一、技术简介
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。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。这类合金具有优良的耐蚀性、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。目前铜合金制备方法如下表所示。
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简介 |
劣势 |
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传统制备方法 |
需要经过球磨混合，熔铸，固溶，淬火，时效处理等一系列工序。 |
工艺生产周期长，导电率降低，强度提升有限，镍和锰用量较大 |
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表面合金化法 |
铜作为底金属，采用磁控溅射方法，得到了厚度为0.1～10μm的扩散层 |
厚度较薄，得到的铜材料硬度性能并没有改善 |
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其他 |
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，也有在铜表面等离子喷涂陶瓷 |
等离子喷涂工艺设备投资大，工艺复杂。 |
本技术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。装置示意图如图1、2。该制备工艺得到的厚度为40 ～ 75μm 的铜镍锰合金具有面心立方晶体结构，晶格常数为4.1695～4.1782Å，电阻率为0.051～ 0.064Ω·mm2·m-1，显微硬度为327.21 ～392.36HV，腐蚀电流密度为2.07×10-6～ 7.41×10 -6A/cm2。
图1 电解装置图
其中1-直流电源，2-电流表，3-恒温加热磁力搅拌器；
图2 热处理装置图
其中4-液封装置，5-管式炉，6-氩气瓶；
二、优势
本技术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。
1、电镀后热处理，工艺流程短，工作效率高，大大降低了能耗；
2、避免了杂质引起的晶体结构缺陷，力学性能降低。
3、可控制相应的厚度；
4、镍和锰使用较少，节约了大量成本；
5、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。
三、制备方法
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。
采用电镀后热处理的方法制备高性能的、良好导电性的表面合金化的铜材料，从而避免了混合过程中各种杂质粉末颗粒掺杂而引起的晶体结构缺陷，力学性能降低。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新型的铜基铜镍锰合金材料。这样对铜的表面处理所需的镍和锰使用较少，节约了大量成本，同时工艺简单，能源消耗低；我们采用的新工艺通过电镀联合热处理制得表面合金化材料，缩短了工艺流程，可以控制相应的厚度，提高了工作效率，大大降低了能耗。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。
实施例1
阴阳电极依次经过打磨、碱洗除油、酸洗活化后浸入电解液中电解。电解液A中NiSO4、NiCl2、HBO3质量比为8:1:1，硫酸镍浓度为250g/L，沉积电流密度为2A/dm2，沉积温度为50℃，沉积时间为20min。电解液B中MnSO4、( NH4 )2SO4质量比为2:1，硫酸锰浓度为100g/L，沉积电流密度为6A/dm2，沉积温度为30℃，沉积时间为30min。将电镀后的试样放入管式气氛炉，预先通氩气置换出体系中的空气后，再以4℃/min的升温速度升温，900℃热处理3h，整个过程中维持氩气流量80mL/min。热处理后材料的显微硬度如图3所示，与纯铜( 140HV )相比显微硬度提高了149 .69％。该工艺合金层厚度为64μm，其晶格常数为4.1718 Å，电阻率为0 .061Ω·mm2·m-1，显微硬度为349 .57HV，腐蚀电流密度为7 .41×10-6A/cm2。
图3 显微硬度图
实施例2
阴阳电极依次经过打磨、碱洗除油、酸洗活化后浸入电解液中电解。电解液A中NiSO4、NiCl2、HBO3质量比为8:2:1，硫酸镍浓度为300g/L，沉积电流密度为3A/dm2，沉积温度为60℃，沉积时间为30min。电解液B中MnSO4、( NH4 )2SO4质量比为2:1，硫酸锰浓度为125g/L，沉积电流密度为8A/dm2，沉积温度为30℃，沉积时间为30min。将电镀后的试样放入管式气氛炉，预先通氩气置换出体系中的空气后，再以5℃/min的升温速度升温，950℃热处理4h，整个过程中维持氩气流量90mL/min。热处理后材料的电阻率如图4所示。热处理后材料的极化曲线如图5所示，与纯铜( 1 .745×10-5A/cm2 )相比腐蚀电流密度下降了75 .61％。该工艺合金层的厚度为75μm，它的晶格常数为4.1782Å，电阻率为0.056Ω·mm2·m-1，显微硬度为392 .36HV，腐蚀电流密度为4 .256×10-6A/cm2。
图4 电阻率图
图5 极化曲线图
