一種同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法，屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】；將純銅和純鋁按比例混合后真空感應(yīng)熔煉，澆鑄成銅鋁合金板材；對板材進行熱處理（850~900℃保溫1~2小時）；然后將板材進行3個道次熱軋，之后在750~800℃下真空退火3~4小時，經(jīng)上述加工和熱處理后板材厚7.9~8.9mm；將銅鋁合金板材浸入液氮中冷卻5~10min后冷軋，此過程中要保證軋制前后板材的應(yīng)變量達到92%~98%，且每道次軋制之前都要浸入液氮中冷卻5~10min，板材最終厚0.5~0.6mm；將板材300~350℃低溫退火1~1.5小時；然后在真空或液氮下對板材進行表面機械研磨處理(SMAT)。本發(fā)明制備出的Cu-4.5%Al合金液氮下SMAT后抗拉強度為583MPa，均勻延伸率為15.4%，同時所制備出的板材又具有優(yōu)異的表面耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性能。
【專利說明】一種同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法，屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]通常強化材料的手段有固溶強化、第二相強化、細晶強化和位錯強化等，其本質(zhì)都是在材料中引入各類點、線、面缺陷，阻礙位錯運動從而達到強化材料的目的。在這些所有的強化機制中，細晶強化作為唯一一種既能提高材料強度同時又能改善塑性的方法受到了科研工作者的重視。
[0003]過去幾十年里，納米材料因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能受到廣泛研究，與傳統(tǒng)粗晶材料相比，納米材料具有高的硬度、強度，好的耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞特性。與此同時，也出現(xiàn)了許多的納米體材料制備技術(shù)。這些制備方法可以分為兩大類:一類方法“自下而上”，以單個原子或納米顆粒為基本單元制備而得；另一類方法“自上而下”，通過特定的加工工藝在材料內(nèi)部引入大量的位錯孿晶等缺陷，細化原粗晶晶粒。大塑性變形技術(shù)是在20世紀90年代由俄羅斯科學(xué)家R.Z.Valiev在進行純剪切大變形試驗的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，所謂大塑性變形，就是使得材料經(jīng)過劇烈的塑性變形從而制備塊體納米材料的方法，現(xiàn)在常用的大塑性變形工藝有:等徑角擠壓(ECAP)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、霍普金森技術(shù)(SHPB)等。
[0004]通過大塑性變形工藝將材料做到納米尺寸后，雖然強度得到了大幅度提高，但塑性往往很差，斷裂延伸率常常不足5%，這就限制了納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域。其原因可歸納為:納米材料晶粒尺寸細小，導(dǎo)致位錯被晶界吸收而無法在后續(xù)的塑性變形中得到積累，喪失加工硬化能力，從而表現(xiàn)出低的延伸率。
[0005]大多數(shù)材料的失效如疲勞斷裂、磨損、腐蝕等都是從表面開始，因此材料的表面結(jié)構(gòu)和性能對其整體性能起到至關(guān)重要的作用。通過表面機械研磨處理(SMAT)工藝，材料表面的粗晶晶?？梢约毣?00個納米以下，但是心部仍然保持著原粗晶晶粒，從而造成一種從表面到心部晶粒不斷細化的梯度結(jié)構(gòu)，因此在提高材料強度的同時又保持著良好的塑性。
[0006]但是通過表面機械研磨處理工藝(SMAT)，材料強度提高很有限。本發(fā)明利用液氮軋制工藝產(chǎn)生大塑性變形，大幅提高材料強度；經(jīng)過300°C低溫退火軟化基體、消除微觀應(yīng)力；最后經(jīng)過表面機械研磨處理，強化材料表層，但心部仍保持其良好塑性，從而形成一種強韌性配合的材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于提供一種通過液氮軋制、低溫退火、表面機械研磨處理相結(jié)合的方法，獲得一種比大塑性變形塑性好，比表面機械研磨處理強度更高，綜合性能優(yōu)異的材料，且通過這種工藝，材料表層得到強化，耐磨性、耐腐蝕性、疲勞性能得到大幅提高。
