專利名稱：高強度高導電率銅基復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高強度高導電率銅基復合材料及其制備方法，特別是用作高強脈沖磁場導體材料、集成電路框架材料、高性能電接觸材料等含Ag的Cu基復合材料及其制備方法。
背景技術：
現代工業(yè)與高新技術的發(fā)展，在許多領域中需要具有高強度和高導電率綜合性能的優(yōu)良導體材料。用作高強脈沖磁場磁體的感應線圈材料，要求有高的強度抵御電磁感應所產生的洛侖茲力以避免線圈爆裂，同時也要求有高的導電率以減少焦耳熱。高強磁場對導體材料的要求一般達到極限抗拉強度UTS＞700，相對導電率＞75％IACS(IACS為國際退火銅導電率標準)。隨著微電子技術的發(fā)展，對集成電路框架材料提出了越來越高的要求，而最重要的性能要求也是高強度與高導電率，高的強度可使框架保持好的剛性和抗變形性，高的導電率(導熱率)可以減少高集成硅片的發(fā)熱量。一般地說，大規(guī)模集成電路引線框架材料綜合性能要求為UTS＞600MPa，相對導電率≥80％IACS。此外，高強度高導電率材料在其它領域如高能粒子加速器的聚焦和加速線圈、受控熱核反應裝置的殼體、超導技術、電氣工程及航空航天等方面都有重要的應用前景。
純銅具有高的導電率，但其強度很低而不能滿足要求，因而需要通過多種強化手段提高銅的強度。銅的主要強化方式有微合金化、固體強化+沉淀強化、形變強化+時效強化、彌散強化、細晶強化和復合強化等。合金化可以提高銅及銅合金的強度，但同時也降低其導電率。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。微合金化銅合金雖可保持較高導電率，但其強度性質仍然較低，只適合用于要求高導電率而對強度要求不高的場合。一些合金元素在銅中的固溶度隨溫度降低而減少，因而具有沉淀強化效應，主要元素有Cr、Zr、Be、Fe、Nb等，其中Cr、Zr的沉淀強化效果較顯著，Cu-Cr和Cu-Zr合金是目前廣泛應用的銅合金。但是，借助傳統(tǒng)的固淀強化和時效強化很難獲得高強度和高導電率相結合的綜合性能，它們不是強度性能較低就是導電率明顯降低。如采用微合金化強化的銅合金，一般其導電率可達到70％IACS以上，但極限抗拉強度一般低于600MPa以下。又如目前廣泛應用并具有良好沉淀強化效應的Cu-Be合金，在77K時極限抗拉強度達到1.5GPa，但導電率僅約為25％IACS，這顯然不能滿足高導電性要求的應用。
復合強化是強化銅合金的有效方法。按復合材料中增強相的生成方法，銅基復合材料的制備方法有外加強制法和內部生成法。外加強制法是人為地將增強相加入銅合金基體而形成復合材料。其主要方法包括粉末冶金法、復合鑄造法、機械合金化法、多次包復復合法、包復形成法和熱壓法等。外加強制復合法不僅工藝復雜，而且由于增強相由外部人工加入，很難使第二相分布均勻，并不可避免地帶入雜質污染，使界面結合強度削弱，因而使復合材料性能不均勻與不穩(wěn)定。內部生成法包括原位反應生成法和原位形變復合法。原位反應生成法是在一定條件下通過元素之間的化學反應，在銅合金基體內原位形成陶瓷增強相。這種原位形成的增強相具有高的熱穩(wěn)定性、分布均勻并與基體界面良好潤濕等優(yōu)點，但它的缺點是會形成副反應夾雜物和增強相的體積分數難以精確控制等。
采用原位形變復合法制備高強度高導電率銅基復合材料目前主要集中在兩類銅合金上。其一是鑄態(tài)為機械混合物的銅合金如Cu-Nb、Cu-Fe和Cu-Cr等，它們是體心立方第二相鑲嵌在面心立方銅基體，經原位變形形成復合材料。其二是利用Cu-Ag共晶組織原位變形而形成復合材料。通過對這兩類原位形變復合銅基復合材料性能的比較，可以發(fā)現Cu-Ag原位復合材料的綜合性能更好，而Cu-Nb原位復合材料性能次之。對Cu-Ag原位復合材料，目前的研究更多的是集中在Ag含量高(質量分數比Ag含量≥20％Cu)的Cu-Ag合金上。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一種高強度高導電率銅基復合材料。
本發(fā)明的另一個目的在于提供高強度高導電率銅基復合材料的制備方法。
本發(fā)明目的一涉及的高強度高導電率銅基復合材料，質量％成分為Ag8～15、Cu85～92，Cu基體中分布有沿加工方向延伸的金屬Ag纖維，Ag纖維間相互平行且間距相等。
優(yōu)選下列參數，有助于提高Cu基復合材料的強度和電導率。復合材料中Ag纖維的直徑可以是0.08～0.2微米。Cu基復合材料中Ag含量可以為8％，可以是10％，可以是12％，可以是15％。
實現本發(fā)明目的二的高強度高導電率Cu基復合材料制備方法，包括下列順序的工藝步驟
