一种多元合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种多元合金材料及其制备方法。

背景技术

人类的生产生活离不开金属材料，随着科技的不断提高，金属及其合金在日常生活中扮演着越来越重要的角色，是在现代工业中非常重要和应用最多的材料。多元合金材料是金属材料中较为常见的一种，由于其具有硬度大、熔点低等优点而被人们所熟知。多元铜合金是多元合金材料的典型代表，其具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和加工性能，在机械、电子、化工、海洋、航空等众多领域得到越来越广泛的应用。

传统的多元铜合金强度偏低、耐冲刷腐蚀性能较差，不能满足新兴领域的使用性能，尤其是同时满足高强度、高导电导热和耐热耐腐蚀的场合。市面上的多元铜合金材料也还或多或少存在耐磨性不足，机械力学性能、耐疲劳性能、耐热性能和耐腐蚀性有待进一步提高的缺陷。

为了解决上述问题，授权公布号为CN104480341B的中国发明专利公开了一种高端铜材，尤其涉及一种多元微合金化耐热耐蚀铜合金及其制备系统，属于合金领域。该发明的耐热耐蚀多元铜合金，组成元素的质量百分比为：占合金总质量0.02％的镧和钇，余量为铜；其中，镧与钇的质量比为1:1～1:4。该合金铜材属于高端产品，被广泛应用于电力、电子、电气、仪表、航空、交通、建筑、通讯、军事等行业。然而，该铜合金材料的耐磨性和耐疲劳性能有待进一步提高。

因此，开发一种耐磨性好，机械力学性能佳，耐疲劳性能、耐热性能和耐腐蚀性能优异的多元合金材料及其制备方法符合市场需求，具有广泛的市场价值和应用前景，对促进铜合金材料领域的发展具有非常重要的意义。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种耐磨性好，机械力学性能佳，耐疲劳性能、耐热性能和耐腐蚀性能优异的多元合金材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多元合金材料，是由如下按重量百分比计的各成分制成：Al 1wt％-5wt％、Mo 3wt％-5wt％、Ag 0.01wt％-0.05wt％、Hf0.03wt％-0.05wt％、V 0.2wt％-0.5wt％、Os 0.001wt％-0.003wt％、Ta 0.01wt％-0.11wt％、Mn1.2wt％-5wt％、稀土元素0.01wt％-0.03wt％、Sc 0.01wt％-0.03wt％、其它元素0.1wt％-0.3wt％、B 0.0001wt％-0.0005wt％、纳米硅化锆0.001wt％-0.003wt％，余量为Cu及其它不可避免的杂质；所述杂质含量≤0.01wt％。

优选的，所述稀土元素为Ce、Nd、Gd按质量比1:(1-2):(0.8-1.2)混合形成的混合物。

优选的，所述其它元素为Nb、Co、W、Sr、In、Ge中的至少一种。

优选的，所述纳米硅化锆的粒径为20-60nm。

本发明的另一个目的，在于提供一种所述多元合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、将原料Cu、Al-Cu中间合金、Mo-Cu中间合金、Ag-Cu中间合金、Hf-Cu中间合金、V-Cu中间合金、Os-Cu中间合金、Ta-Cu中间合金、Cu-Mn中间合金、稀土元素-Cu中间合金、Cu-Sc中间合金、其它元素-Cu中间合金、Cu-B中间合金、在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到500-600℃的纳米硅化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到铸锭；

步骤S2、将经过步骤S1制成的铸锭依次进行热锻、固溶处理、冷加工变形和时效处理。

优选的，步骤S1中所述浇注温度为1240-1270℃。

优选的，步骤S2中所述热锻温度为740-950℃。

优选的，步骤S2中所述固溶处理的温度为900-960℃，时间为2-4h。

优选的，步骤S2中所述冷加工变形的变形量为18-30％。

优选的，步骤S2中所述时效处理的温度为450-490℃，时效时间为1-3h。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明公开的多元合金材料的制备方法，采用常规设备即可实现，无需对现有设备和生产线进行改造，资金投入少，制备工艺简单，操作方便易行，制备周期短，良品率高，适于连续规模化生产。

