阅读说明：本技术 铜合金的制备方法及采用该方法得到的铜合金、铜合金的应用、电子元件、机械元件 (Preparation method of copper alloy, copper alloy obtained by adopting preparation method, application of copper alloy, electronic component and mechanical component ) 是由 杨树峰 王田田 李京社 刘威 郭皓 袁航 于 2020-08-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及有色金属领域,具体而言,提供了一种铜合金的制备方法及采用该方法得到的铜合金、铜合金的应用、电子元件、机械元件。上述铜合金的制备方法包括以下步骤：(a)将纳米粒子压制成块,得到粉块；(b)将粉块加入到铜液中,搅拌2-4次,搅拌速率为60-120r/min,单次搅拌的时间为20-30s,然后依次经保温、降温和冷却,得到所述铜合金。上述制备方法采用外部添加纳米粒子的方式弥散强化铜合金,工艺简单,生产周期短,且无需使用特殊设备即可实现,成本低廉,所得铜合金的力学性能优异,适合工业化大批量生产。(The invention relates to the field of nonferrous metals, and particularly provides a preparation method of a copper alloy, the copper alloy obtained by the method, application of the copper alloy, an electronic component and a mechanical component. The preparation method of the copper alloy comprises the following steps: (a) pressing the nano particles into blocks to obtain powder blocks; (b) adding the powder blocks into the copper liquid, stirring for 2-4 times at a stirring speed of 60-120r/min for 20-30s, and then sequentially carrying out heat preservation, cooling and cooling to obtain the copper alloy. The preparation method adopts a mode of adding nano particles outside to disperse and strengthen the copper alloy, has simple process, short production period, low cost and excellent mechanical property, can be realized without using special equipment, and is suitable for industrial mass production.)

铜合金的制备方法及采用该方法得到的铜合金、铜合金的应 用、电子元件、机械元件

技术领域

本发明涉及有色金属领域，具体而言，涉及一种铜合金的制备方法及采用该方法得到的铜合金、铜合金的应用、电子元件、机械元件。

背景技术

铜合金是以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金，具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性，具有广泛的应用前景。为了提高铜合金的综合性能，以进一步扩大其应用范围，一般会向铜中增加强化粒子，以阻碍位错运动或裂纹扩展，从而有效提高铜合金的机械性能。

目前，向铜合金基体中引入第二相的主要方法为：内氧化法和机械合金化法。采用内氧化法制备氧化铝弥散强化铜基复合材料主要有以下两种形式：一是按一定比例将Cu-Al合金粉末与氧化介质均匀混合后在密闭条件下进行内氧化，该方法因需外加氧化介质、长时间混粉以及用氢气还原多余氧化介质而导致制备成本较高；另一种方法是通过严格控制体系氧势在保证基体不被氧化的前提下使Al元素内氧化，该方法因对真空度要求较高而需严格控制氧分压。机械合金化法是指将预合金化的元素粉末混合，在高能球磨设备中高速运行，将回转机械能传递给粉末，并在回转过程中冷态条件下冲击、挤压、反复破断，使之成为弥散分布的超细粒子，实现固态下合金化；然而该方法在研磨过程中易产生杂质、污染、氧化和应力，难以得到清洁的纳米晶体表面，且材料晶粒大小不易控制。

可见以上方法存在工艺复杂，对生产条件要求过高，产品质量不容易控制且生产成本高等问题，难以实现规模化生产，因而限制了弥散强化铜合金的进一步发展和推广应用。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种铜合金的制备方法，该方法采用外部添加纳米粒子的方式弥散强化铜合金，工艺简单，生产周期短，且无需使用特殊设备即可实现，成本低廉，所得铜合金的力学性能优异，适合工业化大批量生产。

本发明的第二目的在于提供一种采用上述方法制备得到的铜合金。

本发明的第三目的在于提供一种上述铜合金的应用。

本发明的第四目的在于提供一种电子元件或机械元件。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种铜合金的制备方法，包括以下步骤：(a)将纳米粒子压制成块，得到粉块；(b)将粉块加入到铜液中，搅拌2-4次，搅拌速率为60-120r/min，单次搅拌的时间为20-30s，然后依次经保温、降温和冷却，得到所述铜合金。

