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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410656243.0 (22)申请日 2014.11.18 C22F 1/08(2006.01) (71)申请人 昆明理工大学 地址 650093 云南省昆明市五华区学府路 253 号 (72)发明人 孙乐乐 朱心昆 (54) 发明名称 一种同时提高铜铝合金强度和塑性的方法 (57) 摘要 本发明提供一种同时提高铜铝合金强度和 塑性的方法， 属于材料加工技术领域 ； 将纯铜和 纯铝按比例混合后真空感应熔炼， 浇铸成铜铝合 金板材 ； 对板材进行热处理 （850900保温 12 小时） ； 然后将板材进行 3 个道次热轧， 之后在 。
2、750800下真空退火 34 小时， 经上述加工和热 处理后板材厚 7.98.9mm ； 将铜铝合金板材浸入 液氮中冷却 510min 后冷轧， 此过程中要保证轧 制前后板材的应变量达到 92%98%， 且每道次轧 制之前都要浸入液氮中冷却 510min， 板材最终 厚 0.50.6mm ； 将板材 300350低温退火 11.5 小时 ； 然后在真空或液氮下对板材进行表面机械 研磨处理 (SMAT)。本发明制备出的 Cu-4.5%Al 合 金液氮下SMAT后抗拉强度为583MPa， 均匀延伸率 为 15.4%， 同时所制备出的板材又具有优异的表 面耐磨性、 耐腐蚀性、 抗疲劳性能。 (51)。
3、Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104388859 A (43)申请公布日 2015.03.04 CN 104388859 A 1/1 页 2 1. 一种同时提高铜铝合金强度和塑性的方法， 其特征在于， 具体包括以下步骤 ： （1） 将铜铝合金板材经铣床加工进行表面处理， 除去表面缺陷和杂质后， 于 850900 保温 12 小时 ； （2） 将步骤 （1） 所得板材进行 3 个道次热轧， 板材厚度变为 8.99.9mm ； （3） 将步骤 （2） 所得板材 750800下真空退火 34。
4、 小时 ； 然后经表面处理， 板材厚度 为 7.98.9mm ； （4） 将步骤 （3） 所得铜铝合金板材浸入液氮中冷却 510min， 随即在变形温度略高于 77K 的条件下冷轧 ； 轧制前后板材的应变量达到 92%98%， 且每道次轧制之前都要浸入液氮 中冷却 510min， 板材最终厚度为 0.50.6mm ； （5） 将步骤 （6） 所得板材在 300350下真空退火 11.5 小时 ； （6） 将步骤 （7） 所得板材进行抛光处理， 随即在真空或液氮环境下对抛光板材进行表面 机械研磨处理， 时间为 510min， 从而制备得到铜铝合金。 2. 根据权利要求 1 所述的同时提高铜铝合金。
5、强度和塑性的方法， 其特征在于 ： 所述铜 铝合金中铝的质量百分比为 2.2%4.5%， 铜的质量百分比为 97.8%95.5%。 3.根据权利要求1所述的同时提高铜铝合金强度和塑性的方法， 其特征在于 ： 步骤 （8） 所述真空环境下表面机械研磨处理， 处理温度为室温。 4. 根据权利要求 1 所述的同时提高铜铝合金强度和塑性的方法， 其特征在于 ： 步骤 （8） 所述表面机械研磨处理通过表面纳米化试验机完成， 表面纳米化试验机的振动频率为 2050Hz， 所用到的不锈钢球直径为 810mm。 权 利 要 求 书 CN 104388859 A 2 1/5 页 3 一种同时提高铜铝合金强度和塑。
