CN1286120C

CN1286120C - 铜基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN1286120C
Application number: CN 200310104169
Authority: CN
Inventors: 宁远涛; 张婕; 秦国义
Original assignee: Kunming Institute of Precious Metals
Current assignee: Kunming Institute of Precious Metals
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: CN1555065A

Abstract

本发明涉及高强度高导电率铜基复合材料及其制备方法。铜基复合材料成分质量%为：Ag8～15、Cu85～92，Cu基体中分布有沿加工方向延伸的金属Ag纤维，Ag纤维间相互平行且间距相等。其制备方法依次包括下列工艺步骤：①氩气氛中熔炼Ag、Cu原料，铸锭，控制铸锭凝固冷却速率10～1000K/s；②机械冷加工所得到的铸锭，控制机械冷加工真实应变η＝2.0～3.5，于氩气氛中热处理；③冷拉拔所得坯锭得到丝材，控制冷拉拔的真实应变为η＝4.0～7.0。本发明的铜基复合材料同时具有高强度高导电率的特点，其最大强度值可达UTS＝1.5GPa，导电率＝60%IACS。该材料可用于高强脉冲磁场及其它需要高强度和高导电率综合性能的领域。

Description

铜基复合材料及其制备方法

技术领域：本发明涉及高强度高导电率铜基复合材料及其制备方法，特别是用作高强脉冲磁场导体材料、集成电路框架材料、高性能电接触材料等含Ag的Cu基复合材料及其制备方法。

背景技术：现代工业与高新技术的发展，在许多领域中需要具有高强度和高导电率综合性能的优良导体材料。用作高强脉冲磁场磁体的感应线圈材料，要求有高的强度抵御电磁感应所产生的洛仑兹力以避免线圈爆裂，同时也要求有高的导电率以减少焦耳热。高强磁场对导体材料的要求一般达到：极限抗拉强度UTS＞700，相对导电率＞75％IACS(IACS为国际退火铜导电率标准)。随着微电子技术的发展，对集成电路框架材料提出了越来越高的要求，而最重要的性能要求也是高强度与高导电率，高的强度可使框架保持好的刚性和抗变形性，高的导电率(导热率)可以减少高集成硅片的发热量。一般地说，大规模集成电路引线框架材料综合性能要求为：UTS＞600MPa，相对导电率≥80％IACS。此外，高强度高导电率材料在其它领域如高能粒子加速器的聚焦和加速线圈、受控热核反应装置的壳体、超导技术、电气工程及航空航天等方面都有重要的应用前景。

纯铜具有高的导电率，但其强度很低而不能满足要求，因而需要通过多种强化手段提高铜的强度。铜的主要强化方式有：微合金化、固体强化+沉淀强化、形变强化+时效强化、弥散强化、细晶强化和复合强化等。合金化可以提高铜及铜合金的强度，但同时也降低其导电率。因此通常只能采用微合金，微合金化元素主要有Ti、Zr、Cr、Fe、Ni、Mg、Sn、Zn、Si、P等。微合金化铜合金虽可保持较高导电率，但其强度性质仍然较低，只适合用于要求高导电率而对强度要求不高的场合。一些合金元素在铜中的固溶度随温度降低而减少，因而具有沉淀强化效应，主要元素有Cr、Zr、Be、Fe、Nb等，其中Cr、Zr的沉淀强化效果较显著，Cu-Cr和Cu-Zr合金是目前广泛应用的铜合金。但是，借助传统的固淀强化和时效强化很难获得高强度和高导电率相结合的综合性能，它们不是强度性能较低就是导电率明显降低。如采用微合金化强化的铜合金，一般其导电率可达到70％IACS以上，但极限抗拉强度一般低于600MPa以下。又如目前广泛应用并具有良好沉淀强化效应的Cu-Be合金，在77K时极限抗拉强度达到1.5GPa，但导电率仅约为25％IACS，这显然不能满足高导电性要求的应用。

复合强化是强化铜合金的有效方法。按复合材料中增强相的生成方法，铜基复合材料的制备方法有外加强制法和内部生成法。外加强制法是人为地将增强相加入铜合金基体而形成复合材料。其主要方法包括粉末冶金法、复合铸造法、机械合金化法、多次包复复合法、包复形成法和热压法等。外加强制复合法不仅工艺复杂，而且由于增强相由外部人工加入，很难使第二相分布均匀，并不可避免地带入杂质污染，使界面结合强度削弱，因而使复合材料性能不均匀与不稳定。内部生成法包括原位反应生成法和原位形变复合法。原位反应生成法是在一定条件下通过元素之间的化学反应，在铜合金基体内原位形成陶瓷增强相。这种原位形成的增强相具有高的热稳定性、分布均匀并与基体界面良好润湿等优点，但它的缺点是会形成副反应夹杂物和增强相的体积分数难以精确控制等。

