一種納米晶銅材料及其應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米晶材料技術領域，具體涉及一種納米晶銅材料及其應用。
【背景技術】
[0002] 電源與用電體通常用間刀開關來控制其截斷與導通，各種規(guī)格和型號的間刀開 關，作為用電終端的控制部件，W其使用方便而廣泛應用不同配電設施中。間刀開關中的導 電部件（靜觸頭和動觸頭）通常采用紫銅制成。紫銅具有優(yōu)良的導電性能，但它的強度欠 佳，容易變形，因電弧放電而退火之后的紫銅尤甚。另外由于間刀開關在通、斷電時的溫度 差異，特別是應用于使用溫差較大的領域時，紫銅材料容易隨溫度的變化產(chǎn)生變形及熱量 變化，送可能導致接觸導電元件出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象并影響使用壽命。而隨著間刀開關在 使用過程中重復開、關次數(shù)的增加，紫銅接觸面（或點）間的摩擦磨損量增大，送些都會進 一步導致間刀開關使用壽命縮短，嚴重者還可能導致斷相而燒壞用電設備，如應用于苛刻 環(huán)境中還會對其耐腐能力有更大的要求。
[0003] 銅軸套主要用于在軸上滑動，是機械上的重要組成件。銅軸套在機器中的作用就 是減少摩擦、減少震動、防腐蝕、減少噪音、便于維修、簡化結構制造工藝。在運動部件中，由 于長期摩擦會造成銅軸套磨損，在一些場合還將其用于防腐，即通過銅軸套將軸與有害介 質(zhì)隔絕開來。當銅軸套磨損或腐蝕到一定程度，則需要進行更換。而對于一些結構復雜設 備或應用于苛刻環(huán)境中的設備而言，零件的檢修困難，更換零件難度很大。因此提高銅軸套 的耐磨及耐腐蝕性能，進而增加軸的使用壽命具有重要研究價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種納米晶銅材料及其應用，用于制備納米晶銅的原材料 選擇范圍廣、方法簡單、適宜產(chǎn)業(yè)化要求，所制備的納米晶銅材料可用于制作電器間刀開關 導電部件和軸上滑動銅軸套，能夠提高零件的耐磨、耐蝕性能及穩(wěn)定性，在極端工作環(huán)境中 延長零件使用壽命。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是：
[0006] -種納米晶銅材料，該納米晶銅材料是選擇普通工業(yè)銅作為原材料，并按如下步 驟制備；1)熱社；2)高溫退火；退火溫度在300~40(TC (優(yōu)選為320~35(TC )范圍內(nèi)， 退火時間為2~5小時；3)深度冷社，冷社變形度為70~90% ;從而獲得所述納米晶銅材 料。
[0007] 采用上述方法制備的納米晶銅材料，在2-200K溫度范圍內(nèi)，其線膨脹系數(shù)為 (1.01 ~1.98) XlO - ^/K，定壓比熱為 201 ~317J/kg.K。
[0008] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點和積極效果：
[0009] 1、本發(fā)明采用普通原料（紫銅）、普通制備工藝（常規(guī)熱處理、熱社和冷社）獲得 納米晶銅材料，所制備的納米晶銅材料晶粒尺寸小，能制備大尺寸樣品，適宜產(chǎn)業(yè)化要求， 樣品大小可做標準拉伸性能實驗。而現(xiàn)有納米晶銅材料晶粒尺寸偏大、樣品尺寸大時則 存在成分不均勻、性能不穩(wěn)定等弊端。如R.Z. Valiev采用深度塑性變形（Sever Plastic De化rmation，縮寫；SPD)的特殊加工制備的納米晶銅尺寸大于本申請，采用SPD方法使用 的樣品一般為Φ20X (70~100)mm3。
[0010] 2、本發(fā)明納米晶銅材料，低溫條件下（80K~300K)其各項性能優(yōu)于普通紫銅材料 及現(xiàn)有納米晶銅，如：抗磨損性能、耐蝕性能及抗形變能力等，且各項性能穩(wěn)定。
