CN110306137A - 一种层状铜铬锆-纯铜复合板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料制备领域，特别是一种层状铜铬锆‑纯铜复合板材的制备方法。包括如下步骤：(1)预处理：切取长和宽相同、厚度比为7:3的铜铬锆和纯铜板材，并对其进行处理；(2)扩散压力焊处理：将预处理之后的铜铬锆和纯铜板材依次交叠堆叠放入绝氧氛围的系统中进行扩散压力焊接；(3)重固溶处理：使得析出的第二相增强体重新固溶到基体中；(4)冷轧：得到层状铜铬锆‑纯铜异构复合板材；(5)热处理。本发明采用多层垒叠扩散焊的手段，可以一次性制备出指定层数的铜铬锆‑纯铜复合板材；且在扩散压力焊后进行重固溶处理，使易在界面处汇聚的析出相重新溶解回基体中去，制备出的层状板材具有良好的结合界面，提高材料综合力学性能。

Description

一种层状铜铬锆-纯铜复合板材的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，特别是一种层状铜铬锆-纯铜复合板材的制备方法。
背景技术
在如今电气化的工业时代，铜及铜合金是在人类社会中扮演者极其重要的角色。电机、通信、机械制造、建筑行业、国防工业等领域都对铜及铜合金有着大量的需求。纯铜的热导率和电导率都十分优异，但是其较低的强度(粗晶态抗拉强度约200MPa)限制了它的进一步应用。目前获得高强高导铜合金的方法基本都是在提升铜合金强度时，部分牺牲铜合金良好的导电性能，比较成熟的方法是合金化法。合金化法制备高强高导铜合金主要有四种方式，分别是固溶强化、沉淀强化、细晶强化和冷变形强化。用这些方法在强化铜合金材料时会引入大量缺陷(如杂质原子、空位、位错、层错等)和晶界，加强了对电子的散射作用，从而导致电导率的降低。
为在不降低电导率的前提下提高强度，我们引入了多层复合材料这一概念。多层复合材料是一种调节材料综合性能的有效方法。文献“累积叠轧焊制备Al/AZ31多层复合材料及其强度，刘华赛等，稀有金属，第33卷第2期，第285～289页，2009年 4月”用累积叠轧焊法制备了Al/AZ31多层复合材料；其根据性能数据可以看出这种多层复合材料具备优异的综合力学性能，这主要归功于软硬界面处协调变形产生的额外背应力提供了额外的加工硬化能力。
然而这种材料制备方法也存在较多的弊端：首先，采用热轧的方式限制了材料强度的提高幅度；其次，较难单纯依赖热轧使两种不同的金属有良好的界面结合，在变形的过程中也会由于界面结合性不佳而导致在界面处开裂，从而导致材料利用率低；最后，累积叠轧焊法工艺繁琐，容易引入杂质，从而污染界面导致界面结合性不佳。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种层状铜铬锆-纯铜复合板材的制备方法。
实现本发明目的技术解决方案为：
一种层状铜铬锆-纯铜复合板材的制备方法，包括如下步骤：
(1)预处理：切取长和宽相同、厚度比为7:3的铜铬锆和纯铜板材，并对其进行处理；
(2)扩散压力焊处理：将预处理之后的铜铬锆和纯铜板材依次交叠堆叠放入绝氧氛围的系统中，进行扩散压力焊接；
(3)重固溶处理：使得析出的第二相增强体重新固溶到基体中；
(4)冷轧：得到层状铜铬锆-纯铜异构复合板材；
(5)热处理：所述热处理为退火处理。
进一步的，所述纯铜成分按重量百分比为：(Cu+Ag)>99.90，铜铬锆成分按重量百分比为：Cu：97.95～99.45，Cr：0.50～1.5，Zr：0.05～0.30，杂质≤0.3。
进一步的，所述步骤(1)中的预处理还包括：对铜铬锆和纯铜板材上下接触表面进行打磨、抛光，之后放入丙酮溶液中清洗10-30min，风干，放入真空罐中备用。
进一步的，抛光之后，所述板材的表面粗糙度Ra<1.0μm。