采用原位形变复合法制备高强度高导电率铜基复合材料目前主要集中在两类铜合金上。其一是铸态为机械混合物的铜合金如Cu-Nb、Cu-Fe和Cu-Cr等，它们是体心立方第二相镶嵌在面心立方铜基体，经原位变形形成复合材料。其二是利用Cu-Ag共晶组织原位变形而形成复合材料。通过对这两类原位形变复合铜基复合材料性能的比较，可以发现Cu-Ag原位复合材料的综合性能更好，而Cu-Nb原位复合材料性能次之。对Cu-Ag原位复合材料，目前的研究更多的是集中在Ag含量高(质量分数比：Ag含量≥20％Cu)的Cu-Ag合金上。

发明内容：本发明目的是提供一种高强度高导电率铜基复合材料。

本发明的另一个目的在于提供高强度高导电率铜基复合材料的制备方法。

本发明目的一涉及的高强度高导电率铜基复合材料，质量％成分为：Ag8～15、Cu85～92，Cu基体中分布有沿加工方向延伸的金属Ag纤维，Ag纤维间相互平行且间距相等。

优选下列参数，有助于提高Cu基复合材料的强度和电导率。复合材料中Ag纤维的直径可以是0.08～0.2微米。Cu基复合材料中Ag含量可以为8％，可以是10％，可以是12％，可以是15％。

实现本发明目的二的高强度高导电率Cu基复合材料制备方法，包括下列顺序的工艺步骤：

①氩气氛中熔炼按质量百分比Ag8～t5、Cu85～92配制好的Ag、Cu原料，铸锭，控制铸锭的凝固冷却速率10～1000K/s。

②采用冷锻、冷轧、冷拉、冷拔等机械冷加工手段加工步骤①得到的铸锭。控制机械冷加工的真实应变η＝2.0～3.5，加工完毕后于氩气氛中300～400℃热处理坯锭0.5～1.5小时。

③冷拉拔步骤②所得坯锭得到丝材，冷拉拔过程中，控制冷拉拔的真实应变为η＝4.0～7.0。

在完成上述发明技术方案中的步骤③的冷拉拔加工后，于氩气氛中200～300℃下热处理所得丝材0.5～1.5小时，有助于提高丝材的稳定性。

发明人采用原位形变复合技术制备得到的含低Ag的Cu-Ag原位纤维复合材料中，Ag纤维的尺寸及其分布对复合材料的强度与导电率性质有着决定性的影响。研究发现，Ag纤维直径d与铸态合金原始晶粒尺寸参数S₀和真实应变η之间存在如下关系：

d＝S₀exp(-0.228η) (1)

根据公式(1)，下列工艺参数对Cu-Ag原位纤维复合材料中Ag纤维的尺寸和复合材料的最终性能具有决定性影响，这些因素是：

1)铸态合金凝固冷却速度。它直接影响铸态合金的原始晶粒尺寸参数S₀。

2)真实应变量η。由公式(1)可知，真实应变η值越大，d值越小，Ag纤维直径越细，并且当机械冷加工和冷拉拔累计真实应变η＞9时，Ag纤维直径可低于100nm，即达到纳米纤维直径，形成纳米Ag纤维增强的Cu-Ag纤维复合材料；另一方面，η值越大，形变量越大，可使Ag纤维形成更均匀分布。

3)中间热处理、机械加工处理。在Cu-Ag铸态合金中，除含有精细共晶组织之外，还有中间热处理Ag金属相沉淀析出。在后续机械加工过程中，Ag金属相溶解，通过中间热处理，Ag金属相又析出，再加工，Ag金属相又溶解。中间热处理、机械加工处理工程中，Ag金属相的变化如下：

本发明正是基于上述研究结果，采用原位形变法，通过熔铸手段控制铸态合金的结构，经机械加工使合金中第二相沿加工方向变形而形成纤维状结构。另一方面，通过合理的热机械处理，控制Ag金属相反复析出—溶解—拉伸，以增多Cu基体中使Ag纤维的数量，并使其尺寸更细，分布更均匀，从而影响复合材料的最终强度与导电率性能。本发明的高强度高导电率铜基复合材料中Ag含量低，有效地节约了贵金属Ag材。同时本发明的高导电率铜基复合材料，由于Ag增强第二相是在合金中原位生成，并经直接加工而形成，因此不存在外部污染，没有副反应夹杂物，界面结合牢固，强化相分布均匀。其铜基体中Ag纤维尺寸为微米级、亚微米级或纳米级，强化效果显著。本发明高强度高导电率铜基复合材料最大强度值可达到UTS＝1.5GPa，同时保持导电率＝60％IACS。

