專利名稱：銅－鈮－合金和它的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域和涉及銅-鈮-合金，其例如加工成半制品或型材，通過(guò)已知的成型方法來(lái)制備粉末冶金產(chǎn)品，還涉及銅-鈮-合金的制備方法。
現(xiàn)有技術(shù)為了制備具有盡可能高的機(jī)械強(qiáng)度以及電和熱傳導(dǎo)性能的金屬材料，除了在所有金屬中具有最高的電傳導(dǎo)性能的銀外，主要是銅被用作為基體金屬，這是由于其較低廉的價(jià)格。為了有效地提高延性銅基體的強(qiáng)度，而不顯著地?fù)p害其熱和電性能，通過(guò)在熱力學(xué)平衡中最大程度的不溶解的第二相而給予增強(qiáng)。這在面心立方體的(kfz)銅基體的情況下可以是硬的陶瓷顆粒(如氧化物、氮化物、碳化物)，然而也可以是一系列高熔點(diǎn)的體心立方體的(krz)耐熱金屬(如Cr、W、Ta、Nb、Mo)。上述的合金添加劑由于它們?cè)诨w中的不溶解性，而在高的應(yīng)力溫度下完全滿足盡可能好的微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的需求。但各自的第二相的均勻分布和在納米范圍內(nèi)能有效提高強(qiáng)度所必需的顆粒粒度分布，由于有密度和熔點(diǎn)差別而不能通過(guò)熔煉冶金法達(dá)到。機(jī)械煉制合金的方法克服了這個(gè)難題，使得例如具有最精細(xì)的氧化物分布(直徑＜50nm)和最高硬度與強(qiáng)度的Ag-氧化物-復(fù)合材料的制備成為可能(B.J.Joshi et al，Proceedings Vol.3，Powder Metallurgy WorldCongress，Granada/Spain，1998；JP 07173555 A；DE 199 53 780 C1)。
對(duì)于機(jī)械煉制合金，由于多次破碎和粉末小顆粒的冷焊接而導(dǎo)致研磨進(jìn)展。然而在由銅構(gòu)成的軟金屬基體中硬陶瓷顆粒的情況下，隨著氧化物含量下降到10％(體積)以下就增加了這種趨勢(shì)，即氧化物只是被軟的基體所包裹，該氧化物的進(jìn)一步破碎就停止了(DE 44 18600 C2)。優(yōu)選通過(guò)“軟-軟”材料組合而影響研磨進(jìn)展，也就是說(shuō)通過(guò)選擇與銅的彈性性能盡可能匹配的第二相而影響研磨進(jìn)展(C.C.Koch，Nanostructured Materials 2，1993，109-129)。上述所列之中，鈮是最合適的元素(L.G.Fritzemeier，Nanostructured Materials 1，1992，257-262)。對(duì)于在室溫下經(jīng)富集的Cu-Nb-合金的機(jī)械煉制合金已經(jīng)有報(bào)道(A.Benthalem u.a.，Scripta Metallurgica et Materialia 27，1992，739-744und Materials Science and Engineering A161，1993，255-266)。通過(guò)采用高能量研磨而擴(kuò)展了混晶區(qū)域，并且達(dá)到微結(jié)構(gòu)的高均勻性。同時(shí)還顯示一部分所加入的鈮通過(guò)研磨而被強(qiáng)制溶入銅晶格中。
然而通常對(duì)于這種合金體系，由于在研磨過(guò)程中溫度的提高，而有粉末粘附到容器壁和研磨球上的危險(xiǎn)，這導(dǎo)致較少的粉末產(chǎn)率。有機(jī)輔助劑雖然可以減小焊接傾向，然而其由于能量輸入而分解成CO2和H2，并且被研磨進(jìn)入粉末中(US5,322,666)。假如這些氣體不在高溫下通過(guò)除氣退火而去除，那么粉末粘結(jié)成緊密的、堅(jiān)固的半制品是不可能的，或?qū)е略谝院蟮母邷叵率褂脮r(shí)成形的不穩(wěn)定性(“膨脹”)。另一方面，由于前面的除氣退火而損壞在粉末中精心調(diào)節(jié)構(gòu)成的納米晶體顆粒結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的說(shuō)明本發(fā)明的任務(wù)在于給出銅-鈮-合金和它的制備方法，在這種合金中有均勻的亞穩(wěn)Cu-混晶和實(shí)現(xiàn)這種亞穩(wěn)Cu-混晶的方法。
該目的通過(guò)在權(quán)利要求中給出的本發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步的構(gòu)成是從屬權(quán)利要求的對(duì)象。
根據(jù)本發(fā)明的銅-鈮-合金是在銅基體中除了有銅-鈮-混晶外，還有具有5-100nm的顆粒直徑的鈮-析出。
在此優(yōu)選部分溶解在銅晶格中的鈮。