(2)本发明公开的多元合金材料，是由如下按重量百分比计的各成分制成：Al1wt％-5wt％、Mo 3wt％-5wt％、Ag 0.01wt％-0.05wt％、Hf 0.03wt％-0.05wt％、V0.2wt％-0.5wt％、Os 0.001wt％-0.003wt％、Ta 0.01wt％-0.11wt％、Mn 1.2wt％-5wt％、稀土元素0.01wt％-0.03wt％、Sc 0.01wt％-0.03wt％、其它元素0.1wt％-0.3wt％、B0.0001wt％-0.0005wt％、纳米硅化锆0.001wt％-0.003wt％，余量为Cu及其它不可避免的杂质；所述杂质含量≤0.01wt％。通过各成分种类及配方的合理选取，使得它们之间能相互配合共同作用，从而赋予多元合金材料耐磨性好，机械力学性能佳，耐疲劳性能、耐热性能和耐腐蚀性能优异的优势。

(3)本发明公开的多元合金材料，通过纳米硅化锆的加入，与铜合金基材复合，能进一步改善产品的机械力学性能和耐磨性；通过热锻、固溶处理、冷加工变形和时效处理的具体工艺参数的合理选取，使得制成的合金材料综合性能和性能稳定性进一步完善，从而有效延长其使用寿命。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明产品作进一步详细的说明。

实施例1

一种多元合金材料，是由如下按重量百分比计的各成分制成：Al 1wt％、Mo3wt％、Ag0.01wt％、Hf 0.03wt％、V 0.2wt％、Os 0.001wt％、Ta 0.01wt％、Mn 1.2wt％、稀土元素0.01wt％、Sc 0.01wt％、其它元素0.1wt％、B 0.0001wt％、纳米硅化锆0.001wt％，余量为Cu及其它不可避免的杂质；所述杂质含量≤0.01wt％。

所述稀土元素为Ce、Nd、Gd按质量比1:1:0.8混合形成的混合物；所述其它元素为Nb、Co、W按质量比1:2:3混合形成的混合物；所述纳米硅化锆的粒径为20nm。

一种所述多元合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、将原料Cu、Al-Cu中间合金、Mo-Cu中间合金、Ag-Cu中间合金、Hf-Cu中间合金、V-Cu中间合金、Os-Cu中间合金、Ta-Cu中间合金、Cu-Mn中间合金、稀土元素-Cu中间合金、Cu-Sc中间合金、其它元素-Cu中间合金、Cu-B中间合金、在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到500℃的纳米硅化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到铸锭；

步骤S2、将经过步骤S1制成的铸锭依次进行热锻、固溶处理、冷加工变形和时效处理。

步骤S1中所述浇注温度为1240℃；步骤S2中所述热锻温度为740℃；步骤S2中所述固溶处理的温度为900℃，时间为2h；步骤S2中所述冷加工变形的变形量为18％；步骤S2中所述时效处理的温度为450℃，时效时间为1h。

实施例2

一种多元合金材料，是由如下按重量百分比计的各成分制成：Al 2wt％、Mo3.5wt％、Ag0.02wt％、Hf 0.035wt％、V 0.3wt％、Os 0.0015wt％、Ta 0.04wt％、Mn 2wt％、稀土元素0.015wt％、Sc 0.015wt％、其它元素0.15wt％、B 0.0002wt％、纳米硅化锆0.0015wt％，余量为Cu及其它不可避免的杂质；所述杂质含量≤0.01wt％。

所述稀土元素为Ce、Nd、Gd按质量比1:1.3:0.9混合形成的混合物；所述其它元素为W、Sr、In、Ge按质量比1:2:0.1:0.1混合形成的混合物；所述纳米硅化锆的粒径为30nm。