作为进一步优选的技术方案，所述纳米粒子的熔点高于2000℃；

优选地，所述纳米粒子包括无机纳米粒子；

优选地，无机纳米粒子包括MgO、Al₂O₃、TiN、ZrO₂或WC中的至少一种；

优选地，所述纳米粒子的平均粒径低于20nm。

作为进一步优选的技术方案，纳米粒子的含量为0.05-0.25wt％。

作为进一步优选的技术方案，所述方法还包括以下步骤：将纳米粒子压制成块，然后用铜箔包裹，得到粉块；

优选地，所述方法还包括以下步骤：将粉块固定在不与铜液反应的连接体的一端，再将连接体连接粉块的一端置于铜液的底部，再搅拌2-4次，所述连接体的熔点高于2000℃；

优选地，所述连接体包括钼棒。

作为进一步优选的技术方案，铜液采用以下步骤得到：将铜块放入电阻炉中加热，加热过程中通入惰性气体，待铜块全部融化后得到铜液；

优选地，所述加热包括：首先，以5-10℃/min的速率升温至600-700℃，保温40-60min；然后，以5-10℃/min的速率升温至1200-1300℃；

优选地，惰性气体的流量为2-3m³/h。

作为进一步优选的技术方案，粉块加入到铜液或搅拌的过程中，惰性气体的流量为3-4m³/h；

优选地，搅拌包括：每隔3-5min搅拌一次，单次搅拌采用正反搅拌，正向搅拌和反向搅拌的时间各自独立的为10-15s。

作为进一步优选的技术方案，步骤(b)中，保温时间为5-10min；

优选地，保温后降温至1100-1150℃；

优选地，冷却的方式包括水冷。

第二方面，本发明提供了一种采用上述铜合金的制备方法得到的铜合金。

第三方面，本发明提供了一种上述铜合金在制备电子元件或机械元件中的应用。

第四方面，本发明提供了一种电子元件或机械元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的铜合金的制备方法采用纳米粒子作为第二相强化粒子，粒径较小，且在压制成块后加入到铜液中，同时采用搅拌的方式，相对于直接将纳米粒子加入的方式而言，该方法易使纳米粒子在铜液中弥散分布。该方法采用外部添加纳米粒子的方式弥散强化铜合金，工艺简单，生产周期短，且无需使用特殊设备即可实现，成本低廉，所得铜合金的力学性能优异，适合工业化大批量生产。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

根据本发明的一个方面，在至少一个实施例中提供了一种铜合金的制备方法，包括以下步骤：(a)将纳米粒子压制成块，得到粉块；(b)将粉块加入到铜液中，搅拌2-4次，搅拌速率为60-120r/min，单次搅拌的时间为20-30s，然后依次经保温、降温和冷却，得到所述铜合金。

上述制备方法采用纳米粒子作为第二相强化粒子，粒径较小，且在压制成块后加入到铜液中，同时采用搅拌的方式，相对于直接将纳米粒子加入的方式而言，该方法易使纳米粒子在铜液中弥散分布。该方法采用外部添加纳米粒子的方式弥散强化铜合金，工艺简单，生产周期短，且无需使用特殊设备即可实现，成本低廉，所得铜合金的力学性能优异，适合工业化大批量生产。

上述搅拌次数例如为2、3或4次。如果仅搅拌一次，则粉块中的纳米粒子无法完全弥散分布在铜液中，搅拌次数过多则会降低生产效率。另外，从搅拌次数上也可以看出，本发明采用的是间隔搅拌的方式，间隔搅拌一方面能有效避免单次长时间搅拌所造成的外界气体溶入铜液中的风险，保证铜合金性能，另一方面也可有效保护搅拌工具，搅拌工具可在搅拌间隔时间内充分降温，降低搅拌工具的损耗，延长其使用寿命。

上述搅拌速率例如为60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115或120r/min。上述单次搅拌的时间例如为20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30s。当搅拌速率和单次搅拌时间在以上范围内时，能将粉块中的纳米粒子尽可能均匀分散在铜液中，搅拌速率过慢或时间过短，则纳米粒子的分散均匀度较差，搅拌速率过快或时间过长，纳米粒子的分散均匀性没有进一步明显的提高，但会浪费时间和能源。