也優(yōu)選有以精細(xì)顆?；蚶w維形式的鈮-析出。
這也是優(yōu)選的，即當(dāng)纖維具有大于4∶1的長(zhǎng)度直徑比，優(yōu)選大于10∶1的長(zhǎng)度直徑比。
此外根據(jù)本發(fā)明的銅-鈮-合金優(yōu)越地具有50-80％IACS的電導(dǎo)率和/或1200-2000MPa的強(qiáng)度。
在根據(jù)本發(fā)明用來(lái)制備銅-鈮-合金的方法中，作為基體材料的銅粉末和0.1-50原子％的鈮粉末一起研磨和機(jī)械煉制合金，之后，進(jìn)行至少一次熱處理。
優(yōu)選地添加入0.5-20原子％的鈮粉末。
在-196℃至-10℃的溫度下進(jìn)行研磨工藝過(guò)程也是優(yōu)選的。
這也是優(yōu)選的，即在研磨過(guò)程中和/或研磨階段之間，進(jìn)行研磨容器的冷卻。
此外這也是優(yōu)選的，即研磨容器用液氮或用乙醇冷卻。
此外這是優(yōu)選的，即在研磨過(guò)程中將鈮完全強(qiáng)制性溶解在銅晶格中。
這也是優(yōu)選的，即熱處理在500℃的溫度下進(jìn)行。
通過(guò)變形工藝過(guò)程而生成纖維形結(jié)構(gòu)的銅-鈮-合金也是優(yōu)選的，在該過(guò)程中以下再次是優(yōu)選的，即在變形過(guò)程中調(diào)節(jié)纖維-長(zhǎng)度直徑比為大于4∶1，優(yōu)選是大于10∶1。
這也是優(yōu)選的，即產(chǎn)生銅-鈮-合金的高粉末產(chǎn)率。
這也是優(yōu)選的，即研磨20-30小時(shí)。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，一開(kāi)始就要使得銅粉末變得所期望的脆化。這樣是可能的，即與采用機(jī)械煉制合金已知的措施而制備的材料不同，得到均勻的銅與鈮的一相合金。由于優(yōu)選在低溫下進(jìn)行研磨工藝過(guò)程，以下是可能的，即以較少的能量輸入而達(dá)到鈮原子部分地或完全地強(qiáng)制溶解在銅混晶中。鈮原子在銅混晶中的溶解度取決于研磨時(shí)間和所用粉末的氧含量。
在此氣體含量在研磨工藝過(guò)程中幾乎是不變的，以致于在進(jìn)一步的加工時(shí)可以不用進(jìn)行附加的除氣步驟。
在鈮原子溶解于銅混晶中后，在隨后的熱處理中析出精細(xì)的鈮-小顆粒。這些鈮-析出明顯地有助于提高強(qiáng)度和有助于保證高的電導(dǎo)率。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式下面以一個(gè)實(shí)施例更清楚地解釋本發(fā)明。
一個(gè)具有鋼球、裝有銅粉末和10原子％鈮粉末的研磨桶，在液氮中將研磨桶蓋處的溫度冷卻至-196。之后，經(jīng)冷卻的研磨桶用聚苯乙烯包裹以與周?chē)目諝飧艚^。隨后的研磨工藝過(guò)程分步驟地每30分鐘進(jìn)行一步，以將研磨桶再次冷卻至-196℃。研磨工藝過(guò)程在200U/min的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和粉末-研磨球-比例為1∶14下進(jìn)行。在35h內(nèi)所加入的鈮粉末完全地強(qiáng)制溶解入銅晶格中。這可從X-射線圖像和透射電子顯微(TEM)檢測(cè)中獲知，在這些檢測(cè)中不再出現(xiàn)鈮的反射(

圖1和2)。經(jīng)機(jī)械煉制合金的粉末具有晶體粒度約7nm的納米晶體結(jié)構(gòu)組織。在此粉末顯微硬度達(dá)到500 HV0.025。
所得到的粉末在500下用熱壓機(jī)在真空中和650MPa的壓力下壓制成相對(duì)密度為98-99％的直徑為10mm的圓柱形型材。
以這種方式制得的型材具有400 HV 2的硬度和20MS/m(相當(dāng)于35％IACS)的電導(dǎo)率。
隨后的熱處理，在這個(gè)過(guò)程中鈮從銅-基體中析出，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加至45-50MS/m(相當(dāng)于70-80％IACS)和硬度稍微減小至380 HV2。最后的冷變形通過(guò)形成纖維結(jié)構(gòu)在繼續(xù)保持高的電導(dǎo)率下又將硬度提高到550 HV 2。
在將起始粉末混合物中的Nb-含量減少到5原子％時(shí)可制備機(jī)械煉制合金的粉末，其晶體粒度為11nm和其粉末顯微硬度達(dá)到450 HV0.025。那么型材的電導(dǎo)率比具有10原子％Nb的型材略高30MS/m(相當(dāng)于50％IACS)，而硬度略低350 HV 2。通過(guò)進(jìn)行熱處理達(dá)到約50MS/m(相當(dāng)于80％IACS)的更高的電導(dǎo)率，然而更低的約300 HV 2的硬度，其通過(guò)最后的變形又可提高到500 HV 2。
