[发明专利]一种铜基原位复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铜基原位复合材料，含有重量百分比为3～5％的铬、0.05～0.3％的锆、1～3％的碳，0.01～0.1％的稀土元素、其余为铜。本发明进一步公开了这种铜基原位复合材料的制备工艺，包括如下步骤：在铜粉表面通过化学气相沉积工艺沉积碳纳米管薄层，然后按上述重量比混合熔炼，熔铸成锭；对铸锭热锻，固溶处理；然后在室温下多道次冷拉拔。用上述制备方法得到铜基原位高强度高导电性复合材料，其抗拉强度能够达到1000～1200MPa，导电率达到80～85％IACS，软化温度达到540～580℃，可广泛应用于大规模集成电路引线框架材料、电气化铁路接触导线、高脉冲磁场导体材料等领域。

技术领域

本发明涉及铜基合金材料技术领域，特别涉及一种铜基原位复合材料及其制备工艺。

背景技术

强度和导电性是一对矛盾的特性，提高强度将导致导电性的大大下降。在铜合金材料研究领域，主要通过合金化法和复合材料法来解决其高强度和高导电性的矛盾。Cu和一些过渡族金属如Nb、Ag、Fe、Cr、Mo、V和W等形成合金(过渡族金属体积含量一般不超过20％)经变形后可获得强度和导电性的良好结合。其根本原因是Cu和过渡族金属形成的合金，在铸态下基本上是由纯Cu相和纯过渡族金属相组成，且过渡族金属相以树枝状或颗粒状埋在Cu基体中，经变形后，过渡族金属相形成了平行于线拉方向的纤维，这样合金中的纤维具有高强度，同时铜基体也保持了良好的导电性。

多元复合微合金化技术已越来越受到重视，已成为进一步改善铜合金强度和导电性能的有效手段。目前对高强高导铜基复合材料的研究主要集中在：Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-Ag、Cu-Nb二元合金系，以及Cu-Ag-Nb、Cu-Ag-Cr、Cu-Fe-Cr等三元合金系。

铜基原位复合是指在铜中加入与其固态下互不溶解或有极小固溶度的合金元素，制得两相复合体，其在铸态下由铜基体和呈树枝状或颗粒状存在的第二相组成。经过剧烈冷变形后第二相转变为沿线拉方向上的纤维，结果铜基体保持着高的导电性，其纤维保持着高的强度，从而得到纤维增强的复合材料。

铜基原位复合材料的高强度主要来源于亚结构(位错、亚晶界、晶界、析出相)强化和纤维强化，其所具有的超常的高强度难以通过常规的混合法则进行解释。铜基形变原位复合材料最早出现于1978年Beck发现Cu-(10～30)Nb的高强高导的原位复合材料，之后人们对其强化机理进行了广泛深入的研究。如Raabe和Hangen等在考虑各相的体积分数的同时，又考虑相界面的作用，利用修正的混合规则模拟计算了线拉Cu-Nb复合材料的屈服强度，其结果与实验值吻合的较好；再者基于晶界阻碍位错运动，导致位错塞积以及应力集中而由Funkenbusch提出的位错强化的障碍模型；以及基于冷变形珠光体强化由Verhoeven提出的相界面强化模型等。根据已有的众多研究结果，铜基原位复合材料具有远高于混合法则的高强度的原因可能是两相协调变形时界面强化和位错强化共同作用的结果。

Cu-Ag、Cu-Nb、Cu-Ag-Nb、Cu-Ag-Cr形变原位复合材料由于具有高的导电性和超高的强度，但其高的原材料成本和较低的软化温度，影响了其推广应用。Cu-Cr、Cu-Fe、Cu-Fe-Cr形变原位复合材料由于原材料便宜，在工业上有很大的应用前景，但由于在固态下Cu与Cr或Fe已有互溶，合金的导电率有一定的下降，与Cu-Ag、Cu-Nb等形变原位复合材料相比强度也较低。

铜基原位复合材料是一类具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应用于大规模集成电路引线框架材料、电气工程开关触桥、连铸机结晶器内衬、电气化铁路接触导线、大功率异步牵引电动机转子、高脉冲磁场导体材料等。现代高技术的飞速发展对铜基复合材料的综合性能提出了更高的要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铜基三元合金(Cu-Cr-Zr)基础上改进的强度和导电性能兼顾的铜基原位复合材料。本发明的另一目的是提供一种上述铜基原位复合材料的制备方法，该方法能够在提高复合材料强度的同时，能够提高Cr的析出，提高该复合材料的抗软化温度，降低微量合金元素对其导电率的影响。