进一步的，所述步骤(2)中扩散压力焊具体为：在铜铬锆和纯铜堆叠板材之间施加大于0.1MPa的正向压力，通入惰性气体，使得压力为100～300Pa，温度为920℃±5℃，保温1～2h，炉冷至室温取出。
进一步的，所述步骤(3)重固溶处理具体为：升温到铜铬锆固溶温度后，保温2～3h后水淬的工艺，进行重固溶处理；整个过程在氮气流气氛保护下进行。
进一步的，所述步骤(4)冷轧处理的变形量为70～80％。
进一步的，所述步骤(5)中的退火处理具体为：将冷轧态的层状铜铬锆-纯铜异构复合板材升温至铜铬锆时效析出温度，保温3h，空冷，整个过程在氮气流气氛保护下进行。
进一步的，所述时效析出温度为250～450℃。
进一步的，所述步骤(3)和(5)加热采用的加热炉为热处理用可充气体管式炉，保护气体为氮气或氩气。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本发明采用多层垒叠扩散焊的手段，可以一次性制备出指定层数的铜铬锆-纯铜复合板材，免除了累积叠轧焊法繁琐的多次切割叠轧工艺；且由于扩散焊全程真空无接触，不存在有杂质的问题。
(2)本发明通过扩散压力焊，使界面处结合牢固，并在之后进行重固溶处理，使易在界面处汇聚的析出相重新溶解回基体中去，制备出的层状铜铬锆-纯铜异构复合板材具有良好的结合界面，可以有效实现背应力强化，提高材料综合力学性能。
(3)本发明采用冷轧，冷轧相比于温轧热轧可以有效避免晶粒回复或者再结晶，对于冷轧过程中容易出现的开裂情况，由于之前的扩散焊和重固溶处理使得界面处无颗粒物且结合紧密，不容易开裂，从而可以大幅度提高材料强度。
附图说明
图1本申请层状铜铬锆-纯铜异构复合板材制备工艺流程图。
图2本申请层状铜铬锆-纯铜异构复合板材的截面硬度分布图；其中图(a)为实例1截面硬度分布图，图(b)为实例2截面硬度分布图，图(c)为实例3截面硬度分布图。
图3本申请实施例1软硬界面处的SEM形貌图。
图4本申请层状铜铬锆-纯铜异构复合板材拉伸曲线图。
附图标记说明：
1-预处理，2-扩散压力焊处理，3-重固溶处理，4-冷轧，5-热处理。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
一种层状铜铬锆-纯铜异构复合板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)板材的切割及表面去氧化处理
将厚度为0.1～5mm的铜铬锆(C18150牌号)和纯铜(T2牌号)板材切割成相同的长宽尺寸，其铜铬锆和纯铜层的厚度比为7：3(根据文献和理论总结得出软硬相比例为3：7是背应力强化效果最好的比例(因为软相主要提供导电性和塑性，比例过高会导致强度不够；而硬相主要提供强度和硬度，比例过高会导致电导率和塑性下降))，至少两层，层数越多越好(因为背应力强化主要是依靠软硬界面作用，受外部应力条件下软硬界面变形不均导致内部出现的背应力对抗外部应力，因此层数越多，界面数越多，背应力强化效果越明显)。对其上下接触表面先进行打磨、抛光，目的是为了除去表面氧化物，使其表面粗糙度Ra<1.0μm，之后放入丙酮溶液中清洗10～30min，最后迅速用冷风风干，可封装处理放入真空罐保存。
(2)扩散压力焊处理
将上述已经表面去氧化过的铜铬锆和纯铜板材依次交叠堆叠放入绝氧氛围(真空度小于10-3Pa)的系统中，在铜铬锆和纯铜堆叠板材之间施加正向压力(大于0.1MPa)。接着将炉内温度迅速升至铜铬锆固溶温度(920℃左右)，保温1～2h(时间过短固溶效果不佳，时间太长会引起过烧，影响铜铬锆层的性能)，炉冷至室温取出。
(3)重固溶处理
由于上一步最后的炉冷阶段时间过长，铜铬锆层大概率出现了时效析出现象，导致界面处析出相颗粒阻碍后续的轧制变形。因此需要进行重固溶处理，使第二相增强体重新固溶到基体中。采用升温到铜铬锆固溶温度(920℃左右)后放入材料保温2～3h后 (扩展到合理的范围)水淬的工艺进行重固溶处理，整个过程在氮气流气氛保护下进行。