6、性的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种同时提高铜铝合金强度和塑性的方法， 属于材料加工技术领域。 背景技术 0002 通常强化材料的手段有固溶强化、 第二相强化、 细晶强化和位错强化等， 其本质都 是在材料中引入各类点、 线、 面缺陷， 阻碍位错运动从而达到强化材料的目的。在这些所有 的强化机制中， 细晶强化作为唯一一种既能提高材料强度同时又能改善塑性的方法受到了 科研工作者的重视。 0003 过去几十年里， 纳米材料因其具有优异的力学性能受到广泛研究， 与传统粗晶材 料相比， 纳米材料具有高的硬度、 强度， 好的耐磨性、 耐腐蚀性、 抗疲劳特性。 与此同时， 也出 现了许多的纳米体材料。
7、制备技术。这些制备方法可以分为两大类 ： 一类方法 “自下而上” ， 以单个原子或纳米颗粒为基本单元制备而得 ； 另一类方法 “自上而下” ， 通过特定的加工工 艺在材料内部引入大量的位错孪晶等缺陷， 细化原粗晶晶粒。大塑性变形技术是在 20 世纪 90 年代由俄罗斯科学家 R.Z.Valiev 在进行纯剪切大变形试验的基础上发展而来， 所谓大 塑性变形， 就是使得材料经过剧烈的塑性变形从而制备块体纳米材料的方法， 现在常用的 大塑性变形工艺有 ： 等径角挤压 （ECAP） 、 高压扭转 （HPT） 、 霍普金森技术 （SHPB） 等。 0004 通过大塑性变形工艺将材料做到纳米尺寸后， 虽然。
8、强度得到了大幅度提高， 但塑 性往往很差， 断裂延伸率常常不足 5%， 这就限制了纳米材料的应用领域。其原因可归纳为 ： 纳米材料晶粒尺寸细小， 导致位错被晶界吸收而无法在后续的塑性变形中得到积累， 丧失 加工硬化能力， 从而表现出低的延伸率。 0005 大多数材料的失效如疲劳断裂、 磨损、 腐蚀等都是从表面开始， 因此材料的表面结 构和性能对其整体性能起到至关重要的作用。通过表面机械研磨处理 （SMAT） 工艺， 材料表 面的粗晶晶粒可以细化至 100 个纳米以下， 但是心部仍然保持着原粗晶晶粒， 从而造成一 种从表面到心部晶粒不断细化的梯度结构， 因此在提高材料强度的同时又保持着良好的塑 。
9、性。 0006 但是通过表面机械研磨处理工艺 （SMAT） ， 材料强度提高很有限。本发明利用液氮 轧制工艺产生大塑性变形， 大幅提高材料强度 ； 经过 300低温退火软化基体、 消除微观应 力 ； 最后经过表面机械研磨处理， 强化材料表层， 但心部仍保持其良好塑性， 从而形成一种 强韧性配合的材料。 发明内容 0007 本发明目的在于提供一种通过液氮轧制、 低温退火、 表面机械研磨处理相结合的 方法， 获得一种比大塑性变形塑性好， 比表面机械研磨处理强度更高， 综合性能优异的材 料， 且通过这种工艺， 材料表层得到强化， 耐磨性、 耐腐蚀性、 疲劳性能得到大幅提高。 0008 本发明所述方法。
10、具体经过以下步骤 ： （1） 将铜铝合金板材经铣床加工进行表面处理， 除去表面缺陷和杂质后， 于 850900 说 明 书 CN 104388859 A 3 2/5 页 4 保温 12 小时 ； （2） 将步骤 （1） 所得板材进行 3 个道次热轧， 板材厚度变为 8.99.9mm ； （3） 将步骤 （2） 所得板材 750800下真空退火 34 小时 ； 然后经表面处理， 板材厚度 为 7.98.9mm ； （4） 将步骤 （3） 所得铜铝合金板材浸入液氮中冷却 510min， 随即在变形温度略高于 77K 的条件下冷轧 ； 轧制前后板材的应变量达到 92%98%， 且每道次轧制之前都要浸。
