CN112296086A - 一种制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜铬系复合材料的累积叠轧方法。以过共晶铜铬合金为原料，经过剪切、清洗、打磨、组装、60～70％下压率的叠轧、热处理步骤循环多次后得到的复合结构的合金板材。本发明采用所制备的铜铬复合板材成功率高，界面处结合强度高，合金的综合性能优异。

Description

一种制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法
技术领域
本发明涉及一种制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法，属于材料加工领域。
背景技术
铜铬系复合材料是指向铜中加入大量合金元素——铬，经铸造或粉末冶金制成两相复合体，其中添加的元素以单相形式、枝晶状结构存在于铜基体中，此后对合金进行大量塑性变形，添加元素转变强化纤维的一种复合材料。同时根据导电理论，第二相对电子的散射作用比固溶于铜基体原子引起的点阵畸变散射作用弱得多，故复合强化不会明显降低铜基体的导电性，此外强化相还能够改善基体的室温及高温性能。因此，形变强化复合材料法是获得高强高导铜铬系材料的主要强化手段之一。
经过对国内外公开发表的相关文献检索发现，目前制备形变铜基复合材料的变形方法主要有锻造、挤压、拉拔等。但这些方法都难以实现工业化大规模生产形变铜铬系复合板材。早在1998年，日本学者Saito Y提出了采用累积复合轧制法制备大块体薄板超细晶金属材料的大塑性成型技术，该方法被成功的应用于纯铜、纯铝、IF钢和层状复合材料等，广泛应用于航空航天、汽车层状材料的生产。庄丽敏等人在期刊《材料科学与工程学报》2015，33(05):650-656+670上发表的“累积叠轧制备超细晶纯铜多层板的组织和性能”中详尽描述了纯铜板累积叠轧过程显微组织演变和力学性能演变规律，在最终道次的叠轧后，其屈服强度达到450MPa(约为普通纯铜的5倍)，但该技术大部分研究集中在纯金属间的叠轧研究，对于累积叠轧工艺制备铜基复合材料的研究缺乏，其变形机理的研究也没有深入的认识。
罗泽宇等人在期刊《金属热处理》2018,43(08):93-98上发表的“累积叠轧Cu/Nb复合板材在形变与退火过程中的组织及性能演变”中，通过将纯Cu板和纯Nb板进行六个道次的累积叠轧得到高强度的Cu/Nb复合板材。但是在两次累积叠轧试样中，Cu/Nb尚未达到冶金结合，试样中可以观察到明显的微细缝，这在工业化生产中会大大降低产品成功率；而且当参与叠轧的两种金属变形性能相差过大时，硬相层在变形过程中易发生失稳，影响结合界面稳定性。铜基复合材料累积叠轧与纯铜和异种金属的累积叠轧类似，但铜基内部分布着大量的弥散的第二相，因此在对其进行累积叠轧时，如果仍然按照传统工序进行，在较小的叠轧层数时，层界面处仅由基体相Cu组成，结合界面强度较低，容易导致累积叠轧失败。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法，具体步骤如下
(1)原材料获得：将待累计叠轧的铜铬合金裁剪成尺寸相等的板材，厚度取0.5～2.5mm；
(2)板材的表面处理：将待加工的两块板材表面进行清洗，随后进行打磨处理；
(3)板材的组装：将待叠轧的两块铜合金板材在四角转孔，并用细钢丝固定；
(4)叠轧：将步骤(3)中组装好的铜合金板材先在高温下预热10min，随后进行单道次的轧制变形，压下率为60～70％；随后将叠轧后的板材切去裂边和毛刺，并与另一块未变形的铜合金板材重复步骤(2)、步骤(3)的操作，再进行高温下预热10min后叠轧，如此重复5-6次，得到包含数十层界面的、厚度为0.15～0.75mm左右的合金板材；
(5)后续热处理：将步骤(4)叠轧最终得到的铜合金板材放在热处理炉中，在400～450℃保温30min，然后空冷至室温，即得到高结合强度的高强高导铜铬系材料。
步骤(1)中的，所述的铜铬合金是固溶处理后的含大量添加铬元素的过共晶铜合金，添加铬元素至少达到5％以上。
步骤(4)中的预热温度是指能满足材料在轧制过程中发生动态再结晶的温度，叠轧属于高应变速率变形，因此变形要在较高温度下进行以满足变形要求。对于Cu-Cr合金，加热温度要达到800℃左右。
步骤(4)中的叠轧压下量与铜合金中铬的含量有关。铬的含量越多，叠轧压下量越小。
步骤(5)中采用的时效温度是指能满足变形后的材料经过30分钟保温后沉淀析出新相而且不发生明显晶粒长大的温度。对于Cu-Cr合金，400～500℃为最佳的时效温度。
与现有技术相比，本发明包括以下技术效果：
(1)本发明在首道次的叠轧后即可得到存在强化相渗透的结合界面，这大大增加了界面的结合强度，降低了结合层出现分离、断裂等情况发生的可能性，提高了铜基复合材料累积叠轧的成功率；
(2)本发明通过增大单道次的压下量可有效降低叠轧道次，生产效率高，成本低；
(3)本发明大大提高了叠轧后的界面结合强度，因此突破叠轧工艺对材料尺寸的限制，能够制备大尺寸结构材料；
(4)本发明所涉及的生产工艺简单，对设备要求不高且易于操作，可生产大尺寸的铜基复合板材，易于实现工业化生产。
附图说明
图1是累计叠轧的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
实施例1
(1)原材料获得：切取固溶处理后的Cu-15Cr合金板材，长300mm、宽取60mm、厚度取2mm。
(2)板材的表面处理：对步骤(1)得到的板材表面进行清洗，随后用钢丝轮刷以300r/min的速度沿长度方向反复打磨，直至板材表面起毛、粗糙、均匀为止，随后用电吹风将材料表面的残存铜屑吹干净；
(3)板材的组装：将待叠轧的两块铜合金板材在四角转孔，并用细钢丝固定；
(4)叠轧：将步骤(3)中组装好的铜合金板材先在800℃下预热10min，随后进行单道次的轧制变形，压下率为70％；随后将叠轧后的板材切去裂边和毛刺，并与另一块未变形的铜合金板材重复步骤(2)、步骤(3)的操作，再进行高温下预热10min后叠轧，如此重复5次，得到包含64层界面的、厚度为0.6mm左右的合金板材；
(5)后续热处理：将步骤(4)叠轧最终得到的铜合金板材放在热处理炉中，在450℃保温30min，然后空冷至室温，即得到高结合强度的高强高导铜铬系材料。
采用这种方法制备的Cu-15Cr合金板材，在首道次轧制完成后，层间结合力达到了5000N，其大小为常规叠轧方法的3～5倍；在终道次轧制完成后，未经450℃退火的样品，其极限抗拉强度达到了850MPa，均匀延伸率为0.4％,；经退火后，其极限抗拉强度达到了700MPa，均匀延伸率为4％，导电率为62％(IACS)。
实施例2
(1)原材料获得：切取固溶处理后的Cu-7Cr合金板材，长300mm、宽取60mm、厚度取2mm。
(2)板材的表面处理：对步骤(1)得到的板材表面进行清洗，随后用钢丝轮刷以300r/min的速度沿长度方向反复打磨，直至板材表面起毛、粗糙、均匀为止，随后用电吹风将材料表面的残存铜屑吹干净；
(3)板材的组装：将待叠轧的两块铜合金板材在四角转孔，并用细钢丝固定；
(4)叠轧：将步骤(3)中组装好的铜合金板材先在800℃预热10min，随后进行单道次的轧制变形，压下率为65％；随后将叠轧后的板材切去裂边和毛刺，并与另一块未变形的铜合金板材重复步骤(2)、步骤(3)的操作，再进行高温下预热10min后叠轧，如此重复5次，得到包含64层界面的、厚度为0.7mm左右的合金板材；
(5)后续热处理：将步骤(4)叠轧最终得到的铜合金板材放在热处理炉中，在450℃保温30min，然后空冷至室温，即得到高结合强度的高强高导铜铬系材料。
采用这种方法制备的Cu-7Cr合金板材，在首道次轧制完成后，层间结合力达到了4500N，其大小为常规叠轧方法的3～5倍；在终道次轧制完成后，未经450℃退火的样品，其极限抗拉强度达到了780MPa，均匀延伸率为0.5％,；经退火后，其极限抗拉强度达到了680MPa，均匀延伸率为6％，导电率为68％(IACS)。