(4)冷轧处理
对上述重固溶过的材料进行70～80％变形量的冷轧处理。此举一则促进界面间的结合；二则细化晶粒，提高强度；三则为后续的时效析出提供更多的形核缺陷，同时提高电导率和强度。
(5)热处理
对冷轧变形态的层状铜铬锆-纯铜异构复合板材进行升温至250～450℃(铜铬锆时效析出温度)后放入材料保温3h后空冷的退火处理，整个过程在氮气流气氛保护下进行。
实施例1
首先，本实施例采用如下的设备：高温扩散压力焊设备，两辊可逆温轧机、热处理用可充保护气体管式炉。
本实施例制备一种层状铜铬锆-纯铜异构复合板材的工艺流程图如图1所示，具体操作如下：
本实施例中采用的纯铜为0.5mm，铜铬锆板材的厚度均为1mm，尺寸为200×200mm2，所使用的纯铜的化学成分(wt.％)为：Cu：99.94，Zn：0.0041，Pb：0.0007， Sn：0.0005，Fe：0.0031，Ni：0.0028，Si：0.028，其余为不可避免的杂质，铜铬锆的化学成分(wt.％)为：Cu：99.1565，Cr：0.732，Zr：0.067，Al：0.001，Fe：0.022， Mg：0.014，P：0.0005，Si：0.007，其余为不可避免的杂质。
选择纯铜及黄铜板材各两块，对其上下表面先机械打磨清理，去除表面氧化层，使其表面粗糙度Ra<1.0μm，之后放入丙酮溶液中清洗10～30min，去除油污，最后迅速用冷风风干，封装处理放入真空罐保存。
将上述准备好的四层材料从真空管中取出依次堆叠放入真空(<10-3Pa)高温扩散压力焊设备炉膛中，在纯铜和铜铬锆堆叠板材之间在铜铬锆和纯铜堆叠板材之间施加正向压力(4.5t)。接着将炉内温度以10℃/min的升温速率迅速升至920℃，保温2h，炉冷至室温取出。
然后对扩散焊后的材料进行重固溶处理。把扩散焊后的材料放入热处理用可充保护气体管式炉中，将管式炉升温，带温度达到920℃时，把材料移动到炉膛中央保温2h，整个过程在氮气流气氛保护下进行，保温结束后拿出水淬，接着用冷风吹干，砂纸打磨表面不可避免的少量氧化物。
对重固溶后的材料进行80％变形量的冷轧处理，最终得到厚度600μm(纯铜层厚100μm，铜铬锆层厚200μm)的4层铜铬锆-纯铜异构复合板材。
最后对轧制态的4层铜铬锆-纯铜异构复合板材进行时效处理。把冷轧后的材料放入热处理用可充保护气体管式炉中，将管式炉升温，带温度达到250℃时，把材料移动到炉膛中央保温3h，整个过程在氮气流气氛保护下进行，保温结束后取出空冷，砂纸打磨表面不可避免的少量氧化物。
最终得到了软硬层交错的铜铬锆-纯铜异构复合板材。如图2所示，铜铬锆为硬质层，提供高强度，硬度约为190HV，均匀延伸率0，断裂延伸率5％，电导率82％IACS；纯铜为软质层，提供高电导率和塑性，硬度约为75HV，均匀延伸率12％，断裂延伸率40％，电导率100％IACS。两界面结合良好，无裂纹。整体板材的拉伸强度为310MPa，抗拉强度330MPa，均匀延伸率3％，断裂延伸率10％，电导率>90％，其工程应力-工程应变曲线如图3所示。
可以看出本发明制备的层状铜铬锆-纯铜异构复合板材具有高电导率和强度和塑性的匹配结合，适合工业应用。
实施例2
首先，本实施例采用如下的设备：高温扩散压力焊设备，两辊可逆温轧机、热处理用可充保护气体管式炉。
本实施例制备一种层状铜铬锆-纯铜异构复合板材的工艺流程图如图1所示，具体操作如下：
本实施例中采用的纯铜为0.5mm，铜铬锆板材的厚度均为1mm，尺寸为200×200mm2，所使用的纯铜的化学成分(wt.％)为：Cu：99.94，Zn：0.0041，Pb：0.0007， Sn：0.0005，Fe：0.0031，Ni：0.0028，Si：0.028，其余为不可避免的杂质，铜铬锆的化学成分(wt.％)为：Cu：99.1565，Cr：0.732，Zr：0.067，Al：0.001，Fe：0.022，Mg：0.014，P：0.0005，Si：0.007，其余为不可避免的杂质。