11、入液氮 中冷却 510min， 板材最终厚度为 0.50.6mm ； （5） 将步骤 （6） 所得板材在 300350下真空退火 11.5 小时 ； （6） 将步骤 （7） 所得板材进行抛光处理， 随即在真空或液氮环境下对抛光板材进行表面 机械研磨处理， 时间为 510min， 从而制备得到铜铝合金。 0009 本发明所述铜铝合金中铝的质量百分比为 2.2%4.5%， 铜的质量百分比为 97.8%95.5%。 0010 本发明步骤 （8） 所述真空环境下表面机械研磨处理， 处理温度为室温。 0011 本发明步骤 （8） 所述表面机械研磨处理通过表面纳米化试验机完成， 表面纳米化 试验机的振动频。
12、率为 2050Hz， 所用到的不锈钢球直径为 810mm。 0012 本发明所述退火为现有技术中常规退火工艺。 0013 本发明所述轧制为现有技术中常规轧制工艺。 0014 本发明和现有技术比较其优点在于 ： （1） 本发明所述方法制备的铜铝合金材料的强度得到大幅提高， 同时又保持其好的塑 性， 且表面性能得到改善 ； 具体来说 ： 通过液氮下轧制晶粒尺寸可达 100 个纳米以下， 根据 Hall-Petch 公式， 材料强度明显增大， 但晶粒尺寸达到纳米级后塑性很差 ； 采用 300低温 退火， 消除微观应力， 软化基体， 材料塑性得到改善 ； （2） 本发明最后进行表面机械研磨处理， 材料。
13、表层承受大的应力和大的应变速率， 由应 力诱发大量位错运动形成的位错胞可以细化表层晶粒 ； 材料表层以下， 中等应力和应变速 率诱发形成的变形孪晶一方面可以细化晶粒， 另一方面所形成的孪晶面可以作为位错的滑 移面起到提高塑性的作用 ； 材料从表层到心部， 随着应力和应变速率的不断减少， 晶粒尺寸 也由小到大不断变化， 从而形成一种强韧性配合的梯度结构材料。 附图说明 0015 图 1 为实施例 1、 实施例 2 与轧制后 300退火 1 小时的 Cu-2.2Al 合金室温拉伸 曲线比较图 ； 图 2 为实施例 3、 实施例 4 与轧制后 300退火 1 小时的 Cu-4.5Al 合金室温拉伸曲。
14、线 比较图。 具体实施方式 0016 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。 0017 实施例 1 （1） 将纯度为 99.99% 的纯铜和纯度为 99.99% 的纯铝， 按照铝的质量百分比为 2.2%， 铜 说 明 书 CN 104388859 A 4 3/5 页 5 的质量百分比为 97.8% 真空感应熔炼， 浇铸成铜铝合金板材 ； （2） 将步骤 （1） 所得板材经铣床加工进行表面处理， 除去表面缺陷和夹杂后， 850保温 1 小时 ； （3） 将步骤 （2） 所得板材进行 3 个道次热轧， 板材厚度变为 9.9mm ； （4） 将步骤 （。
15、3） 所得板材 750下真空退火 3 小时 ； （5） 将步骤 （4） 所得板材经表面处理， 板材厚度为 8.9mm ； （6） 将步骤 （5） 所得铜铝合金板材浸入液氮中冷却 5min， 随即在变形温度略高于 77K 的 条件下冷轧 ； 轧制过程中要保证的是轧制前后板材的应变量达到 92%98%， 且每道次轧制 之前都要浸入液氮中冷却 5min， 板材最终厚度为 0.5mm ； （7） 将步骤 （6） 所得板材在 350下真空退火 1.5 小时 ； （8） 将步骤 （7） 所得板材进行抛光处理， 随即在真空环境下对抛光板材进行表面机械研 磨处理， 时间为 5min， 表面纳米化试验机的振动频。
