CN101225486A

CN101225486A - 一种铜基原位复合材料及其制备方法

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Publication number: CN101225486A
Application number: CNA2008100172943A
Authority: CN
Inventors: 刘平; 田保红; 陈小红; 赵冬梅; 贾淑果; 任凤章; 刘勇; 雷静果; 杨丽红
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2008-07-23

Abstract

本发明涉及铜基合金材料技术领域，公开了一种铜基原位复合材料，其含有重量百分比为6～16％的铬、0.02～0.2％的锆、其余为铜。本发明进一步公开了这种铜基原位复合材料的制备工艺，包括如下步骤：按照上述重量百分比分别称取铬、锆、铜，混合熔炼，熔铸成锭；对铸锭热锻，固溶处理；然后在室温下多道次冷拉拔，在多道次冷拉拔过程中进行中间热处理。用上述制备方法得到铜基原位复合材料，其抗拉强度能够达到850～1300MPa，导电率达到70～80％IACS，软化温度达到500～550℃，可广泛应用于长脉冲高强磁场线圈导体材料、电车及电力机车的接触线、集成电路引线框架材料等领域。

Description

一种铜基原位复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜基合金材料技术领域，特别涉及一种铜基原位复合材料及其制备工艺。

背景技术

高强度和高导电性是一对相互矛盾的特性，对铜合金材料也不例外。在铜合金材料研究领域，主要通过合金化法和复合材料法来解决其高强度和高导电性的矛盾。目前，多元复合微合金化技术已越来越受到重视，已成为进一步改善铜合金强度和导电性能的有效手段。

铜基原位复合是指往铜中加入与其固态下互不溶解或有极小固溶度的合金元素，制得两相复合体，其在铸态下由铜基体和呈树枝状或颗粒状存在的第二相组成。经过剧烈冷变形后，第二相转变为沿线拉方向上的纤维，结果铜基体保持着高的导电性，其纤维保持着高的强度，从而得到纤维增强的复合材料。

Cu和一些过渡族金属如Nb、Ag、Fe、Cr、Mo、V和W等形成合金(过渡族金属体积含量一般不超过20％)经形变后可获得强度和导电性的良好结合。其根本原因是Cu和这些过渡族金属在固态下互不溶解或只有极小的固溶度，Cu和过渡族金属形成的合金，在铸态下基本上是由纯Cu相和纯过渡族金属相组成，且过渡族金属相以树枝状或颗粒状埋在Cu基体中，经形变后，过渡族金属相形成了平行于线拉方向的纤维，这样合金中的纤维具有高强度，同时铜基体也保持了良好的导电性。

铜基原位复合材料的高强度主要来源于亚结构(位错、亚晶界、晶界、析出相)强化和纤维强化，其所具有的超常的高强度难以通过常规的混合法则进行解释，为此从最初的1978年Beck发现Cu-(10～30)Nb的高强高导的原位复合材料开始，人们对其强化机理进行了广泛深入的研究。如Raabe和Hangen等在考虑各相的体积分数的同时，又考虑相界面的作用，利用修正的混合规则模拟计算了线拉Cu-Nb复合材料的屈服强度，其结果与实验值吻合得较好；再者基于晶界阻碍位错运动，导致位错塞积以及应力集中而由Funkenbusch提出的位错强化的障碍模型；以及基于冷变形珠光体强化由Verhoeven提出的相界面强化模型等。根据已有的众多研究结果，铜基原位复合材料具有的远高于混合法则的高强度的原因可能是两相协调变形时界面强化和位错强化共同作用的结果。

Cu-Ag、Cu-Nb原位形变复合材料虽然能够达到超高强度与良好导电率的匹配，由于Ag和Nb都是贵金属，而影响了其应用前景。Cu-Cr、Cu-Fe等由于原材料价格较低，是目前的主要研究热点。但固态下Fe与Cu有一定的固溶度，影响其导电性能，而Cu-Cr的强度又偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在铜基二元合金(Cu-Cr)基础上改进的强度和导电性能兼顾的铜基原位复合材料。本发明的另一步目的是提供一种上述铜基原位复合材料的制备方法，该方法能够在提高复合材料强度的同时，能够提高Cr的析出，提高该复合材料的抗软化温度，降低微量合金元素对其导电率的影响。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种铜基原位复合材料，其特征在于，含有重量百分比为6～16％的铬、0.02～0.2％的锆、其余为铜。