在一种优选的实施方式中，所述纳米粒子的熔点高于2000℃。当纳米粒子的熔点高于2000℃时，纳米粒子的高温稳定性更好，在铜液中不会熔融，有利于保证铜合金的高温稳定性。

优选地，所述纳米粒子包括无机纳米粒子。

优选地，无机纳米粒子包括MgO、Al₂O₃、TiN、ZrO₂或WC中的至少一种。上述纳米粒子典型但非限制性的为MgO，Al₂O₃，TiN，ZrO₂，WC，MgO和Al₂O₃的组合，TiN和ZrO₂的组合，ZrO₂和WC的组合，MgO、Al₂O₃和TiN的组合，或TiN、ZrO₂和WC的组合等。以上纳米粒子来源广泛，且硬度和熔点均较高，有利于进一步提高铜合金的机械性能和高温稳定性。

优选地，所述纳米粒子的平均粒径低于20nm。上述平均粒径典型但非限制性的为5、10、15或20nm。纳米粒子的平均粒径过高，则其防止裂纹扩展的作用将变差，当纳米粒子的平均粒径低于20nm时，铜合金的机械性能更高。

上述“平均粒径”是指线性平均粒径，采用激光粒度仪测试得到。

在一种优选的实施方式中，纳米粒子的含量为0.05-0.25wt％。上述含量是指纳米粒子的质量占铜合金的总质量的百分比，上述含量典型但非限制性的为0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.1wt％、0.12wt％、0.14wt％、0.16wt％、0.18wt％、0.2wt％、0.22wt％、0.24wt％或0.25wt％。经大量试验发现，当纳米粒子的含量在以上范围内时，纳米粒子对铜合金的增强效果更好，含量过低则增强效果较差，铜合金的机械性能较差，含量过高则不利于铜合金自身性能的发挥。

在一种优选的实施方式中，所述方法还包括以下步骤：将纳米粒子压制成块，然后用铜箔包裹，得到粉块。

优选地，所述方法还包括以下步骤：将粉块固定在不与铜液反应的连接体的一端，再将连接体连接粉块的一端置于铜液的底部，再搅拌2-4次，所述连接体的熔点高于2000℃。本优选实施方式采用将粉块固定在连接体的一端，然后放置于铜液的底部的方式来实现纳米粒子的加入，相对于直接将粉块投放到铜液的表面来说，本方法可避免直接投放而使纳米粒子漂浮在铜液表面，减少了纳米粒子的浪费，同时使纳米粒子实现在铜液中的弥散分布。

优选地，所述连接体包括钼棒。

在一种优选的实施方式中，铜液采用以下步骤得到：将铜块放入电阻炉中加热，加热过程中通入惰性气体，待铜块全部融化后得到铜液。本优选实施方式中铜液的制备工艺简单，只需采用普通的电阻炉，在惰性气体的保护下，即可实现铜块的全部融化，得到纯净的铜液。

可选地，电阻炉包括高温管式电阻炉。

可选地，在加热过程中，采用耐火砖密封电阻炉的炉口，进一步防止氧气的进入，避免铜被氧化。

优选地，所述加热包括：首先，以5-10℃/min的速率升温至600-700℃，保温40-60min；然后，以5-10℃/min的速率升温至1200-1300℃。以上两次升温的升温速率各自独立的例如为5、6、7、8、9或10℃/min，第一次升温后的温度例如为600、610、620、630、640、650、660、670、680、690或700℃，保温时间例如为40、42、44、46、48、50、52、54、56、58或60min，第二次升温后的温度例如为1200、1210、1220、1230、1240、1250、1260、1270、1280、1290或1300℃。第一次升温至600-700℃，并保温40-60min，有利于将原料中的水分尽可能完全去除。

优选地，惰性气体的流量为2-3m³/h。上述流量典型但非限制性的为2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3m³/h。

可选地，惰性气体包括氦气、氖气、氩气、氪气或氙气等。

在一种优选的实施方式中，粉块加入到铜液或搅拌的过程中，惰性气体的流量为3-4m³/h。上述流量典型但非限制性的为3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4m³/h。粉块加入到铜液或搅拌的过程中，增大惰性气体的流量，可避免空气的吸入使铜液发生氧化。

