專利名稱：一種高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超細(xì)晶塊體金屬材料及其制備方法，具體地說是一種高強(qiáng)度超細(xì)晶銅鍺合金，以及利用低溫大塑性變形制備超細(xì)晶銅鍺合金的方法，屬于超細(xì)晶金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通常強(qiáng)化金屬的方法有固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化等，其中細(xì)晶強(qiáng)化反映了晶粒大小與材料強(qiáng)度的關(guān)系(Hall — Petch關(guān)系)，是唯一能同時(shí)提高強(qiáng)度、改善塑性與韌性的有效手段。目前，通常采用大塑性變形(Severe Plastic Deformation, SPD) 方法來制備界面清潔、密實(shí)的塊體超細(xì)晶材料。但研究表明，用大塑性變形方法制備的金屬材料，晶粒尺寸可以降低到1 μ m以下，強(qiáng)度可以得到極大提高，但室溫拉伸塑性卻很低。這就極大地限制了超細(xì)晶材料的工程應(yīng)用。低塑性的主要原因是晶粒尺寸小以及位錯(cuò)密度已經(jīng)達(dá)到飽和，使得超細(xì)晶材料加工硬化能力缺失，過早發(fā)生斷裂。位錯(cuò)和孿生是金屬材料塑性變形的兩種基本方式。通過孿生變形可以產(chǎn)生大量的共格孿晶界。孿晶界是一種特殊的晶界，比普通晶界更加穩(wěn)定。孿晶界可有效阻礙位錯(cuò)，具有和普通晶界相似的強(qiáng)化作用，又可作為位錯(cuò)的滑移面儲(chǔ)存大量位錯(cuò)，提高材料的加工硬化能力，從而提高材料的拉伸塑性。純銅具有面心立方結(jié)構(gòu)和中等層錯(cuò)能，在室溫或低速率變形條件下，主要通過位錯(cuò)滑移來產(chǎn)生塑性變形，不會(huì)產(chǎn)生變形孿晶。研究表明，通過調(diào)整以下的材料參數(shù)和變形條件有利于高密度變形孿晶的形成降低層錯(cuò)能；提高應(yīng)變速率；降低變形溫度；減小晶粒尺寸。要降低層錯(cuò)能，可以往純銅里添加適當(dāng)?shù)钠渌?。研究表明，在純銅里加入適量的鍺形成銅鍺合金，可以大大地降低層錯(cuò)能。采用冷塑性加工的工藝制備高強(qiáng)度超細(xì)晶銅鍺合金，可以在提高強(qiáng)度的同時(shí)還能獲得一定的塑性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用合金化降低層錯(cuò)能，通過在低溫條件下的大塑性變形工藝，在銅鍺合金內(nèi)部引入變形孿晶，從而制備出高強(qiáng)度超細(xì)晶銅鍺合金，獲得比超細(xì)晶純銅更好的綜合力學(xué)性能。該方法成本低，加工工藝簡單，通過下列技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供所述一種高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，由下列組分組成銅的質(zhì)量百分比為99. 89% 89. 85%，鍺的質(zhì)量百分比為0. 11% 10. 15%。本發(fā)明的另一目的在于提供一種高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金的制備方法，經(jīng)過下列各工藝步驟
A.將純度為99. 95% 99. 99%的純銅和純度為99. 95% 99. 99%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為99. 89% 89. 85%、鍺的質(zhì)量百分比為0. 11% 10. 15%混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；B、將步驟A所得銅鍺合金棒材在700°C 900°C下進(jìn)行真空退火1 3小時(shí)；
C、在溫度為700°C 900°C、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行鍛造；
D、將步驟C所得銅鍺合金在700°C 900°C下進(jìn)行真空退火1 3小時(shí)，以消除內(nèi)應(yīng)力， 獲得均勻的微觀組織；
E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；
F、在變形溫度范圍為低于-100°C并高于液氮溫度、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為99. 89% 89. 85%，鍺的質(zhì)量百分比為0. 11% 10. 15%。所述退火處理為現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)退火工藝。所述鍛造為現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)鍛造工藝。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果采用上述方案，通過加入鍺元素降低銅的層錯(cuò)能，從而獲得比較優(yōu)異的力學(xué)性能；即通過對(duì)合金含量、變形溫度和變形量的控制，使低層錯(cuò)能銅鍺合金在低溫(液氮溫度)下，盡量提高變形速率，發(fā)生大塑性變形，引入大量變形孿晶，使銅鍺合金獲得較高的強(qiáng)度。本發(fā)明通過簡單的制備過程，即可獲得室溫拉伸強(qiáng)度為467MPa 802MPa的銅鍺合金，為獲得較高強(qiáng)度，同時(shí)塑性又較好的銅鍺合金奠定了基石出。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。實(shí)施例1
A、將純度為99.95%的純銅和純度為99. 99%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為99. 89%、鍺的質(zhì)量百分比為0. 11%混合后，在中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；
B、將步驟A所得銅鍺合金棒材在840°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火2小時(shí)；