[0011] 3、本發(fā)明納米晶銅材料在2-200K溫度范圍內(nèi)，其線膨脹系數(shù)為（1.01~ 1.98) X10-5/K，定壓比熱為 201 ~317J/kg.K。
[0012] 4、本發(fā)明納米晶銅材料可用于制作間刀開關導電部件或納米晶銅軸套零件，將其 應用于低溫條件下，在經(jīng)過多次重復開、關或長時間使用之后，仍具有接觸良好、能耗較小， 使用性能可靠 W及使用壽命長等優(yōu)點。而采用普通紫銅制作的間刀開關和滑動軸套，使用 溫度上限4(TC，下限-5Γ，而采用現(xiàn)有技術中的納米晶銅材料則由于其無法制備大尺寸樣 品而無法用于制備間刀開關或軸套零件，且本發(fā)明納米晶銅材料的磨損性能、穩(wěn)定性及耐 蝕能力等也遠優(yōu)于現(xiàn)有銅或納米晶銅材料。
【具體實施方式】
[0013] W下結合實施例詳述本發(fā)明。
[0014] 實施例1
[0015] 本實施例選擇紫銅（本實施例采用Φ 20)為原材料，按如下步驟操作：
[0016] 1.熱社；將所述紫銅社到4毫米厚；
[0017] 2.熱處理：高溫退火，高溫至310。保持2小時；
[0018] 3.冷社；將4毫米厚紫銅材料冷社到0. 8毫米，其冷社變形按長度計算為85%，即 獲得納米晶銅材料。
[0019] 本實施例做出[0.8X35mmX任意長]的納米晶紫銅，通過X射線和透射電鏡分 析，本發(fā)明晶粒已達到納米尺度范圍，晶粒度測試結果見表1。
[0020] 表1為實施例1晶粒度測試結果
[0021]
防)2引其中;*扣除了樣品中殘余應力效應。
[0023] 本實施例所制備的納米晶銅材料經(jīng)測試，2-200K范圍內(nèi)，其線膨脹系數(shù)為 (1.21 ~1.62)X10-5/K。2-200K 范圍內(nèi)定壓比熱為 223 ~287J/kg. K。
[0024] 對比例1
[00巧]本例選擇紫銅（本實施例采用Φ 20)為原材料，按如下步驟操作：
[0026] 1.熱社；，將所述紫銅社到4毫米厚；
[0027] 2.熱處理：高溫退火，高溫至40(TC，保持2小時；
[0028] 3.冷社；將4毫米厚紫銅材料冷社到0. 8毫米，其冷社變形按長度計算為98 %，即 獲得納米晶銅材料。
[0029] 本發(fā)明實施例已可做出[0.8X35mmX任意長]的納米晶紫銅，通過X射線和透射 電鏡分析，本發(fā)明晶粒已達到納米尺度范圍，晶粒度測試結果見表2。
[0030] 表2為實施例1晶粒度測試結果
[0031]
陽032] 其中；*扣除了樣品中殘余應力效應。
[0033] 本例所制備的納米晶銅材料經(jīng)測試，2-200K范圍內(nèi)，其線膨脹系數(shù)為化01~ 2. 68) X10-5/K。2-200K 范圍內(nèi)定壓比熱為 283 ~370J/kg. K。。
[0034] 實施例2
[0035] 本實施例選擇紫銅（本實施例采用Φ 30)為原材料，按W下步驟操作：
[003引1.熱社；將所述紫銅社到4毫米厚；
[0037] 2.熱處理：高溫退火，高溫至35(TC，保持5小時；
[0038] 3.冷社；將4毫米厚紫銅材料冷社到1. 0毫米，其冷社變形按長度計算為85 %，即 獲得納米晶紫銅材料。
[0039] 本實施例已可做出[1.0X45mmX任意長]的納米晶紫銅，通過X射線和透射電鏡 分析，本發(fā)明晶粒已達到納米尺度范圍，晶粒度測試結果見表3。
[0040] 表3為實施例2晶粒度測試結果
[0041]
防)4引其中;*扣除了樣品中殘余應力效應。
[0043] 本實施例所得納米晶銅材料其線膨脹系數(shù)2-200K范圍內(nèi)，其線膨脹系數(shù)為 (1.01 ~1.98)X10 -5/K。2-200K 范圍內(nèi)定壓比熱為 251 ~357J/kg. K。。
