mm。
[0018] (3)对步骤(2)所得铜锌合金板材依次在丙酮溶液中超声震荡除油污、水洗、90°C 温度下碱洗、酸洗。
[0019] (4)对步骤(3)中清洗过的铜锌合金板材进行双阳极镀铜。电镀环境为：电镀液温 度66°C，阳极为电解铜板，铜锌合金板材作为阴极阴阳极面积比1:1.5,极间距为100mm，电 流密度为1 A/id&R2，电镀时间为5h;电解液的配方为Cu2+ 40g/L，硫酸165g/L，明胶30mg/L， 硫脲 30mg/L。
[0020] (5)对步骤(4)所得双层梯度合金，通过高能离子注入的方法将纯铌注入到镀层表 面，实验参数为:真空度< 1 X 10'能量l〇〇keV，注入计量1 X 10_17ions/cm2。
[0021] 本实施例制备所得双层梯度铜锌合金板材屈服强度308MPa，抗拉强度366MPa，均 匀延伸率26.1%。与退火态相比，屈服强度提升76