该技术方案的进一步优选配比是含有重量百分比为9～15％的铬、0.06～0.1％的锆，其余为铜。

该技术方案的最佳优选配比是含有重量百分比为12％的铬、0.08％的锆，其余为铜。

本发明的另一个技术方案：一种铜基原位复合材料的制备方法，主要包括如下步骤：

(1)按照上述重量百分比分别称取铬、锆、铜，混合熔炼，熔铸成Cu-Cr-Zr三元合金铸锭；

(2)对铸锭在900～980℃下进行热锻，然后进行固溶处理，固溶温度为950～1000℃，固溶时间为1～2h，得到固溶处理物料；

(3)在室温下对固溶处理后物料进行多道次冷拉拔，最终拉拔应变量η为6～7，在多道次冷拉拔过程中进行中间热处理。

本发明制备方法的更进一步优化是，所述中间热处理为两次，当冷拉拔应变量η在3.5～4.1之间时，进行第一次中间热处理，温度550～450℃，时间1h；当冷拉拔应变量η在4.5～5.1之间时，进行第二次中间热处理，温度500～400℃，时间1h。

按照上述制备方法得到的铜基原位复合材料，其抗拉强度为850～1300MPa，电导率为70～80％IACS，软化温度为500～550℃。

由于本发明的铜基原位复合材料，通过在Cu-Cr二元合金中引入微量的合金元素Zr，提高了高温下Cu基体的回复与再结晶温度，并能够促进低温下Cr从Cu中析出。本发明中，Zr的引入还主要考虑了它所具有显著的时效强化性，含量太高将会大大降低合金的导电性，而含量过低其所具有的强化效应不显著，因此，经过大量试验，其中Zr含量为0.02～0.20％比较适宜。

本发明制备方法的重要特征在于采用了中间热处理，该工艺过程使Cr以纳米级弥散粒子从基体中充分析出；同时将纳米纤维增强和纳米粒子弥散强化相结合，在显著提高材料强度的同时，提高其导电性能和高温抗软化性能，其抗拉强度能够达到850～1300MPa，导电率达到70～80％IACS，软化温度达到500～550℃，能够满足长脉冲高强磁场线圈导体材料、电车及电力机车的接触线、集成电路引线框架材料等领域对高强度高导电铜合金的性能需求。

具体实施方式

实施例1：将重量比为6％纯铬、0.03％海绵锆、其余为电解铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Φ82mm的合金铸锭，在900℃对铸锭进行热锻成直径在Φ23mm左右的棒料。热锻后的固溶处理在氮气保护下进行，其固溶温度为950℃，固溶时间为1h，出炉后水淬。随后进行多道次的冷拉拔，拉拔至应变量η为3.6时，在450℃进行保温时间1h的中间热处理；而后再进行多道次拉拔，拉拔至应变量η为4.8时，在400℃进行1h的中间热处理，使Cr从基体中充分析出；最后再对其进行多道次拉拔，至应变量η为6.7，从而制备出本发明的铜基原位复合材料(Cu-Cr-Zr)，其抗拉强度900MPa，导电率76％IACS，软化温度520℃。

实施例2：将重量比为6％纯铬、0.15％海绵锆、其余为电解铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Φ82mm的合金铸锭，在900℃对铸锭进行热锻成直径在Φ23mm左右的棒料。热锻后的固溶处理在氮气保护下进行，其固溶温度为950℃，固溶时间为1h，出炉后水淬。随后进行多道次的冷拉拔，拉拔至应变量η为3.9时，在450℃进行保温时间1h的中间热处理；而后再进行多道次拉拔，拉拔至应变量η为5.1时，在400℃进行1h的中间热处理，使Cr从基体中充分析出；最后再对其进行多道次拉拔，至应变量η为6.2，从而制备出本发明的铜基原位复合材料(Cu-Cr-Zr)，其抗拉强度850MPa，导电率75％IACS，软化温度500℃。

实施例3：将重量比为9％纯铬、0.03％海绵锆、其余为电解铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Φ82mm的合金铸锭，在900℃对铸锭进行热锻成直径在Φ23mm左右的棒料。热锻后的固溶处理在氮气保护下进行，其固溶温度为960℃，固溶时间为1.5h，出炉后水淬。随后进行多道次的冷拉拔，拉拔至应变量η为3.8时，在500℃进行保温时间1h的中间热处理；而后再进行多道次拉拔，拉拔至应变量η为4.6时，在450℃进行1h的中间热处理，使Cr从基体中充分析出；最后再对其进行多道次拉拔，至应变量η为6.9，从而制备出本发明的铜基原位复合材料(Cu-Cr-Zr)，其抗拉强度1087MPa，导电率79％IACS，软化温度500℃。