圖例說(shuō)明圖1aCu-20原子％Nb粉末的衍射圖，17h研磨圖1bCu-10原子％Nb粉末的衍射圖，35h研磨圖2 在不同的研磨時(shí)間后經(jīng)機(jī)械煉制合金粉末的X-射線圖像分析。
權(quán)利要求
1.一種銅-鈮-合金，在該合金的銅基體中除了有銅-鈮-混晶外，還有顆粒直徑為5-100nm的鈮析出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的銅-鈮-合金，在該合金中鈮部分地溶解在銅晶格中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的銅-鈮-合金，在該合金中有以精細(xì)顆粒形式或纖維形式的鈮-析出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的銅-鈮-合金，在該合金中纖維具有大于4∶1，優(yōu)選大于10∶1的長(zhǎng)度直徑比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的銅-鈮-合金，其具有50-80％IACS的電導(dǎo)率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的銅-鈮-合金，其具有1200-2000MPa的強(qiáng)度。
7.一種用來(lái)制備權(quán)利要求1-6的銅-鈮-合金的方法，在該方法中作為基體材料的銅粉末和0.1-50原子％的鈮粉末一起研磨和機(jī)械煉制合金，然后要進(jìn)行至少一次熱處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，在該方法中添加0.5-20原子％的鈮粉末。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，在該方法中研磨工藝過(guò)程在-196℃至-10℃的溫度下進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中在研磨過(guò)程中和/或在各研磨階段之間對(duì)研磨容器進(jìn)行冷卻。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，在該方法中研磨容器用液氮或乙醇冷卻。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中在研磨過(guò)程中將鈮完全強(qiáng)制性地溶解在銅晶格中。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中在500℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中熱處理同時(shí)與變形工藝過(guò)程一起進(jìn)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中通過(guò)變形工藝過(guò)程產(chǎn)生銅-鈮-合金的纖維狀結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在變形工藝過(guò)程中調(diào)節(jié)纖維-長(zhǎng)度直徑比為大于4∶1，優(yōu)選為大于10∶1。
17.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中研磨進(jìn)行20-30小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域和涉及銅－鈮－合金，其例如加工成半制品或型材，通過(guò)已知的成型方法來(lái)制備粉末冶金產(chǎn)品，還涉及銅－鈮－合金制備方法。本發(fā)明的任務(wù)在于給出銅－鈮－合金和它的制備方法，在這種合金中有均勻的亞穩(wěn)Cu－混晶和實(shí)現(xiàn)這種亞穩(wěn)Cu－混晶的方法。這任務(wù)通過(guò)一種銅－鈮－合金而解決，在該合金的銅基體中除了有銅－鈮－混晶外，還有顆粒直徑為5－100nm的鈮析出。此外這任務(wù)還通過(guò)一種用來(lái)制備銅－鈮－合金的方法而解決，在該方法中作為基體材料的銅粉末和0.1－50原子％的鈮粉末一起研磨和機(jī)械煉制合金，之后要進(jìn)行至少一次熱處理。
文檔編號(hào)C22C27/02GK1639363SQ03805193
公開(kāi)日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月4日
發(fā)明者葉卡捷琳娜·博奇哈若娃, 馬丁·海爾邁爾, 路德維格·舒爾茨 申請(qǐng)人:德累斯頓協(xié)會(huì)萊布尼茨固體材料研究所