[0008]本發(fā)明所述方法具體經(jīng)過以下步驟:
(I)將銅鋁合金板材經(jīng)銑床加工進行表面處理，除去表面缺陷和雜質(zhì)后，于85(T900°C保溫f 2小時；
(2)將步驟(I)所得板材進行3個道次熱軋，板材厚度變?yōu)?.9^9.9mm ；
(3)將步驟(2)所得板材75(T80(TC下真空退火3?4小時；然后經(jīng)表面處理，板材厚度為 7.9?8.9mm ；
(4)將步驟(3)所得銅鋁合金板材浸入液氮中冷卻ClOmin，隨即在變形溫度略高于77K的條件下冷軋；軋制前后板材的應(yīng)變量達到929Γ98%，且每道次軋制之前都要浸入液氮中冷卻5?1min,板材最終厚度為0.5^0.6mm ；
(5)將步驟(6)所得板材在30(T350°C下真空退火f1.5小時；
(6)將步驟(7)所得板材進行拋光處理，隨即在真空或液氮環(huán)境下對拋光板材進行表面機械研磨處理，時間為5?10min，從而制備得到銅鋁合金。
[0009]本發(fā)明所述銅鋁合金中鋁的質(zhì)量百分比為2.29Γ4.5%，銅的質(zhì)量百分比為97.89Γ95.5%。
[0010]本發(fā)明步驟(8)所述真空環(huán)境下表面機械研磨處理，處理溫度為室溫。
[0011]本發(fā)明步驟(8 )所述表面機械研磨處理通過表面納米化試驗機完成，表面納米化試驗機的振動頻率為2(Γ50Ηζ，所用到的不銹鋼球直徑為8?10mm。
[0012]本發(fā)明所述退火為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)退火工藝。
[0013]本發(fā)明所述軋制為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)軋制工藝。
[0014]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)比較其優(yōu)點在于:
(1)本發(fā)明所述方法制備的銅鋁合金材料的強度得到大幅提高，同時又保持其好的塑性，且表面性能得到改善；具體來說:通過液氮下軋制晶粒尺寸可達100個納米以下，根據(jù)Hall-Petch公式，材料強度明顯增大，但晶粒尺寸達到納米級后塑性很差；采用300°C低溫退火，消除微觀應(yīng)力，軟化基體，材料塑性得到改善；
(2)本發(fā)明最后進行表面機械研磨處理，材料表層承受大的應(yīng)力和大的應(yīng)變速率，由應(yīng)力誘發(fā)大量位錯運動形成的位錯胞可以細化表層晶粒；材料表層以下，中等應(yīng)力和應(yīng)變速率誘發(fā)形成的變形孿晶一方面可以細化晶粒，另一方面所形成的孿晶面可以作為位錯的滑移面起到提高塑性的作用；材料從表層到心部，隨著應(yīng)力和應(yīng)變速率的不斷減少，晶粒尺寸也由小到大不斷變化，從而形成一種強韌性配合的梯度結(jié)構(gòu)材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為實施例1、實施例2與軋制后300°C退火I小時的Cu_2.2A1合金室溫拉伸曲線比較圖；
圖2為實施例3、實施例4與軋制后300°C退火I小時的Cu-4.5A1合金室溫拉伸曲線比較圖。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0017]實施例1
(I)將純度為99.99%的純銅和純度為99.99%的純鋁，按照鋁的質(zhì)量百分比為2.2%，銅的質(zhì)量百分比為97.8%真空感應(yīng)熔煉，澆鑄成銅鋁合金板材；
(2)將步驟(I)所得板材經(jīng)銑床加工進行表面處理，除去表面缺陷和夾雜后，850°C保溫I小時；
(3)將步驟(2)所得板材進行3個道次熱軋，板材厚度變?yōu)?.9mm ；
(4)將步驟(3)所得板材750°C下真空退火3小時；
(5)將步驟(4)所得板材經(jīng)表面處理，板材厚度為8.9mm ；
(6)將步驟(5)所得銅鋁合金板材浸入液氮中冷卻5min，隨即在變形溫度略高于77K的條件下冷軋；軋制過程中要保證的是軋制前后板材的應(yīng)變量達到929Γ98%，且每道次軋制之前都要浸入液氮中冷卻5min,板材最終厚度為0.5mm ；