实施例4：将重量比为12％纯铬、0.08％海绵锆、其余为电解铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Φ82mm的合金铸锭，在930℃对铸锭进行热锻成直径在Φ23mm左右的棒料。热锻后的固溶处理在氮气保护下进行，其固溶温度为980℃，固溶时间为1.5h，出炉后水淬。随后进行多道次的冷拉拔，拉拔至应变量η为3.9时，在500℃进行保温时间1h的中间热处理；而后再进行多道次拉拔，拉拔至应变量η为4.6时，在500℃进行1h的中间热处理，使Cr从基体中充分析出；最后再对其进行多道次拉拔，至应变量η为6.7，从而制备出本发明的铜基原位复合材料(Cu-Cr-Zr)，其抗拉强度1195MPa，导电率77％IACS，软化温度540℃。

实施例5：将重量比为12％纯铬、0.15％海绵锆、其余为电解铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Φ82mm的合金铸锭，在930℃对铸锭进行热锻成直径在Φ23mm左右的棒料。热锻后的固溶处理在氮气保护下进行，其固溶温度为980℃，固溶时间为1.5h，出炉后水淬。随后进行多道次的冷拉拔，拉拔至应变量η为3.9时，在500℃进行保温时间1h的中间热处理；而后再进行多道次拉拔，拉拔至应变量η为4.6时，在500℃进行1h的中间热处理，使Cr从基体中充分析出；最后再对其进行多道次拉拔，至应变量η为6.7，从而制备出本发明的铜基原位复合材料(Cu-Cr-Zr)，其抗拉强度1130MPa，导电率75％IACS，软化温度540℃。

实施例6：将重量比为9％纯铬、0.10％海绵锆、其余为电解铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Φ82mm的合金铸锭，在900℃对铸锭进行热锻成直径在Φ23mm左右的棒料。热锻后的固溶处理在氮气保护下进行，其固溶温度为960℃，固溶时间为1h，出炉后水淬。随后进行多道次的冷拉拔，拉拔至应变量η为3.7时，在500℃进行保温时间1 h的中间热处理；而后再进行多道次拉拔，拉拔至应变量η为4.8时，在450℃进行1h的中间热处理，使Cr从基体中充分析出；最后再对其进行多道次拉拔，至应变量η为6.5，从而制备出本发明的铜基原位复合材料(Cu-Cr-Zr)，其抗拉强度1120MPa，导电率78％IACS，软化温度500℃。

实施例7：将重量比为15％纯铬、0.06％海绵锆、其余为电解铜在真空中频感应炉中熔炼，熔铸成Φ82mm的合金铸锭，在940℃对铸锭进行热锻成直径在Φ23mm左右的棒料。热锻后的固溶处理在氮气保护下进行，其固溶温度为1000℃，固溶时间为2h，出炉后水淬。随后进行多道次的冷拉拔，拉拔至应变量η为3.9时，在500℃进行保温时间1h的中间热处理；而后再进行多道次拉拔，拉拔至应变量η为4.6时，在450℃进行1h的中间热处理，使Cr从基体中充分析出；最后再对其进行多道次拉拔，至应变量η为6.7，从而制备出本发明的铜基原位复合材料(Cu-Cr-Zr)，其抗拉强度1260MPa，导电率76％IACS，软化温度500℃。

Claims

1.一种铜基原位复合材料，其特征在于，含有重量百分比为6～16％的铬、0.02～0.2％的锆、其余为铜。

2.根据权利要求书1所述的一种铜基原位复合材料，其特征在于，含有重量百分比为9～15％的铬、0.06～0.1％的锆，其余为铜。

3.根据权利要求书2所述的一种铜基原位复合材料，其特征在于，含有重量百分比为12％的铬、0.08％的锆，其余为铜。

4.根据权利要求1～3任一所述铜基原位复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)对铸锭在900～950℃下进行热锻，然后进行固溶处理，固溶温度为950～1000℃，固溶时间为1～2h，得到固溶处理物料；

5.根据权利要求4所述铜基原位复合材料的制备方法，其特征在于，所述中间热处理为两次，当冷拉拔应变量η在3.5～4.1之间时，进行第一次中间热处理，温度550～450℃，时间1h；当冷拉拔应变量η在4.5～5.1之间时，进行第二次中间热处理，温度500～400℃，时间1h。

6.根据权利要求5所述铜基原位复合材料的制备方法所得的铜基原位复合材料，其特征在于，抗拉强度为850～1300MPa，电导率为70～80％IACS，软化温度为500～550℃。