[发明专利]一种高强度、高导电纯铜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纯铜材料的制备方法，尤其是一种同时具有高强度和高导电性的纯铜体材料的制备方法，属于金属材料制造技术领域。

背景技术

根据Hall-Petch关系，多晶材料的屈服应力与晶粒尺寸有如下关系，即：σ_y＝σ₀+Kd^-1/2，其中σ_y为0.2％屈服应力，σ₀是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力，K是常数，d是平均晶粒尺寸，即随着材料晶粒尺寸的减小，晶界所占比例大幅增加，位错移动所需克服的点阵摩擦力增大，材料的屈服强度提高。运用大塑性变形(SPD)的方式可以使材料的晶粒尺寸细化到超细晶尺度(100～1000nm)，从而提高了材料的强度。然而，由于晶界所占比例的迅速增加，使得材料的多种物理性能发生变化。由于晶界对电子的散射作用，晶界的增加使得材料的导电性能大幅降低，一般情况下，经过大塑性变形后的纯铜，其电导率只能达到10％～40％IACS。是否能使材料既具有较高的强度同时又保持较高的导电性？孪晶界作为一种特殊的晶界，既能起到和普通晶界同样的对位错运动的阻碍作用，同时具有比普通晶界低的能量，若能在材料中引入大量孪晶，则既能提高材料的强度，同时又能不显著降低材料的导电性。

具有面心立方结构的金属(如纯铜)在普通的变形条件下(室温，低速)，不会产生变形孪晶。然而，分子动力学模拟试验及相关研究表明，在低温(液氮温度)和高速率变形条件下，面心立方结构的金属中也可产生变形孪晶。本发明的创新在于，通过对变形工艺条件和变形温度的控制，在具有面心立方结构的纯铜中引入大量变形孪晶，通过孪晶界对位错运动的阻碍作用提高材料的强度，同时，由于孪晶界是低能界面，不会显著降低材料的导电性。

4.发明内容

本发明的目的是克服现有技术之不足，提供一种同时具有高强度和高导电性的纯铜体材料的制备方法，该方法工艺简单，且可获得具有纳米孪晶结构的纯铜体材料。

本发明方法是通过锻造与拉拔组合压力加工工艺的配合而实现的。首先采用自由锻造工艺，使纯铜在低温下发生塑性变形，达到所需应变量后，再采用拉拔工艺，继续使纯铜在低温下发生塑性变形。通过对变形速率、变形温度和应变量的控制，于变形过程中在纯铜内部引入纳米孪晶结构，获得具有纳米孪晶结构的纯铜材料，并且该纯铜材料具有较高的强度和导电性能。

本发明具体通过下列技术方案完成：一种高强度、高导电纯铜材料的制备方法，其特征在于经过下列工艺步骤：

A、将铜材在300～700℃温度下进行0.5～5小时的退火，使其再结晶；

B、将上述再结晶的铜材置于液氮中浸泡至铜材自身温度达到液氮温度后，将其取出；

C、在变形温度低于-100℃，应变速率为10^-4/s～10²/s条件下，锻造铜材，使其发生塑性变形至总的真应变达到-1～-4；

D、将铜材置于液氮中进行冷却，在变形温度低于-100℃，应变速率为10^-5/s～10²/s条件下，拉拔铜材，使其发生塑性变形至总的真应变达到-3～-8，即得具有纳米孪晶结构的纯铜材料。

所述退火处理为现有技术中的常规退火工艺。

所述锻造为现有技术中的常规锻造工艺。

所述拉拔为现有技术中的常规拉拔工艺。

本发明工艺制备的具有纳米孪晶结构的纯铜体材料，强度高于450MPa，同时电导率不低于90％IACS。

本发明的目的是通过对变形工艺参数的控制，制备具有纳米孪晶结构的纯铜材料，使得所制备的纯铜体材料既具有较高的强度，同时导电性不显著降低，克服了传统工艺通过加工硬化提高纯铜体材料强度的同时，使其导电性能显著下降的不足。同时，该方法制备的铜材具有体积大的特点，对于材料相关力学性能、物理性能的测量提供了方便，同时使材料获得实际运用奠定了基础。

6.具体实施方式

实施例1

A、将直径为10mm的纯铜棒在300℃温度下进行5小时的退火，使其再结晶；

B、将上述再结晶的铜材置于液氮中浸泡至铜材自身温度达到液氮温度后，将其取出；

C、在变形温度低于-100℃，应变速率为10^-4/s～10²/s条件下，用现有技术锻造铜材，使其发生塑性变形至总的真应变达到-1；