本发明当机械加工和冷拉拔的累计真实应变η≥9时，Ag纤维直径或厚度d≤90nm。

图面说明：图1是采用本发明工艺在累计真实应变η＝7.1时Cu-Ag纤维复合材料的扫描电镜图像，其中Ag纤维直径或厚度d＝0.2～0.25μm。

具体实施方式

实施例1：含质量分数8％Ag的铜基复合材料。采用先抽真空再充Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝60K/s，经冷锻、冷轧和拉拔等初加工之后，在真实应变η＝3.0时，350℃下热处理1小时，再实施真实应变η＝4.0的冷拉拔变形。所制备的复合材料性质为：UTS＝820MPa，导电率＝82％IACS。

实施例2：含质量分数10％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，冷却速率ε＝20K/s，经冷锻、冷轧和拉拔等初加工之后，在真实应变η＝2.5时，300℃下热处理1.5小时，再实施真实应变η＝5.0的冷拉拔变形，所制备的复合材料性能为：UTS＝1100MPa，导电率＝70％IACS。

实施例3：含质量分10％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝600K/s，经冷锻、冷轧、冷拔等初加工后，在真实应变η＝3.5时，350℃下热处理0.5小时，丝材经真实应变η＝6.8的冷拉拔变形，再在Ar保护气氛中经200℃稳定化热处理1小时，所制Cu-10Ag复合丝材的性能为：UTS＝1180MPa，导电率＝80％IACS。

实施例4：含质量分数10％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝400K/s，经冷锻、冷轧和拉拔初加工之后，在真实应变η＝2.95时作350℃/1h中间热处理，再施以真实应变η＝7.0的冷拉拔大变形，再在Ar保护气氛中经250℃稳定化热处理1小时，所制备Cu-10Ag复合丝材的性能为：UTS＝1500MPa，导电率＝60％IACS。

实施例5：含质量分数12％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝60K/s，经冷锻、冷轧和冷拉拔等初加工之后，在真实应变η＝2.95时作350℃/1.5h中间热处理，再在Ar保护气氛中经300℃稳定化热处理1.5小时，再经真实应变η＝6.0的冷变形，所制备Cu-12Ag复合丝材的性能为：UTS＝950MPa，导电率＝78％IACS。

实施例6：含质量分数12％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝500K/s，经冷锻、冷轧和冷拉拔等初加工之后，在真实应变η＝2.95时作350℃/0.5h中间热处理，再经真实应变η＝6.5的冷变形，所制备Cu-12Ag复合丝材的性能为：UTS＝1250MPa，导电率＝65％。

实施例7：含质量分数15％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝100K/s，经冷锻、冷轧和冷拉拔等初加工之后，在真实应变η＝2.95时作350℃/1h中间热处理，再经真实应变η＝7.0的冷变形，所制备Cu-15Ag复合丝材的性能为：UTS＝1200MPa，导电率＝70％IACS。

实施例8：含质量分数15％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝900K/s，经冷锻、冷轧和冷拉拔等初加工之后，在真实应变η＝2.95时作350℃/1h中间热处理，再经真实应变η＝7.0的冷变形，所制备Cu-15Ag复合丝材的性能为：UTS＝1350MPa，导电率＝68％IACS。

实施例9：含质量分数15％Ag的铜基复合材料。采用Ar气保护熔炼，铸锭凝固冷却速率ε＝800k/s，经冷锻、冷轧和冷拉拔等初加工之后，在真实应变η＝2.3时作350℃/1h中间热处理，再经真实应变η＝7.0的冷变形，所制备Cu-15Ag复合丝材的性能为：UTS＝1510MPa，导电率＝60％IACS。

Claims

1.铜基复合材料，其成分以质量百分比计为：Ag8～15、Cu85～92，Cu基体中分布有沿加工方向延伸的金属Ag纤维，Ag纤维间相互平行且间距相等。

2.根据权利要求1所述Cu基复合材料，其特征在于所述Ag纤维直径为0.08～0.2微米。

3.根据权利要求1所述Cu基复合材料，其特征在于所述Ag含量为8％。

4.根据权利要求1所述Cu基复合材料，其特征在于所述Ag含量为10％。

5.根据权利要求1所述Cu基复合材料，其特征在于所述Ag含量为12％。

6.根据权利要求1所述Cu基复合材料，其特征在于所述Ag含量为15％。

7.根据权利要求1所述Cu基复合材料制备方法，依次包括下列工艺步骤：

①氩气氛中熔炼按质量百分比计为：Ag8～15、Cu85～92配制好的Ag、Cu原料，铸锭，控制铸锭凝固冷却速率10～1000K/s；

②机械冷加工步骤①得到的铸锭，控制机械冷加工的真实应变η＝2.0～3.5，之后于氩气氛中300～400℃热处理坯锭0.5～1.5小时；

③冷拉拔步骤②所得坯锭得到丝材，控制冷拉拔的真实应变为η＝4.0～7.0。

8.根据权利要求7所述Cu基复合材料制备方法，其特征在于经过步骤③所述冷拉拔后，氩气氛中200～300℃下热处理所得丝材0.5～1.5小时。