C、在溫度為800°C、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行常規(guī)鍛造；
D、將步驟C所得銅鍺合金在840°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火2小時(shí)，以消除內(nèi)應(yīng)力，獲得均勻的微觀組織；
E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；
F、在變形溫度范圍為低于-100°C并高于液氮溫度、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行常規(guī)鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為99. 89%，鍺的質(zhì)量百分比為0. 11%。制得的超細(xì)晶塊體銅鍺合金在室溫下的拉伸屈服強(qiáng)度為467MPa。實(shí)施例2
A.將純度為99.99%的純銅和純度為99. 95%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為93. 、鍺的質(zhì)量百分比為6. 46%混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；
B.將步驟A所得銅鍺合金棒材在840°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火2小時(shí)；
C.在溫度為800°C、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行常規(guī)鍛造；D、將步驟C所得銅鍺合金在840°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火2小時(shí)，以消除內(nèi)應(yīng)力，獲得均勻的微觀組織；
E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；
F、在變形溫度范圍為低于-100°C并高于液氮溫度、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行常規(guī)鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為93. ，鍺的質(zhì)量百分比為6. 46%。制得的超細(xì)晶塊體銅鍺合金在室溫下的拉伸屈服強(qiáng)度為770MPa。實(shí)施例3
A、將純度為99.96%的純銅和純度為99. 98%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為89. 85%、鍺的質(zhì)量百分比為10. 15%混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；
B、將步驟A所得銅鍺合金棒材在840°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火2小時(shí)；
C、在溫度為800°C、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行常規(guī)鍛造；
D、將步驟C所得銅鍺合金在840°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火2小時(shí)，以消除內(nèi)應(yīng)力，獲得均勻的微觀組織；
E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；
F、在變形溫度范圍為低于-100°C并高于液氮溫度、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行常規(guī)鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為89. 85%，鍺的質(zhì)量百分比為10. 15%。制得的超細(xì)晶塊體銅鍺合金在室溫下的拉伸屈服強(qiáng)度為802MPa。實(shí)施例4
A、將純度為99.99%的純銅和純度為99. 99%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為96. 36%、鍺的質(zhì)量百分比為3. 64%混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；
B、將步驟A所得銅鍺合金棒材在700°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火3小時(shí)；
C、在溫度為900°C、變形速率為10_4/s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行常規(guī)鍛造；
D、將步驟C所得銅鍺合金在900°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火1小時(shí)，以消除內(nèi)應(yīng)力，獲得均勻的微觀組織；
E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；
F、在變形溫度為-100°C、變形速率為102/s的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行常規(guī)鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為 96. 36%，鍺的質(zhì)量百分比為3. 64%。制得的超細(xì)晶塊體銅鍺合金在室溫下的拉伸屈服強(qiáng)度為 582MPa。實(shí)施例5
A.將純度為99.95%的純銅和純度為99. 98%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為94. 3%、鍺的質(zhì)量百分比為5. 7%混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；
B.將步驟A所得銅鍺合金棒材在900°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火1小時(shí)；
