[发明专利]一种纯铜材料表面强化处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纯铜材料表面强化处理方法，属于金属材料加工技术领域。 

背景技术

铜很早就被人类所发现并得到了广泛的应用，如今，铜和铜合金已经大量的应用在很多行业，例如电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，其也是与人类关系非常密切的有色金属之一。2013年全球铜产量达2110万吨，其中，中国的铜产量达630万吨，虽然如此多的铜已经在生产和生活中得到了应用，但是往往铜的强度和硬度都很低，一些重要的场合难以使用；加入其他合金元素固溶强化或第二相强化后，导电性会大幅降低，也难以达到使用的要求，影响其在电子行业的实用。而通过表面改性的方法（如化学镀、电子束、激光束、气相沉积、热喷涂等）改善其性能的工艺比较复杂，对设备的要求较高，能耗比较大成本较高，并且很难大幅提高纯铜的表面强度和硬度。近年来，人们越来越关注不改变成分而通过大塑性变形的方法来制备超细晶材料。超细晶材料由于具有大量的晶界有效地阻碍了位错的运动，根据Hall－Petch关系，多晶材料的强度或硬度与其晶粒尺寸的平方根成反比。因此细晶强化作用尤为明显。目前，常见的大塑性变形的方法有等径角挤压、高压扭转、叠轧等。但以上方法制备过程复杂，而且很难制备出很大的样品也难实用与连续化的工业生产。 

超细晶材料虽然有如此多的优点但是往往属于热力学不稳定的状态，如何稳定细晶防止细晶的长大亟待解决，这极大的影响着材料本身的寿命问题。也关系重大工程项目的安危问题。如何使晶粒细化到微米级甚至纳米级并且稳定存在是当今材料领域的焦点之一。 

铜铌合金将熔点及强度高的铌与高导电导热性的铜复合，具有优良的特殊性能的材料，弥散分布于铜基体的铌有效增强铜合金强度，并因为该体系呈正生成焓（+4KJ·mol^-1），固态互溶度有限，对合金电导性的不利影响很小且铌高温强度大，因此铜铌合金强度高，导电导热性、高温应力疲劳抗性和电介质粘附性优异，在微电子、航空、热交换领域前景广阔。但由于铜铌属于难混溶体系常规的熔铸工艺难以制备均质化的铜铌复合材料。现有复合技术有：形变复合法、机械合金化法及物理气相沉积法。形变复合法包括：形变原位和非原位复合法，原位法通过熔炼或粉末冶金使铜铌混合均匀再经过大变形冷轧或冷拉使其变形获得铌纤维间距为10-100nm的纳米复合材料。形变非原位复合法制备熔化变形和捆扎变形两种制备方法，主要是将细的铌丝和基材铜复合然后热挤压然后再反复的工艺；其制备出来的都是具有纤维流向的复合材料，其界面也不一定融合很好而且工艺及其复杂成本很高。Botcharova等用机械合金化法（Mechanical Alloying）制备了铜铌复合材料，并研究了退火对材料的影响，证明了铌对稳定细晶铜的作用，但是最大固溶度为10at%铌；磁控溅射和离子束改性等只能做到表面改性制备薄膜材料。 

为了解决以上现有技术的缺点，本发明利用高能离子注入表面改性的基础上加入表面大塑性变形的方法，制备表面铜铌均质混合的极其稳定的超细晶纳米梯度材料，心部导电性良好，表层具有极高的强度、硬度。梯度的成分变化，晶粒大小和应力分布使这种材料具有极其优异的性能。 

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度高导电性纯铜材料表面强化处理方法，利用高能离子注入的方法将铌元素注入到高纯退火铜板（纯度≥99.95%）表面，并加以高应变速率的表面纳米化处理，改变铜板表面层为稳定的超细晶或纳米梯度材料，从而制备出一种表面强化处理的高强度高导电性纯铜材料，具体包括以下步骤： 

（1）将纯铜材料于400~700℃的温度下退火2~4小时；

（2）在步骤（1）得到的纯铜材料表面通过高能离子注入的方法将纯铌（纯度大于等于99.95%）渗到基体的表面；

（3）在真空环境或液氮环境下对步骤（2）得到表面注入铌元素的铜板进行撞击变形处理5~30min制得表面强化处理后的纯铜材料。

纯铜材料（纯度大于等于99.95%）为板材，其厚度为1mm~4mm。 

本发明步骤（3）中所述高能离子注入方法的参数：真空度≤1×10^-4，能量100keV，注入计量2×10^-17~5×10^-17 ions/cm²。 

本发明步骤（3）中所述步骤（3）中所述在真空环境下变形处理时，处理温度为室温。 

本发明步骤（3）中所述撞击变形处理过程使用表面纳米化试验机完成，表面纳米化试验机的试验频率为20Hz~50Hz，钢球为100-200颗。