优选地，搅拌包括：每隔3-5min搅拌一次，单次搅拌采用正反搅拌，正向搅拌和反向搅拌的时间各自独立的为10-15s。上述“正反搅拌”是指依次进行正向搅拌和反向搅拌的搅拌方式，正向搅拌和反向搅拌的搅拌方向相反，例如，当正向搅拌为顺时针搅拌时，反向搅拌为逆时针搅拌。相邻另个单次搅拌的间隔时间例如为3、3.5、4、4.5或5min。正向搅拌或反向搅拌的时间例如为10、11、12、13、14或15s。通过以上优选的搅拌方式，可使纳米粒子更加均匀的分布于铜液中。

在一种优选的实施方式中，步骤(b)中，保温时间为5-10min。上述保温时间典型但非限制性的为5、6、7、8、9或10min。

优选地，保温后降温至1100-1150℃。上述降温后的温度典型但非限制性的为1100、1120、1130、1140或1150℃。

优选地，冷却的方式包括水冷。

根据本发明的另一方面，提供了一种采用上述制备方法得到的铜合金。采用上述方法得到的铜合金具有机械性能高和成本低廉的优点。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述铜合金在制备电子元件或机械元件中的应用。将上述铜合金应用于制备电子元件或机械元件中，能有效提高电子元件或机械元件的机械性能。

根据本发明的另一方面，提供了一种电子元件或机械元件，包括上述铜合金。该电子元件或机械元件包括上述铜合金，因而至少具有机械性能好、生产简单和成本低廉的优点。

下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

一种铜合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取0.45g的MgO纳米粉，利用液压制样机将其压制成块，待压制压力指针指向7MPa后卸压取出纳米粉块，用铜箔将其包裹后固定在钼棒的端部备用；

(2)称取900g的重熔纯铜块(即加入的MgO纳米粒子占铜液的质量百分比为0.05％)，放入氧化镁坩埚后置于高温管式电阻炉内，通电加热，以10℃/min的加热速率升温至600℃并保温60min，以尽可能去除原料和耐火材料中的水分，然后继续以相同速率升温至1300℃进行保温，熔炼全程通入氩气作为保护气体，防止氧化，气体流量保持在2m³/h。

(3)待坩埚内的铜块完全熔化成铜液后，增大氩气通入量，保持气体流量在3.5m³/h，将固定纳米粉块的钼棒一端迅速深入坩埚底部，快速正反搅拌各10s，搅拌速率为120r/min。随后，每间隔3min将钼棒深入坩埚底部搅拌一次，搅拌3次，每次搅拌结束后均用耐火砖密封炉口。

(4)搅拌结束后，保温5min，然后关闭管式炉，待管式炉温度降至1150℃，用坩埚钳将坩埚夹出，水冷制得弥散强化铜合金。

实施例2-4

一种铜合金的制备方法，实施例2-4中，MgO纳米粉的质量分别为0.911g、1.382g和2.231g，重熔纯铜块的质量分别为910g、920g和890g(即加入的MgO纳米粒子占铜液的质量百分比分别为0.1％、0.15％和0.25％)，其余均与实施例1相同。

对比例1

一种铜合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取850g的重熔纯铜块(即不加纳米粒子)，放入氧化镁坩埚后置于高温管式电阻炉内，通电加热，以10℃/min的加热速率升温至600℃并保温60min，以尽可能去除铜块和耐火材料中的水分，然后继续以相同速率升温至1300℃进行保温，熔炼全程通入氩气作为保护气体，防止铜液氧化，气体流量保持在2m³/h。

(2)待坩埚内的铜块完全熔化成铜液后，关闭管式炉，待管式炉温度降至1150℃，用坩埚钳将坩埚夹出进行水冷。

分别对以上各实施例和各对比例制备的铜合金进行性能测试，拉伸实验根据GB/T228-2002中的方法进行，冲击试验根据GB/T 229-2007中的方法进行，维氏硬度试验根据GB/T 4340-2009中的方法进行，结果如表1所示。

表1

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。