[发明专利]一种卐字形等通道型腔冷拉拔制备纳米铜线材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米铜线材的方法及模具，尤其是涉及一种卍字形等通道型腔冷拉拔制备纳米铜线材的方法，通过适当调整各顶杆在型腔中的不同位置，可制备出晶粒分布均匀程度和晶粒细化程度不同的纳米铜线材。

背景技术

铜，元素符号Cu，原子量63.54，比重8.92，熔点1083°C。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色，高的导电、导热性，仅次于银而居第二位。主要用于各种导线、电缆、导电牌、电器开关等导电器材和各种冷凝管、散热管、热交换器、真空电弧炉的结晶器等。导电器材用量占铜材总量一半以上。纳米铜具有超塑性，在室温下可拉长50多倍而不出现裂纹。最近，法国国家科研中心研究人员发现，平均体积仅为80纳米的铜纳米结晶体机械特性惊人，强度不仅比普通铜高3倍，且形变非常均匀，没有明显的区域性变窄现象。光电子和纳电子机械器械中，纳米线有可能起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器。

众所周知，工业应用中的导电材料绝大多数是各种金属和合金材料。强度和导电性是导体金属材料的两个至关重要性能，在工业应用中往往需要导体材料同时具有高强度和高导电性。例如导电磁铁线圈中的导线既要承受巨大的电磁作用力，又要保持较低电阻以降低电流导致的温度升高。高强度高导电性是超导磁铁中导线的必不可少的重要性能。然而，在常规金属材料中这两种性能往往相互抵触，不可兼得。纯金属（如银、铜等）具 有 很 高 的 导 电 率 ， 但 其 强 度 极 低 （均 小 于100MPa ）。实现金属材料的高强度和高导电性是一项长期以来有待解决的重大科学难题。现有加工工艺通过添加一些微量元素形成合金（黄铜，白铜，青铜），但是所有杂质和加入元素，不同程度降低铜的导电、导热性能。传统工艺拉拔铜合金只是使用在常规条件下。固溶于铜的元素(除Ag、Cd外)对铜的导电、导热性降低较多。冷变形对铜的导电性能影响不大，与其它强化方法(如固溶强化)相比冷加工后导电性的降低要小得多 。

针对纯铜金属强度不足和铜合金导致导电性能下降的问题，虽然现有提出制造纳米铜发明专利号CN2013107192402的专利所制备纳米铜线长为3～15μm，直径在20～100nm之间，方阻最小值可达到10.1Ω/sq，但是由于几何尺寸的限制，不能应用于输电线的工业生产。本发明采用一种卐字形等通道型腔冷拉拔技术，开发具有高强度的纳米纯铜线材。通过适当调整各顶杆在型腔中的不同位置，可实现纯铜线材的连续剧烈塑性变形，拉拔一次最多能够积累普通等通道型腔冷拉拔三次变形量，最终获得变形累积量大，晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴晶粒，使纳米铜线材的力学性能得到进一步提高，保证高的强度和良好的韧性同时，具有良好的导电导热性能。

发明内容

本发明的目的是：针对上述存在的技术问题，提供一种通过适当调整各顶杆在型腔中的不同位置，可实现纯铜线材的连续剧烈塑性变形，拉拔一次最多能够积累普通等通道型腔冷拉拔三次变形量，最终获得变形累积量大，晶粒尺寸均匀，细化后的纳米晶粒晶界角度大的等轴晶粒。在保证高的强韧性的情况下，同时具有高的导电性和导热性。

本发明专利的技术方案是：本发明是卐字形等通道型腔冷拉拔制备纳米纯铜材料方法，包括坯料的准备过程，卐字形等通道型腔顶杆调整过程，最后冷拉拔线材成形过程，共三个相应的阶段。

坯料的准备阶段：主要包括纯铜型材坯料的切割制备、材料表面的清洁、喷丸表面处理工艺和水洗工艺。

顶杆调整阶段：通过选择适当液压机，通过液压系统调整各顶杆在型腔中的位置，可实现纯铜线材的连续剧烈塑性变形。

拉拔工艺：拉拔通过液压系统对顶杆进行调整形成的型腔，最多一次能够积累普通等通道型腔冷拉拔三次变形量，通过这种卍字形等通道型腔冷拉拔就可以获得均匀的等轴的晶粒。

采用此种方案，通过调整卐字形模具顶杆的位置，冷拉拔成形不同晶粒度的纯铜线材，该新工艺可以实现纯铜线材材料组织的纳米晶等轴化。

本发明的独特之处在于卐字形模具型腔共有6处通道，在冷拉拔过程中除牵引进入和拉出两条通道外，其它4处通道采用普通顶杆密封通道，通过适当调整各顶杆在型腔中的不同位置，可实现纯铜线材的不同工艺路径的连续剧烈塑性变形，获得的材料在保证高的强韧性的情况下，同时具有高的导电性和导热性。

作为本发明的一种改进，在冷拉拔机械以及液压装置上通过卐字形模具型腔选择不同的成形路径，最终获得不同晶粒度的，具有纳米等轴组织的纯铜纳米线材。