①氬氣氛中熔煉按質量百分比Ag8～15、Cu85～92配制好的Ag、Cu原料，鑄錠，控制鑄錠的凝固冷卻速率10～1000K/s。
②采用冷鍛、冷軋、冷拉、冷拔等機械冷加工手段加工步驟①得到的鑄錠。控制機械冷加工的真實應變η＝2.0～3.5，加工完畢后于氬氣氛中300～400℃熱處理坯錠0.5～1.5小時。
③冷拉拔步驟②所得坯錠得到絲材，冷拉拔過程中，控制冷拉拔的真實應變?yōu)棣牵?.0～7.0。
在完成上述發(fā)明技術方案中的步驟③的冷拉拔加工后，于氬氣氛中200～300℃下熱處理所得絲材0.5～1.5小時，有助于提高絲材的穩(wěn)定性。
發(fā)明人采用原位形變復合技術制備得到的含低Ag的Cu-Ag原位纖維復合材料中，Ag纖維的尺寸及其分布對復合材料的強度與導電率性質有著決定性的影響。研究發(fā)現，Ag纖維直徑d與鑄態(tài)合金原始晶粒尺寸參數S0和真實應變η之間存在如下關系d＝S0exp(-0.228η)(1)根據公式(1)，下列工藝參數對Cu-Ag原位纖維復合材料中Ag纖維的尺寸和復合材料的最終性能具有決定性影響，這些因素是1)鑄態(tài)合金凝固冷卻速度。它直接影響鑄態(tài)合金的原始晶粒尺寸參數S0。
2)真實應變量η。由公式(1)可知，真實應變η值越大，d值越小，Ag纖維直徑越細，并且當機械冷加工和冷拉拔累計真實應變η＞9時，Ag纖維直徑可低于100nm，即達到納米纖維直徑，形成納米Ag纖維增強的Cu-Ag纖維復合材料；另一方面，η值越大，形變量越大，可使Ag纖維形成更均勻分布。
3)中間熱處理、機械加工處理。在Cu-Ag鑄態(tài)合金中，除含有精細共晶組織之外，還有中間熱處理Ag金屬相沉淀析出。在后續(xù)機械加工過程中，Ag金屬相溶解，通過中間熱處理，Ag金屬相又析出，再加工，Ag金屬相又溶解。中間熱處理、機械加工處理工程中，Ag金屬相的變化如下
本發(fā)明正是基于上述研究結果，采用原位形變法，通過熔鑄手段控制鑄態(tài)合金的結構，經機械加工使合金中第二相沿加工方向變形而形成纖維狀結構。另一方面，通過合理的熱機械處理，控制Ag金屬相反復析出—溶解—拉伸，以增多Cu基體中使Ag纖維的數量，并使其尺寸更細，分布更均勻，從而影響復合材料的最終強度與導電率性能。本發(fā)明的高強度高導電率銅基復合材料中Ag含量低，有效地節(jié)約了貴金屬Ag材。同時本發(fā)明的高導電率銅基復合材料，由于Ag增強第二相是在合金中原位生成，并經直接加工而形成，因此不存在外部污染，沒有副反應夾雜物，界面結合牢固，強化相分布均勻。其銅基體中Ag纖維尺寸為微米級、亞微米級或納米級，強化效果顯著。本發(fā)明高強度高導電率銅基復合材料最大強度值可達到UTS＝1.5GPa，同時保持導電率＝60％IACS。
本發(fā)明當機械加工和冷拉拔的累計真實應變η≥9時，Ag纖維直徑或厚度d≤90nm。
圖面說明

圖1是采用本發(fā)明工藝在累計真實應變η＝7.1時Cu-Ag纖維復合材料的掃描電鏡圖像，其中Ag纖維直徑或厚度d＝0.2～0.25μm。
具體實施例方式
實施例1含質量分數8％Ag的銅基復合材料。采用先抽真空再充Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝60K/s，經冷鍛、冷軋和拉拔等初加工之后，在真實應變η＝3.0時，350℃下熱處理1小時，再實施真實應變η＝4.0的冷拉拔變形。所制備的復合材料性質為UTS＝820MPa，導電率＝82％IACS。
實施例2含質量分數10％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，冷卻速率ε＝20K/s，經冷鍛、冷軋和拉拔等初加工之后，在真實應變η＝2.5時，300℃下熱處理1.5小時，再實施真實應變η＝5.0的冷拉拔變形，所制備的復合材料性能為UTS＝1100MPa，導電率＝70％IACS。
實施例3含質量分10％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝600K/s，經冷鍛、冷軋、冷拔等初加工后，在真實應變η＝3.5時，350℃下熱處理0.5小時，絲材經真實應變η＝6.8的冷拉拔變形，再在Ar保護氣氛中經200℃穩(wěn)定化熱處理1小時，所制Cu-10Ag復合絲材的性能為UTS＝1180MPa，導電率＝80％IACS。
實施例4含質量分數10％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝400K/s，經冷鍛、冷軋和拉拔初加工之后，在真實應變η＝2.95時作350℃/1h中間熱處理，再施以真實應變η＝7.0的冷拉拔大變形，再在Ar保護氣氛中經250℃穩(wěn)定化熱處理1小時，所制備Cu-10Ag復合絲材的性能為UTS＝1500MPa，導電率＝60％IACS。