16、率为 40Hz， 不锈钢球直径为 8mm, 从而制 得高强度、 强塑性的铜铝合金， 其中铝的质量百分比为 2.2%， 铜的质量百分比为 97.8% ； 本实施例制备得到的铜铝合金在室温下的拉伸曲线如图 1 中曲线 2 所示， 由图可以 看出 ： 所制备得到的铜铝合金屈服强度为 235.8MPa， 抗拉强度为 320.1MPa， 均匀延伸率为 25.6% ； 和轧制后 300退火 1 小时的 Cu-2.2Al 相比， 本实施例制备得到的铜铝合金屈服强 度提升25%,均匀延伸率仅降低9%,具有优异的力学性能， 耐磨性、 耐腐蚀性、 抗疲劳性同时 得到提升。 0018 实施例 2 （1） 将纯度为 。
17、99.99% 的纯铜和纯度为 99.99% 的纯铝， 按照铝的质量百分比为 2.2%， 铜 的质量百分比为 97.8% 真空感应熔炼， 浇铸成铜铝合金板材 ； （2） 将步骤 （1） 所得板材经铣床加工进行表面处理， 除去表面缺陷和夹杂后， 860保温 1.5 小时 ； （3） 将步骤 （2） 所得板材进行 3 个道次热轧， 板材厚度变为 9.6mm ； （4） 将步骤 （3） 所得板材 760下真空退火 3.5 小时 ； （5） 将步骤 （4） 所得板材经表面处理， 板材厚度为 8.5mm ； （6） 将步骤 （5） 所得铜铝合金板材浸入液氮中冷却 7min， 随即在变形温度略高于 77K 。
18、的 条件下冷轧。 轧制过程中要保证的是轧制前后板材的应变量达到92%98%， 且每道次轧制之 前都要浸入液氮中冷却 7min， 板材最终厚度为 0.55mm ； （7） 将步骤 （6） 所得板材在 340下真空退火 1.5 小时 ； （8） 将步骤 （7） 所得板材进行抛光处理， 随即在液氮环境下对抛光板材进行表面机械研 磨处理， 时间为 6min， 表面纳米化试验机的振动频率为 45Hz， 不锈钢球直径为 8.5mm, 从而 制得高强度、 强塑性的铜铝合金， 其中铝的质量百分比为 2.2%， 铜的质量百分比为 97.8%。 0019 本实施例制备得到的铜铝合金在室温下的拉伸曲线如图 1 中曲。
19、线 3 所示， 由图可 以看出 ： 所制备得到的铜铝合金屈服强度为 266.9MPa， 抗拉强度为 327.4MPa， 均匀延伸率 为25.3% ； 和轧制后300退火1小时的Cu-2.2Al相比， 本实施例制备得到的铜铝合金屈服 强度提升 50.8%, 抗拉强度提升 3%， 均匀延伸率仅降低 10%, 具有优异的力学性能， 耐磨性、 耐腐蚀性、 抗疲劳性同时得到提升。 0020 通过分析实施例 1 和实施例 2， 真空或液氮环境下表面机械研磨处理对材料屈服 说 明 书 CN 104388859 A 5 4/5 页 6 强度、 抗拉强度、 均匀延伸率没有显著影响。 0021 实施例 3 （1）。
20、 将纯度为 99.99% 的纯铜和纯度为 99.99% 的纯铝， 按照铝的质量百分比为 4.5%， 铜 的质量百分比为 95.5% 真空感应熔炼， 浇铸成铜铝合金板材 ； （2） 将步骤 （1） 所得板材经铣床加工进行表面处理， 除去表面缺陷和夹杂后， 880保温 1.5 小时 ； （3） 将步骤 （2） 所得板材进行 3 个道次热轧， 板材厚度变为 9.3mm ； （4） 将步骤 （3） 所得板材 780下真空退火 3.5 小时 ； （5） 将步骤 （4） 所得板材经表面处理， 板材厚度为 8.2mm ； （6） 将步骤 （5） 所得铜铝合金板材浸入液氮中冷却 8min， 随即在变形温度略高。