(7)將步驟(6)所得板材在350°C下真空退火1.5小時；
(8)將步驟(7)所得板材進行拋光處理，隨即在真空環(huán)境下對拋光板材進行表面機械研磨處理，時間為5min，表面納米化試驗機的振動頻率為40Hz，不銹鋼球直徑為8mm，從而制得高強度、強塑性的銅鋁合金，其中鋁的質(zhì)量百分比為2.2%，銅的質(zhì)量百分比為97.8% ；
本實施例制備得到的銅鋁合金在室溫下的拉伸曲線如圖1中曲線2所示，由圖可以看出:所制備得到的銅鋁合金屈服強度為235.8MPa，抗拉強度為320.1MPa，均勻延伸率為25.6% ;和軋制后300°C退火I小時的Cu-2.2A1相比，本實施例制備得到的銅鋁合金屈服強度提升25%，均勻延伸率僅降低9%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性同時得到提升。
[0018]實施例2
(1)將純度為99.99%的純銅和純度為99.99%的純鋁，按照鋁的質(zhì)量百分比為2.2%，銅的質(zhì)量百分比為97.8%真空感應(yīng)熔煉，澆鑄成銅鋁合金板材；
(2)將步驟(I)所得板材經(jīng)銑床加工進行表面處理，除去表面缺陷和夾雜后，860°C保溫1.5小時；
(3)將步驟(2)所得板材進行3個道次熱軋，板材厚度變?yōu)?.6mm ；
(4)將步驟(3)所得板材760°C下真空退火3.5小時；
(5)將步驟(4)所得板材經(jīng)表面處理，板材厚度為8.5mm ；
(6)將步驟(5)所得銅鋁合金板材浸入液氮中冷卻7min，隨即在變形溫度略高于77K的條件下冷軋。軋制過程中要保證的是軋制前后板材的應(yīng)變量達到929Γ98%，且每道次軋制之前都要浸入液氮中冷卻7min,板材最終厚度為0.55mm ；
(7)將步驟(6)所得板材在340°C下真空退火1.5小時；
(8)將步驟(7)所得板材進行拋光處理，隨即在液氮環(huán)境下對拋光板材進行表面機械研磨處理，時間為6min，表面納米化試驗機的振動頻率為45Hz，不銹鋼球直徑為8.5mm,從而制得高強度、強塑性的銅鋁合金，其中鋁的質(zhì)量百分比為2.2%，銅的質(zhì)量百分比為97.8%。
[0019]本實施例制備得到的銅鋁合金在室溫下的拉伸曲線如圖1中曲線3所示，由圖可以看出:所制備得到的銅鋁合金屈服強度為266.9MPa，抗拉強度為327.4MPa，均勻延伸率為25.3% ;和軋制后300°C退火I小時的Cu-2.2A1相比，本實施例制備得到的銅鋁合金屈服強度提升50.8%，抗拉強度提升3%，均勻延伸率僅降低10%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性同時得到提升。
[0020]通過分析實施例1和實施例2，真空或液氮環(huán)境下表面機械研磨處理對材料屈服強度、抗拉強度、均勻延伸率沒有顯著影響。
[0021]實施例3
(1)將純度為99.99%的純銅和純度為99.99%的純鋁，按照鋁的質(zhì)量百分比為4.5%，銅的質(zhì)量百分比為95.5%真空感應(yīng)熔煉，澆鑄成銅鋁合金板材；
(2)將步驟(I)所得板材經(jīng)銑床加工進行表面處理，除去表面缺陷和夾雜后，880°C保溫1.5小時；
(3)將步驟(2)所得板材進行3個道次熱軋，板材厚度變?yōu)?.3mm ；
(4)將步驟(3)所得板材780°C下真空退火3.5小時；
(5)將步驟(4)所得板材經(jīng)表面處理，板材厚度為8.2mm ；
(6)將步驟(5)所得銅鋁合金板材浸入液氮中冷卻8min，隨即在變形溫度略高于77K的條件下冷軋，軋制過程中要保證的是軋制前后板材的應(yīng)變量達到929Γ98%，且每道次軋制之前都要浸入液氮中冷卻8min,板材最終厚度為0.75mm ；
(7)將步驟(6)所得板材在310°C下真空退火I小時；
(8)將步驟(7)所得板材進行拋光處理，隨即在真空環(huán)境下對拋光板材進行表面機械研磨處理，時間為8min，表面納米化試驗機的振動頻率為50Hz，不銹鋼球直徑為8.5mm,從而制得高強度、強塑性的銅鋁合金，其中鋁的質(zhì)量百分比為4.5%，銅的質(zhì)量百分比為95.5%。