选择纯铜及黄铜板材各两块，对其上下表面先机械打磨清理，去除表面氧化层，使其表面粗糙度Ra<1.0μm，之后放入丙酮溶液中清洗10～30min，去除油污，最后迅速用冷风风干，封装处理放入真空罐保存。
将上述准备好的四层材料从真空管中取出依次堆叠放入真空(<10-3Pa)高温扩散压力焊设备炉膛中，在纯铜和铜铬锆堆叠板材之间在铜铬锆和纯铜堆叠板材之间施加正向压力(4.5t)。接着将炉内温度以10℃/min的升温速率迅速升至920℃，保温2h，炉冷至室温取出。
然后对扩散焊后的材料进行重固溶处理。把扩散焊后的材料放入热处理用可充保护气体管式炉中，将管式炉升温，带温度达到920℃时，把材料移动到炉膛中央保温2h，整个过程在氮气流气氛保护下进行，保温结束后拿出水淬，接着用冷风吹干，砂纸打磨表面不可避免的少量氧化物。
对重固溶后的材料进行80％变形量的冷轧处理，最终得到厚度600μm(纯铜层厚100μm，铜铬锆层厚200μm)的4层铜铬锆-纯铜异构复合板材。
最后对轧制态的4层铜铬锆-纯铜异构复合板材进行时效处理。把冷轧后的材料放入热处理用可充保护气体管式炉中，将管式炉升温，带温度达到350℃时，把材料移动到炉膛中央保温3h，整个过程在氮气流气氛保护下进行，保温结束后取出空冷，砂纸打磨表面不可避免的少量氧化物。
最终得到了软硬层交错的铜铬锆-纯铜异构复合板材。如图2所示，铜铬锆为硬质层，提供高强度，硬度约为180HV，均匀延伸率4％，断裂延伸率7％，电导率87％IACS；纯铜为软质层，提供高电导率和塑性，硬度约为70HV，均匀延伸率15％，断裂延伸率 42％，电导率100％IACS。两界面结合良好，无裂纹。整体板材的拉伸强度为290MPa，抗拉强度310MPa，均匀延伸率15％，断裂延伸率25％，电导率>90％，其工程应力-工程应变曲线如图3所示。
可以看出本发明制备的层状铜铬锆-纯铜异构复合板材具有高电导率和强度和塑性的匹配结合，适合工业应用。
实施例3
首先，本实施例采用如下的设备：高温扩散压力焊设备，两辊可逆温轧机、热处理用可充保护气体管式炉。
本实施例制备一种层状铜铬锆-纯铜异构复合板材的工艺流程图如图1所示，具体操作如下：
本实施例中采用的纯铜为0.5mm，铜铬锆板材的厚度均为1mm，尺寸为200×200mm2，所使用的纯铜的化学成分(wt.％)为：Cu：99.94，Zn：0.0041，Pb：0.0007， Sn：0.0005，Fe：0.0031，Ni：0.0028，Si：0.028，其余为不可避免的杂质，铜铬锆的化学成分(wt.％)为：Cu：99.1565，Cr：0.732，Zr：0.067，Al：0.001，Fe：0.022， Mg：0.014，P：0.0005，Si：0.007，其余为不可避免的杂质。
选择纯铜及黄铜板材各两块，对其上下表面先机械打磨清理，去除表面氧化层，使其表面粗糙度Ra<1.0μm，之后放入丙酮溶液中清洗10～30min，去除油污，最后迅速用冷风风干，封装处理放入真空罐保存。
将上述准备好的四层材料从真空管中取出依次堆叠放入真空(<10-3Pa)高温扩散压力焊设备炉膛中，在纯铜和铜铬锆堆叠板材之间在铜铬锆和纯铜堆叠板材之间施加正向压力(4.5t)。接着将炉内温度以10℃/min的升温速率迅速升至920℃，保温2h，炉冷至室温取出。
然后对扩散焊后的材料进行重固溶处理。把扩散焊后的材料放入热处理用可充保护气体管式炉中，将管式炉升温，带温度达到920℃时，把材料移动到炉膛中央保温2h，整个过程在氮气流气氛保护下进行，保温结束后拿出水淬，接着用冷风吹干，砂纸打磨表面不可避免的少量氧化物。
对重固溶后的材料进行80％变形量的冷轧处理，最终得到厚度600μm(纯铜层厚100μm，铜铬锆层厚200μm)的4层铜铬锆-纯铜异构复合板材。