[0044] 對比例2
[0045] 本例選擇紫銅（本實施例采用Φ 30)為原材料，按W下步驟操作：
[0046] 1.熱社；將所述紫銅社到4毫米厚；
[0047] 2.熱處理：高溫退火，高溫至50(TC，保持5小時；
[0048] 3.冷社；將4毫米厚紫銅材料冷社到1. 0毫米，其冷社變形按長度計算為95 %，即 獲得納米晶紫銅材料。
[0049] 本發(fā)明實施例已可做出[1.0X45mmX任意長]的納米晶紫銅，通過X射線和透射 電鏡分析，本發(fā)明晶粒已達到納米尺度范圍，晶粒度測試結果見表4。
[0050] 表4為對比例2晶粒度測試結果
[0051]
陽052] 其中；*扣除了樣品中殘余應力效應。
[0053] 本例所得納米晶銅材料，其線膨脹系數(shù)2-200K范圍內(nèi)，其線膨脹系數(shù)為化51~ 3. 18)X10 -5/K。2-200K 范圍內(nèi)定壓比熱為 301 ~373J/kg. K。
[0054] 將上述實施例及對比例制備的納米晶銅材料進行室溫條件下的滑動摩擦磨損實 驗，實驗過程如下：
[00巧]采用化timol SRV III球盤式磨損實驗機研究樣品摩擦磨損性能。將樣品切割為 1mm(或0.8mm) X8mmX3mm，對磨副選用直徑為10mm的WC-Co球，硬度為Ην1750。實驗條件 為：室溫，空氣濕度40~50%，載荷5~200Ν，振動頻率5~20Ηζ，振幅50 μ m或2mm，滑動 時間為比。摩擦系數(shù)由實驗機自備軟件換算自動記錄。磨損率W由公式W = V/NS計算，其 中V為磨損體積，N為載荷，S為滑動距離。
[0056] 實驗結果如下：實施例摩擦次數(shù)1萬次，樣品表面磨損量為3~5%，普通紫銅材 料摩擦次數(shù)1萬次，樣品表面磨損量為10%。可見本申請納米晶銅材料能夠改善零件的耐 磨性，延長零件使用壽命。
【主權項】
1. 一種納米晶銅材料，其特征在于：該納米晶銅材料是選擇普通工業(yè)銅作為原材料， 并按如下步驟制備獲得： 1) 熱軋； 2) 高溫退火：退火溫度在300~400°C范圍內(nèi)，退火時間為2~5小時； 3) 深度冷軋：冷軋變形度為70~90%。2. 根據(jù)權利要求1所述的納米晶銅材料，其特征在于：步驟（2)中，退火溫度為320~ 350。。。3. 根據(jù)權利要求1所述的納米晶銅材料，其特征在于：所述納米晶銅材料在2-200K溫 度范圍內(nèi)，其線膨脹系數(shù)為（1. 01~1. 98) X10_5/K，定壓比熱為201~317J/kg. K。4. 根據(jù)權利要求1所述的納米晶銅材料的應用，其特征在于：所述納米晶銅材料用于 制作閘刀開關導電部件或納米晶銅軸套零件。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米晶銅材料及其應用，屬于納米晶材料技術領域。所述納米晶銅材料是選擇普通工業(yè)銅材料，按如下步驟制備而成：1)熱軋；2)高溫退火，溫度在300～400℃范圍內(nèi)，時間為2～5小時；3)深度冷軋，冷軋變形度為70～90％。本發(fā)明制備納米晶銅的原材料選擇范圍廣、方法簡單、適宜產(chǎn)業(yè)化要求，所制備的納米晶銅材料可用于制作電器閘刀開關導電部件或軸的滑動套，能夠提高零件的耐磨、耐蝕性能及穩(wěn)定性，在極端工作環(huán)境中延長零件使用壽命。
【IPC分類】C22F1/08
【公開號】CN105586554
【申請?zhí)枴緾N201410562186
【發(fā)明人】王勝剛, 龍康
【申請人】中國科學院金屬研究所
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2014年10月21日