[发明专利]一种具有纳微结构的铜合金及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有纳微结构的铜合金及其制备方法，属于铜合金制备技术领域。该具有纳微结构的铜合金，具有纳米相‑细晶结构心部和纳米相‑纳米晶结构表层。其制备方法，包括(1)通过铜合金熔铸过程中微合金元素的加入，获得整体具有纳米相‑细晶结构的铜合金铸锭；(2)在200～400℃之间对具有纳米相‑细晶结构的铜合金铸锭进行0.5h～1h的退火处理；(3)采用表面纳米化技术将具有纳米相‑细晶结构的铜合金铸锭表层的微米级细晶转变为纳米晶，获得纳米相‑纳米晶结构表层，而心部仍保持纳米相‑细晶结构，制备出具有纳微结构的铜合金。本发明提供的具有纳微结构的铜合金，具有优异整体性能(高强韧)和突破性(超强耐磨)表层性能。

技术领域

本发明涉及铜合金制备技术领域，尤其涉及一种具有纳微结构的铜合金及其制备方法。

背景技术

高性能铜合金是国防重大装备、轨道交通高速重载装备、航空航天装备、节能与新能源汽车等产业领域的关键基础材料之一。其中，青铜、黄铜等铜合金体系由于机械性能、抗氧化性和耐磨性相对良好的组合，已在蒸汽轮机、舰船、鱼雷发射系统、运输、采矿设备和电力传输等各种工业和国防应用中被用作重要的结构零件和组件(如齿轮、衬套、止推轴承、套筒轴承)，近年来更是被用作重载轴承齿轮材料。目前，铜合金的强韧性和耐磨性还达不到轴承齿轮行业装备的需求，比如青铜合金由于铸造过程控制晶粒生长和性能方面的限制，以及调制结构粗化、不连续沉淀和Sn偏析问题的存在，机械和磨损性能无法满足恶劣工况下重载轴承齿轮的服役要求。此外，现代高新技术领域发展更是对兼具高强度、高塑韧性、高耐磨等优异综合性能的铜合金产品提出了迫切需求。然而，传统强化技术使合金强度增加的同时，往往导致塑、韧性的下降，这种性能的矛盾关系成为限制铜合金产品综合性能取得突破性提升的重要问题，强韧耐磨耐蚀铜合金产品的研制也一直是材料工作者努力的方向。

近期，人们提出细小微米级晶粒内部弥散分布着纳米级强化颗粒的纳米相-细晶(nanoparticle(NP)-fine grains in microscale(FG)，简称NPFG)结构，通过纳米相和细晶的协同强韧化实现了金属材料强度和塑性的同时提升。比如，研究者以Fe元素强化Cu-12Sn-1.5Ni合金为对象研究了纳米相-细晶结构的形成和强化效应。Fe的添加优化了Cu-12Sn-1.5Ni合金的组织结构，得到富铁纳米相-纳晶结构，综合力学性能获得显著提升[文献一K.X.Chen,J.W.Zhang,X.H.Chen,Z.D.Wang,R.J.Shi,A.J.Zhang,The effect of ironon the microstructure and mechanical properties of a cast Cu-12Sn-1.5Ni(wt.％)alloy,Mater.Sci.Eng.A 785(2020)139330.]。虽然纳米相-细晶结构铜合金的强度和塑性得到良好的统一，但是其强度和耐磨性能仍然无法满足重载轴承齿轮等高端铜合金产品的服役要求。