最后对轧制态的4层铜铬锆-纯铜异构复合板材进行时效处理。把冷轧后的材料放入热处理用可充保护气体管式炉中，将管式炉升温，带温度达到450℃时，把材料移动到炉膛中央保温3h，整个过程在氮气流气氛保护下进行，保温结束后取出空冷，砂纸打磨表面不可避免的少量氧化物。
最终得到了软硬层交错的铜铬锆-纯铜异构复合板材。如图2所示，铜铬锆为硬质层，提供高强度，硬度约为176HV，均匀延伸率5％，断裂延伸率10％，电导率89％IACS；纯铜为软质层，提供高电导率和塑性，硬度约为68HV，均匀延伸率18％，断裂延伸率 45％，电导率100％IACS。两界面结合良好，无裂纹。整体板材的拉伸强度为240MPa，抗拉强度280MPa，均匀延伸率14％，断裂延伸率20％，电导率>90％，其工程应力-工程应变曲线如图3所示。
可以看出本发明制备的层状铜铬锆-纯铜异构复合板材具有高电导率和强度和塑性的匹配结合，适合工业应用。

Claims (10)

1.一种层状铜铬锆-纯铜复合板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)预处理：切取长和宽相同、厚度比为7:3的铜铬锆和纯铜板材，并对其进行处理；
(2)扩散压力焊处理：将预处理之后的铜铬锆和纯铜板材依次交叠堆叠放入绝氧氛围的系统中，进行扩散压力焊接；
(3)重固溶处理：使得析出的第二相增强体重新固溶到基体中；
(4)冷轧：得到层状铜铬锆-纯铜异构复合板材；
(5)热处理：所述热处理为退火处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纯铜成分按重量百分比为：(Cu+Ag)>99.90，铜铬锆成分按重量百分比为：Cu：97.95～99.45，Cr：0.50～1.5，Zr：0.05～0.30，杂质≤0.3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的预处理还包括：对铜铬锆和纯铜板材上下接触表面进行打磨、抛光，之后放入丙酮溶液中清洗10-30min，风干，放入真空罐中备用。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，抛光之后，所述板材的表面粗糙度Ra<1.0μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中扩散压力焊具体为：在铜铬锆和纯铜堆叠板材之间施加大于0.1MPa的正向压力，通入惰性气体，使得压力为100～300Pa，温度为920℃±5℃，保温1～2h，炉冷至室温取出。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)重固溶处理具体为：升温到铜铬锆固溶温度后，保温2～3h后水淬的工艺，进行重固溶处理；整个过程在氮气流气氛保护下进行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)冷轧处理的变形量为70～80％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中的退火处理具体为：将冷轧态的层状铜铬锆-纯铜异构复合板材升温至铜铬锆时效析出温度，保温3h，空冷，整个过程在氮气流气氛保护下进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述时效析出温度为250～450℃。
10.根据权利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)和(5)加热采用的加热炉为热处理用可充气体管式炉，保护气体为氮气或氩气。
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