一种所述多元合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、将原料Cu、Al-Cu中间合金、Mo-Cu中间合金、Ag-Cu中间合金、Hf-Cu中间合金、V-Cu中间合金、Os-Cu中间合金、Ta-Cu中间合金、Cu-Mn中间合金、稀土元素-Cu中间合金、Cu-Sc中间合金、其它元素-Cu中间合金、Cu-B中间合金、在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到530℃的纳米硅化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到铸锭；

步骤S2、将经过步骤S1制成的铸锭依次进行热锻、固溶处理、冷加工变形和时效处理。

步骤S1中所述浇注温度为1250℃；步骤S2中所述热锻温度为780℃；步骤S2中所述固溶处理的温度为920℃，时间为2.5h；步骤S2中所述冷加工变形的变形量为23％；步骤S2中所述时效处理的温度为470℃，时效时间为1.5h。

实施例3

一种多元合金材料，是由如下按重量百分比计的各成分制成：Al 3wt％、Mo4wt％、Ag0.035wt％、Hf 0.04wt％、V 0.35wt％、Os 0.002wt％、Ta 0.06wt％、Mn 3.8wt％、稀土元素0.02wt％、Sc 0.02wt％、其它元素0.2wt％、B 0.00035wt％、纳米硅化锆0.002wt％，余量为Cu及其它不可避免的杂质；所述杂质含量≤0.01wt％。

所述稀土元素为Ce、Nd、Gd按质量比1:1.5:1混合形成的混合物；所述其它元素为Nb、W、Sr、Ge按质量比2:1:0.03:0.05混合形成的混合物；所述纳米硅化锆的粒径为40nm。

一种所述多元合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、将原料Cu、Al-Cu中间合金、Mo-Cu中间合金、Ag-Cu中间合金、Hf-Cu中间合金、V-Cu中间合金、Os-Cu中间合金、Ta-Cu中间合金、Cu-Mn中间合金、稀土元素-Cu中间合金、Cu-Sc中间合金、其它元素-Cu中间合金、Cu-B中间合金、在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到560℃的纳米硅化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到铸锭；

步骤S2、将经过步骤S1制成的铸锭依次进行热锻、固溶处理、冷加工变形和时效处理。

步骤S1中所述浇注温度为1255℃；步骤S2中所述热锻温度为860℃；步骤S2中所述固溶处理的温度为940℃，时间为3h；步骤S2中所述冷加工变形的变形量为24％；步骤S2中所述时效处理的温度为470℃，时效时间为2h。

实施例4

一种多元合金材料，是由如下按重量百分比计的各成分制成：Al 4wt％、Mo4.5wt％、Ag0.04wt％、Hf 0.045wt％、V 0.45wt％、Os 0.0025wt％、Ta 0.09wt％、Mn4.5wt％、稀土元素0.025wt％、Sc 0.025wt％、其它元素0.25wt％、B 0.0004wt％、纳米硅化锆0.0025wt％，余量为Cu及其它不可避免的杂质；所述杂质含量≤0.01wt％。

所述稀土元素为Ce、Nd、Gd按质量比1:1.8:1.1混合形成的混合物；所述其它元素为Nb、Co按质量比3:5混合形成的混合物；所述纳米硅化锆的粒径为50nm。

一种所述多元合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、将原料Cu、Al-Cu中间合金、Mo-Cu中间合金、Ag-Cu中间合金、Hf-Cu中间合金、V-Cu中间合金、Os-Cu中间合金、Ta-Cu中间合金、Cu-Mn中间合金、稀土元素-Cu中间合金、Cu-Sc中间合金、其它元素-Cu中间合金、Cu-B中间合金、在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到590℃的纳米硅化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到铸锭；