Claims (5)

1.一种制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法，其特征在于，该方法包括：
(1)原材料获得：将待累计叠轧的铜铬合金裁剪成尺寸相等的板材，厚度取0.5～2.5mm；
(2)板材的表面处理：将待加工的两块板材表面进行清洗，随后进行打磨处理；
(3)板材的组装：将待叠轧的两块铜合金板材在四角转孔，并用细钢丝固定；
(4)叠轧：将步骤(3)中组装好的铜合金板材先在高温下预热10min，随后进行单道次的轧制变形，压下率为60～70％；随后将叠轧后的板材切去裂边和毛刺，并与另一块未变形的铜合金板材重复步骤(2)、步骤(3)的操作，再进行高温下预热10min后叠轧，如此重复5-6次，得到包含多层界面的、厚度为0.15～0.75mm左右的合金板材；
(5)后续热处理：将步骤(4)叠轧最终得到的铜合金板材放在热处理炉中，在400～450℃保温30min，然后空冷至室温，即得到高结合强度的高强高导铜铬系材料。
2.根据权利要求1所述的制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法，其特征在于，步骤(1)中的，所述的铜铬合金是固溶处理后的含大量添加铬元素的过共晶铜合金，添加铬元素至少达到5％以上。
3.根据权利要求1所述的制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法，其特征在于，步骤(4)中的预热温度，对于Cu-Cr合金，加热温度要达到800℃左右。
4.根据权利要求1所述的制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法，其特征在于，步骤(4)中的叠轧压下量与铜合金中铬的含量有关，铬的含量越多，叠轧压下量越小。
5.根据权利要求1所述的制备高结合强度铜铬系复合材料的累积叠轧方法，其特征在于，步骤(5)中采用的时效温度是指能满足变形后的材料经过30分钟保温后沉淀析出新相而且不发生明显晶粒长大的温度，对于Cu-Cr合金，400～500℃为时效温度。
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