[发明专利]一种高强度易加工铜基复合材料及其制备方法

说明书

一种高强度易加工铜基复合材料及其制备方法。该复合材料利用合金基体内的Fe‑C相所特有的相结构转变特性，即面心立方向马氏体或体心立方转变，有效调控复合材料的强度和加工性能。材料所含细小的Fe‑C相粒子不仅能均匀弥散分布于材料基体内，且具有面心立方结构，使得复合材料表现出优异的加工性能，σ_0.2＝171.5MPa,σ_b＝361.6MPa,δ＝35％。而经过后续超低温冷轧变形处理进而使得该复合材料强度获得大幅度提高，σ_0.2＝519.6MPa,σ_b＝568.1MPa,δ＝5％，此深冷轧态材料还可以通过后续的低温热处理对其加工性能和强度作进一步优化调控。该材料的加工性能和强度均明显优于陶瓷粒子强化的铜基复合材料，且生产成本较低，不仅能在众多高新技术领域的广泛应用，而也可以大量应用于许多民用行业。

技术领域

本发明属于铜基复合材料技术领域，涉及一种可工业化应用的高强度易加工新型铜基复合材料及其制备方法，特别针对众多高新技术领域对新型基复合材料力学性能和加工性能要求越来越苛刻的现状而开发。该制备方法所制备的复合材料可以保证其兼具有高强度和优异的加工性能，而且其生产成本远低于陶瓷粒子强化铜基复合材料的生产成本。

背景技术

铜、铜合金及铜基复合材料是人类应用最早的一类金属材料。到目前为止，其产量仅次于钢和铝，被广泛应用于机械制造、运输、建筑、电气、电子等工业部门中。近年来，随着微电子、计算机、通信、工业自动控制等电子信息产业以及汽车行业的快速发展，此类材料应用变得更加广泛，需求量也逐年增加，而且对其性能要求也愈来愈苛刻。特别是其中的结构功能铜合金或铜基复合材料，如高强高导、高强中导以及超高强铜合金(或复合材料)等，一直以来倍受人们关注。此类材料虽然大部分均含有陶瓷粒子，但是根据尺寸主要分为两类，一类是基体内分布有一定量纳米陶瓷粒子(尺寸小于100nm)，而另一类是基体内分布有一定量微米级陶瓷粒子。前者由于纳米粒子尺寸较小，一般浓度不能太高，否则很容易发生粒子团聚而降低材料的综合性能。最为典型的是利用内氧化制备的Cu-Al₂O₃弥散强化铜合金，该材料综合性能较为优异，能够同时兼具有高强度、高导电性以及抗高温软化性能等，但是该材料由于生产工艺复杂，使得生产成本较高进而严重限制了其广泛应用；此外，虽然纳米陶瓷粒子均匀弥散分布于合金基体内会显著阻碍位错线运动，从而使得合金强度得到大幅度提高，而且变形过程中纳米粒子也不会发生开裂或产生微裂纹等，但是强度增加的同时也使得该类材料相应的加工难度增加，成形过程中必须利用高温加工变形，如热挤压等。陶瓷粒子浓度较低时(如0.23vol％Al₂O₃)此类合金室温加工性能相对较好,而且由于合金强度较低高温热挤压过程也较容易实现。然而随着弥散粒子浓度增加，材料强度大幅升高，一方面挤压机吨位必须足够高才可进行挤压变形，同样使得材料制备过程的成本和难度增加；另一方面在其高温变形过程中由于基体和强化相粒子变形协调性差以及两者热膨胀系数差异较大，很容易发生开裂或者在界面处产生微裂纹，即使是浓度非常低的Cu-0.23vol％Al₂O₃合金也不例外，这一问题也使得该类材料生产成本增加。

对于另一类铜基体内含有一定量微米陶瓷粒子的铜基复合材料，由于均匀分布的陶瓷粒子不仅可以有效强化铜基体，而且还可以减轻复合材料密度，甚至有些铜基复合材料利用添加特殊的第二相而使得复合材料的热导率获得显著提高，如Cu/金刚石和Cu/SiC复合材料等。因此，这类铜基复合材料近几年也获得快速发展，制备方法也出现多样化趋势，不过主要包括粉末冶金和熔炼或者熔渗法等。此类材料强度获得大幅度提高的同时带来的另一突出问题是加工难度增加，或者有些复合材料更本无法进行加工变形。出现这一问题的主要原因是由于陶瓷粒子与基体无法进行协调变形，而且变形过程中很容易在粒子内产生微裂纹或者开裂现象，从而使得此类复合材料加工塑性很低。这一问题目前仍然是该类材料急需解决的关键问题之一。