步骤S2、将经过步骤S1制成的铸锭依次进行热锻、固溶处理、冷加工变形和时效处理。

步骤S1中所述浇注温度为1265℃；步骤S2中所述热锻温度为940℃；步骤S2中所述固溶处理的温度为950℃，时间为3.5h；步骤S2中所述冷加工变形的变形量为28％；步骤S2中所述时效处理的温度为485℃，时效时间为2.5h。

实施例5

一种多元合金材料，是由如下按重量百分比计的各成分制成：Al 5wt％、Mo5wt％、Ag0.05wt％、Hf 0.05wt％、V 0.5wt％、Os 0.003wt％、Ta 0.11wt％、Mn 5wt％、稀土元素0.03wt％、Sc 0.03wt％、其它元素0.3wt％、B 0.0005wt％、纳米硅化锆0.003wt％，余量为Cu及其它不可避免的杂质；所述杂质含量≤0.01wt％。

所述稀土元素为Ce、Nd、Gd按质量比1:2:1.2混合形成的混合物；所述其它元素为Nb、Co、W、Sr、In、Ge按质量比1:2:1:0.2:0.1:0.2混合形成的混合物；所述纳米硅化锆的粒径为60nm。

一种所述多元合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1、将原料Cu、Al-Cu中间合金、Mo-Cu中间合金、Ag-Cu中间合金、Hf-Cu中间合金、V-Cu中间合金、Os-Cu中间合金、Ta-Cu中间合金、Cu-Mn中间合金、稀土元素-Cu中间合金、Cu-Sc中间合金、其它元素-Cu中间合金、Cu-B中间合金、在真空感应炉中冶炼，搅拌，使合金成分均匀，再将预热到600℃的纳米硅化锆掺杂到熔炼的合金熔液中，然后搅拌使其成分均匀，将搅拌掺杂后的合金熔液充分静置后浇注得到铸锭；

步骤S2、将经过步骤S1制成的铸锭依次进行热锻、固溶处理、冷加工变形和时效处理。

步骤S1中所述浇注温度为1270℃；步骤S2中所述热锻温度为950℃；步骤S2中所述固溶处理的温度为960℃，时间为4h；步骤S2中所述冷加工变形的变形量为30％；步骤S2中所述时效处理的温度为490℃，时效时间为3h。

对比例1

一种多元合金材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加Os、V和纳米硅化锆。

对比例2

一种多元合金材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有添加Ta、Sc和其它元素。

为了进一步说明本发明各实施例产品取得的预期不到的积极技术效果，对各例制成的多元合金材料进行相关性能测试，测试结果见表1，测试方法如下：

(1)耐磨性能：釆用WTM-2E摩擦磨损试验机，摩擦副釆用GCr15滚珠轴承钢，载荷为100g，摩擦直径为8mm，转速为200r/min，时间为20min；实验前先将待磨表面氧化皮磨掉露出平整的试样表面，盘作水平旋转运动，试样通过上夹具与盘垂直接触，两者相互摩擦磨损。磨损时间为20min，以保证达到稳定的磨损状态；质损量用Sartius Micr电子天平测得，研究试样在磨损过程中重量的变化，计算重量损失率，来衡量材料的耐磨性，重量损失率越小，耐磨性能越好。

(2)抗拉强度：参考标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行测试。

(3)耐腐蚀性：在25℃下，实验室模拟5％NaCl盐雾腐蚀环境衡量合金材料的耐腐蚀性能，以耐腐蚀速率来衡量耐腐蚀性，耐腐蚀速率越小，耐腐蚀性越好。

(4)抗疲劳性能：在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验(最大载荷100MPa，最小载荷20MPa)，记录并统计疲劳寿命。

表1

从表1可以看出，本发明实施例公开的多元合金材料，与对比例产品相比，具有更优异的耐磨性、机械力学性能、耐疲劳性能和耐腐蚀性。Os、V、纳米硅化锆、Ta、Sc和其它元素的加入，能与其它组分配合作用，对改善上述性能有益。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。