C.在溫度為700°C、變形速率為102/s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行常規(guī)鍛造；D、將步驟C所得銅鍺合金在700°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火3小時(shí)，以消除內(nèi)應(yīng)力，獲得均勻的微觀組織；
E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；
F、在變形溫度為-196°C、變形速率為10_4/s的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行常規(guī)鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為 94. 3%，鍺的質(zhì)量百分比為5. 7%。制得的超細(xì)晶塊體銅鍺合金在室溫下的拉伸屈服強(qiáng)度為 726MPa0 實(shí)施例6
A、將純度為99.99%的純銅和純度為99. 98%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為91. 0%、鍺的質(zhì)量百分比為9. 0%混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；
B、將步驟A所得銅鍺合金棒材在800°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火3小時(shí)；
C、在溫度為750°C、變形速率為10_7s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行常規(guī)鍛造；
D、將步驟C所得銅鍺合金在820°C下進(jìn)行常規(guī)真空退火2小時(shí)，以消除內(nèi)應(yīng)力，獲得均勻的微觀組織；
E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；
F、在變形溫度為-150°C、變形速率為10_3/S的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行常規(guī)鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為 91. 0%，鍺的質(zhì)量百分比為9. 0%。制得的超細(xì)晶塊體銅鍺合金在室溫下的拉伸屈服強(qiáng)度為 785MPa0
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其特征在于由下列組分組成銅的質(zhì)量百分比為 99. 89% 89. 85%，鍺的質(zhì)量百分比為0. 11% 10. 15%。
2.—種權(quán)利要求1所述高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金的制備方法，其特征在于經(jīng)過下列各工藝步驟A、將純度為99.95% 99. 99%的純銅和純度為99. 95% 99. 99%的純鍺，按銅的質(zhì)量百分比為99. 89% 89. 85%、鍺的質(zhì)量百分比為0. 11% 10. 15%混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；B、將步驟A所得銅鍺合金棒材在700°C 900°C下進(jìn)行真空退火1 3小時(shí)；C、在溫度為700°C 900°C、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，對(duì)步驟B所得銅鍺合金棒材進(jìn)行鍛造；D、將步驟C所得銅鍺合金在700°C 900°C下進(jìn)行真空退火1 3小時(shí)；E、將步驟D所得銅鍺合金浸入液氮中冷卻至合金自身溫度達(dá)到液氮溫度后取出；F、在變形溫度范圍為低于-100°C并高于液氮溫度、變形速率為10_4/s 102/s的條件下，再次對(duì)步驟E所得銅鍺合金進(jìn)行鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金，其銅的質(zhì)量百分比為99. 89% 89. 85%，鍺的質(zhì)量百分比為0. 11% 10. 15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金的制備方法，其特征在于所述退火為現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)退火工藝。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金的制備方法，其特征在于所述鍛造為現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)鍛造工藝。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金及其制備方法，該高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金由下列組分組成銅的質(zhì)量百分比為99.89%～89.85%，鍺的質(zhì)量百分比為0.11%～10.15%。通過將純銅和純鍺按比例混合后進(jìn)行熔煉，澆鑄成銅鍺合金棒材；再真空退火、然后進(jìn)行鍛造；再真空退火獲得均勻的微觀組織；接著浸入液氮中冷卻，最后進(jìn)行鍛造，從而制得含變形孿晶的高強(qiáng)度超細(xì)晶塊體銅鍺合金。通過加入鍺元素降低銅的層錯(cuò)能，引入大量變形孿晶，使銅鍺合金獲得較高的強(qiáng)度，從而獲得比較優(yōu)異的力學(xué)性能。本發(fā)明通過簡單的制備過程，即可獲得室溫拉伸強(qiáng)度為467～802MPa的銅鍺合金。
文檔編號(hào)C22C1/02GK102534293SQ20121001124
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者傘星源, 吳小香, 朱心昆, 程蓮萍, 龍燕, 龔玉蘭 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)