實施例5含質量分數12％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝60K/s，經冷鍛、冷軋和冷拉拔等初加工之后，在真實應變η＝2.95時作350℃/1.5h中間熱處理，再在Ar保護氣氛中經300℃穩(wěn)定化熱處理1.5小時，再經真實應變η＝6.0的冷變形，所制備Cu-12Ag復合絲材的性能為UTS＝950MPa，導電率＝78％IACS。
實施例6含質量分數12％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝500K/s，經冷鍛、冷軋和冷拉拔等初加工之后，在真實應變η＝2.95時作350℃/0.5h中間熱處理，再經真實應變η＝6.5的冷變形，所制備Cu-12Ag復合絲材的性能為UTS＝1250MPa，導電率＝65％。
實施例7含質量分數15％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝100K/s，經冷鍛、冷軋和冷拉拔等初加工之后，在真實應變η＝2.95時作350℃/1h中間熱處理，再經真實應變η＝7.0的冷變形，所制備Cu-15Ag復合絲材的性能為UTS＝1200MPa，導電率＝70％IACS。
實施例8含質量分數15％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝900K/s，經冷鍛、冷軋和冷拉拔等初加工之后，在真實應變η＝2.95時作350℃/1h中間熱處理，再經真實應變η＝7.0的冷變形，所制備Cu-15Ag復合絲材的性能為UTS＝1350MPa，導電率＝68％IACS。
實施例9含質量分數15％Ag的銅基復合材料。采用Ar氣保護熔煉，鑄錠凝固冷卻速率ε＝800k/s，經冷鍛、冷軋和冷拉拔等初加工之后，在真實應變η＝2.3時作350℃/1h中間熱處理，再經真實應變η＝7.0的冷變形，所制備Cu-15Ag復合絲材的性能為UTS＝1510MPa，導電率＝60％IACS。
權利要求
1.高強度高導電率銅基復合材料，其成分(質量％)為Ag8～15、Cu85～92，Cu基體中分布有沿加工方向延伸的金屬Ag纖維，Ag纖維間相互平行且間距相等。
2.根據權利要求1所述高強度高導電率Cu基復合材料，其特征在于所述Ag纖維直徑為0.08～0.2微米。
3.根據權利要求1所述高強度高導電率Cu基復合材料，其特征在于所述Ag含量為8％。
4.根據權利要求1所述高強度高導電率Cu基復合材料，其特征在于所述Ag含量為10％。
5.根據權利要求1所述高強度高導電率Cu基復合材料，其特征在于所述Ag含量為12％。
6.根據權利要求1所述高強度高導電率Cu基復合材料，其特征在于所述Ag含量為15％。
7.根據權利要求1所述高強度高導電率Cu基復合材料制備方法，依次包括下列工藝步驟①氬氣氛中熔煉按質量％Ag8～15、Cu85～92配制好的Ag、Cu原料，鑄錠，控制鑄錠凝固冷卻速率10～1000K/s；②機械冷加工步驟①得到的鑄錠，控制機械冷加工的真實應變η＝2.0～3.5，之后于氬氣氛中300～400℃熱處理坯錠0.5～1.5小時；③冷拉拔步驟②所得坯錠得到絲材，控制冷拉拔的真實應變?yōu)棣牵?.0～7.0。
8.根據權利要求2所述高強度高導電率Cu基復合材料制備方法，其特征在于經過步驟③所述冷拉拔后，氬氣氛中200～300℃下熱處理所得絲材0.5～1.5小時。
全文摘要
本發(fā)明涉及高強度高導電率銅基復合材料及其制備方法。銅基復合材料成分質量％為Ag8～15、Cu85～92，Cu基體中分布有沿加工方向延伸的金屬Ag纖維，Ag纖維間相互平行且間距相等。其制備方法依次包括下列工藝步驟①氬氣氛中熔煉Ag、Cu原料，鑄錠，控制鑄錠凝固冷卻速率10～1000K/s；②機械冷加工所得到的鑄錠，控制機械冷加工真實應變η＝2.0～3.5，于氬氣氛中熱處理；③冷拉拔所得坯錠得到絲材，控制冷拉拔的真實應變?yōu)棣牵?.0～7.0。本發(fā)明的銅基復合材料同時具有高強度高導電率的特點，其最大強度值可達UTS＝1.5GPa，導電率＝60％IACS。該材料可用于高強脈沖磁場及其它需要高強度和高導電率綜合性能的領域。
文檔編號H01B1/02GK1555065SQ200310104169
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權日2003年12月26日
發(fā)明者寧遠濤, 張婕, 秦國義 申請人:昆明貴金屬研究所