21、于 77K 的 条件下冷轧， 轧制过程中要保证的是轧制前后板材的应变量达到 92%98%， 且每道次轧制之 前都要浸入液氮中冷却 8min， 板材最终厚度为 0.75mm ； （7） 将步骤 （6） 所得板材在 310下真空退火 1 小时 ； （8） 将步骤 （7） 所得板材进行抛光处理， 随即在真空环境下对抛光板材进行表面机械研 磨处理， 时间为 8min， 表面纳米化试验机的振动频率为 50Hz， 不锈钢球直径为 8.5mm, 从而 制得高强度、 强塑性的铜铝合金， 其中铝的质量百分比为 4.5%， 铜的质量百分比为 95.5%。 0022 本实施例制备得到的铜铝合金在室温下的拉伸曲线如图。
22、 2 中曲线 2 所示， 由图可 以看出 ： 所制备得到的铜铝合金屈服强度为 372.7MPa， 抗拉强度为 493.3MPa， 均匀延伸率 为28.9% ； 和轧制后300退火1小时的Cu-4.5Al相比， 本实施例制备得到的铜铝合金屈服 强度提升 27%, 均匀延伸率仅降低 11%, 具有优异的力学性能， 耐磨性、 耐腐蚀性、 抗疲劳性 同时得到提升。 0023 实施例 4 （1） 将纯度为 99.99% 的纯铜和纯度为 99.99% 的纯铝， 按照铝的质量百分比为 4.5%， 铜 的质量百分比为 95.5% 真空感应熔炼， 浇铸成铜铝合金板材 ； （2） 将步骤 （1） 所得板材经铣床加。
23、工进行表面处理， 除去表面缺陷和夹杂后， 900保温 2 小时 ； （3） 将步骤 （2） 所得板材进行 3 个道次热轧， 板材厚度变为 8.9mm ； （4） 将步骤 （3） 所得板材 800下真空退火 4 小时 ； （5） 将步骤 （4） 所得板材经表面处理， 板材厚度为 7.9mm ； （6） 将步骤 （5） 所得铜铝合金板材浸入液氮中冷却 10min， 随即在变形温度略高于 77K 的条件下冷轧。 轧制过程中要保证的是轧制前后板材的应变量达到92%98%， 且每道次轧制 之前都要浸入液氮中冷却 10min， 板材最终厚度为 0.6mm ； （7） 将步骤 （6） 所得板材在 300下真。
24、空退火 1 小时 ； （8） 将步骤 （7） 所得板材进行抛光处理， 随即在液氮环境下对抛光板材进行表面机械研 磨处理， 时间为 10min， 表面纳米化试验机的振动频率为 50Hz， 不锈钢球直径为 10mm, 从而 制得高强度、 强塑性的铜铝合金， 其中铝的质量百分比为 4.5%， 铜的质量百分比为 95.5%。 0024 本实施例制备得到的铜铝合金在室温下的拉伸曲线如图 2 曲线 1 所示， 由图可以 看出 ： 所制备得到的铜铝合金屈服强度为495.7MPa， 抗拉强度为583.0MPa ； 和轧制后300 退火 1 小时的 Cu-4.5Al 相比， 本实施例制备得到的铜铝合金屈服强度提升 69%, 抗拉强度 说 明 书 CN 104388859 A 6 5/5 页 7 提升 19%， 均匀延伸率为 15.4%, 具有优异的力学性能， 耐磨性、 耐腐蚀性、 抗疲劳性同时得 到提升。 0025 通过分析实施例 3 和实施例 4， 液氮环境下表面机械研磨处理相比于真空条件下， 屈服强度、 抗拉强度均有显著提升， 分别提升 33%， 18%， 塑性却有所降低。 说 明 书 CN 104388859 A 7 1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104388859 A 8 2/2 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 104388859 A 9 。