[0022]本實施例制備得到的銅鋁合金在室溫下的拉伸曲線如圖2中曲線2所示，由圖可以看出:所制備得到的銅鋁合金屈服強度為372.7MPa，抗拉強度為493.3MPa，均勻延伸率為28.9% ;和軋制后300°C退火I小時的Cu-4.5A1相比，本實施例制備得到的銅鋁合金屈服強度提升27%，均勻延伸率僅降低11%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性同時得到提升。
[0023]實施例4
(1)將純度為99.99%的純銅和純度為99.99%的純鋁，按照鋁的質(zhì)量百分比為4.5%，銅的質(zhì)量百分比為95.5%真空感應(yīng)熔煉，澆鑄成銅鋁合金板材；
(2)將步驟(I)所得板材經(jīng)銑床加工進行表面處理，除去表面缺陷和夾雜后，900°C保溫2小時；
(3)將步驟(2)所得板材進行3個道次熱軋，板材厚度變?yōu)?.9mm ；
(4)將步驟(3)所得板材800°C下真空退火4小時；
(5)將步驟(4)所得板材經(jīng)表面處理，板材厚度為7.9mm ；
(6)將步驟(5)所得銅鋁合金板材浸入液氮中冷卻lOmin，隨即在變形溫度略高于77K的條件下冷軋。軋制過程中要保證的是軋制前后板材的應(yīng)變量達到929Γ98%，且每道次軋制之前都要浸入液氮中冷卻1min,板材最終厚度為0.6mm ；
(7)將步驟(6)所得板材在300°C下真空退火I小時；
(8 )將步驟(7 )所得板材進行拋光處理，隨即在液氮環(huán)境下對拋光板材進行表面機械研磨處理，時間為lOmin，表面納米化試驗機的振動頻率為50Hz，不銹鋼球直徑為10mm，從而制得高強度、強塑性的銅鋁合金，其中鋁的質(zhì)量百分比為4.5%，銅的質(zhì)量百分比為95.5%。
[0024]本實施例制備得到的銅鋁合金在室溫下的拉伸曲線如圖2曲線I所示，由圖可以看出:所制備得到的銅鋁合金屈服強度為495.7MPa，抗拉強度為583.0MPa ;和軋制后300°C退火I小時的Cu-4.5A1相比，本實施例制備得到的銅鋁合金屈服強度提升69%，抗拉強度提升19%，均勻延伸率為15.4%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性同時得到提升。
[0025] 通過分析實施例3和實施例4，液氮環(huán)境下表面機械研磨處理相比于真空條件下，屈服強度、抗拉強度均有顯著提升，分別提升33%，18%，塑性卻有所降低。
【權(quán)利要求】
1.一種同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)將銅鋁合金板材經(jīng)銑床加工進行表面處理，除去表面缺陷和雜質(zhì)后，于85(T900°C保溫f 2小時； (2)將步驟(I)所得板材進行3個道次熱軋，板材厚度變?yōu)?.9^9.9mm ； (3)將步驟(2)所得板材75(T800°C下真空退火3?4小時；然后經(jīng)表面處理，板材厚度為 7.9?8.9mm ； (4)將步驟(3)所得銅鋁合金板材浸入液氮中冷卻5?10min，隨即在變形溫度略高于77K的條件下冷軋；軋制前后板材的應(yīng)變量達到929Γ98%，且每道次軋制之前都要浸入液氮中冷卻5?1min,板材最終厚度為0.5^0.6mm ； (5)將步驟(6)所得板材在30(T350°C下真空退火f1.5小時； (6)將步驟(7)所得板材進行拋光處理，隨即在真空或液氮環(huán)境下對拋光板材進行表面機械研磨處理，時間為5?10min，從而制備得到銅鋁合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法，其特征在于:所述銅鋁合金中鋁的質(zhì)量百分比為2.29Γ4.5%，銅的質(zhì)量百分比為97.8%?95.5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法，其特征在于:步驟(8)所述真空環(huán)境下表面機械研磨處理，處理溫度為室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時提高銅鋁合金強度和塑性的方法，其特征在于:步驟(8)所述表面機械研磨處理通過表面納米化試驗機完成，表面納米化試驗機的振動頻率為2(Γ50Ηζ，所用到的不銹鋼球直徑為8?10mm。
【文檔編號】C22F1/08GK104388859SQ201410656243
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】孫樂樂, 朱心昆 申請人:昆明理工大學(xué)