[发明专利]一种高性能的表面合金化铜材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能的表面合金化铜材料的制备方法，该方法是通过采用直流电解的方法在纯铜表面先获得镍沉积层再获得锰沉积层，然后进行热处理制得一种铜基铜镍锰合金材料，属于表面处理技术领域。

背景技术

通信、电子等行业的迅速发展，极大地促进了高性能铜材料的研发。目前市场中使用的主要集中于青铜、黄铜、白铜等合金化的铜材。然而它们分别受到环境保护、材料自身特性、加工工艺等各种因素的制约，使这些材料进一步的发展受到限制。因此，研制能替代上述材料且能与自然和谐相处的高性能铜材料受到越来越多的关注和追捧，这也是高性能铜材料的发展趋势。本实验室制备了铜锰合金，现已申请了CN 103103589 A专利，其改善了铜合金的阻尼性能，但其耐蚀性和强度并没有得到明显的提高。铜镍锰合金是一种新型的高性能合金，具有良好的塑性加工性能及力学性能，是一种具有潜力的新型铜基合金。传统的铜镍锰合金是以Cu-Ni合金为基础加入Mn元素形成的合金，又称为锰白铜。Mn在高温下，可以与Cu完全固溶。除此之外，Mn的加入，还能在合金内与Ni形成原子比接近1:1的MnNi化合物，实现沉淀强化的作用。锰白铜比普通白铜有着更高的抗湍流冲击腐烛的能力。Cu-Ni合金可以因为Mn的添加消除过剩C的不良影响，改善合金的工艺性能。这类合金具有优良的耐烛性、强度、弹性、热冷加工性等性能，因而在电子工业上被广泛应用。潘奇汉等人通过对Cu-20Ni-20Mn合金的研究发现，Ni和Mn的加入使得合金固溶强化程度大大提高，时效工艺使合金内形成了细小的MnNi相，并均匀的分布在基体中。在固溶体内形成了溶质原子浓度具有周期性起伏的、有序的调幅结构，大大提高了合金的强度和弹性。彭承坚采用了电磁悬浮溶炼-铜模吸铸工艺制备了Cu10Ni15MnAlTi合金，研究表明，该合金经650℃淬火，冷变形程度40％和450℃×72h的形变时效处理，合金性能硬度达461HV，抗拉强度1385MPa。但这些铜镍锰合金材料制备都需要经过球磨混合，熔铸，固溶，淬火，时效处理等一系列工序。此工艺生产周期长，需要消耗大量能源而且在球磨混合过程中容易引入杂质，从而降低材料的使用性能。

同时，这些铜合金制备技术以牺牲导电率为代价，且需要使用的镍和锰用量较大。以往的整体强化方法，由于自身的局限性，在保持铜高传导性的同时，对强度的提高也有一定的限度。而且很多合金元素都很缺乏，而特殊合金的价格往往较高。解决问题的途径之一是利用纯铜表面改性技术来进行纯铜表面合金化。以铜作为底金属进行表面合金化处理的常用的合金元素有铝、铬、锌、硅、硼等。例如日本JP昭61-166956A专利，研究了冷却装置片材的制备方法，采用磁控溅射方法，得到了厚度为0.1～10μm的扩散层的表面合金化铜材料，提高了材料的导热性，然而由于厚度较薄，得到的铜材料硬度性能并没有改善。目前铜表面合金化主要应用元素为铝的制备方法有渗铝-内氧化方法、喷涂-扩散工艺等。经渗铝-内氧化方法获得的Al₂O₃/Cu复合材料有良好的抗电弧侵蚀能力。经喷涂-扩散工艺得到的Al₂O₃/Cu复合材料涂层均匀、厚度可控。也有在铜表面等离子喷涂陶瓷，最外层的陶瓷质层硬度高、韧性好，热疲劳性也十分突出。但这些铜表面合金化方法所使用的等离子喷涂工艺设备投资大，工艺复杂。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术地不足而提供一种简单实用的高性能的表面合金化铜材料的制备方法。该方法缩短了传统的铜镍锰合金制备工艺流程，可以控制相应的厚度，提高了工作效率，得到的铜基铜镍锰合金材料保持了原有的导电性，且硬度、耐腐蚀性大大提高。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种高性能的表面合金化铜材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)将纯铜基体打磨抛光至镜面光亮，然后进行碱洗酸洗活化；

(2)连接电路，打开直流电源，将阴阳电极连接好后浸入镀镍电解液A中电镀镍；其中阳极材料为纯镍；阴极为步骤(1)活化后的纯铜；

(3)将步骤(2)电镀好的材料用蒸馏水洗净之后作为阴极，再将阴阳电极连接好后浸入镀锰电解液B中电镀锰；其中阳极材料为石墨；

(4)将电镀后的试样放入管式气氛炉中进行热处理，热处理结束后即得高性能的表面合金化铜材料。