[发明专利]一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法

说明书

本发明公开了一种利用磁场/超声场耦合制备Cu‑Cr合金的方法，它是通过配料、熔炼、浇铸或连铸、磁场和超声场控制凝固得到，即：通过调控凝固组织，促进析出来获得Cu‑Cr合金。本发明的优点在于：（1）在凝固过程中同时施加磁场和超声场，控制Cu‑Cr合金凝固，极其明显的细化Cr枝晶，减小Cr偏析，使材料经后续冷变形加工后在基体中弥散分布均匀细小的Cr纤维相，大幅度提高材料的强度；（2）在凝固过程中施加磁场和超声场，有利于促进Cr原子析出，降低Cu基体中固溶Cr原子含量，促使析出相弥散分布，从而大幅度提高材料的导电率，进一步提高材料的强度；（3）制备工艺简单、成本低，在铸造阶段提高了材料的综合性能，降低了材料后续加工成型过程中的工艺复杂度和成本。

技术领域

本发明涉及有色金属材料的制造方法，尤其是涉及一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法。

背景技术

高强高导电铜材料是一类具有优良物理性能和力学性能的功能材料，它不仅继承了铜优良的导电、导热性能，同时具有较高的强度和良好的塑性，在以集成电路引线框架、电气化铁路接触网、大型发电机转子、电阻焊电极等为代表的电子、交通、冶金工程、能源等领域有着广泛的应用前景。基于现代科技发展对铜基材料不断提出的新要求，美、日、德等国在高强高导电铜合金研究领域开展了大量的相关工作，已开发出众多系列产品并实现商业化应用。我国在高性能铜基材料领域的研究起步较晚，很多研究工作仍处于试验阶段，大多数还未形成产业化规模，目前高性能铜材料仍大部分依赖于进口。

20世纪70年代末，Bevk等在研究超导合金时发现，利用原位凝固制备获得的Cu-Nb合金，经大应变量拉拔变形后形成Nb纤维在Cu基体上排列分布的结构，材料抗拉强度和导电率可分别达到2.23GPa和近60%IACS 。鉴于这种具有纤维结构的材料是通过原位凝固/变形工艺形成的，故称作形变原位复合材料，其相比传统Cu基合金最大的优点是兼具优良的力学性能和导电性能的匹配。研究发现，适合制备Cu基形变原位复合材料的合金元素应具备以下两点：（1）室温下在铜中的固溶度极低，对铜基体的导电性能影响较小；（2）具有良好的塑性，强化相主要为体心立方结构的过渡族金属如Cr、W、Mo、V、Fe或面心立方结构的Ag等。复合材料中增强相的体积分数通常不高于20%，纤维在基体中呈分散排列，以保证材料具有较好的导热导电性能。现阶段形变Cu基原位复合材料的研究取得的研究成果主要集中在Cu-Nb和Cu-Ag合金。然而，这些合金或制备工艺复杂（Nb的熔点高达2648℃且Cu-Nb合金存在较大的液相不混溶间隙），或原材料价格昂贵（Ag），极大限制了这类材料的工业规模制备及应用。相比之下，Cu-Cr原位复合材料的原材料成本较低，母合金制备方便（液相不混溶间隙较小），同时Cr的剪切模量高，形变Cr纤维对Cu基体具有极好的强化作用。因此，在工业规模制备方面Cu-Cr原位复合材料更具潜力，并在诸多领域具有较好的应用前景。

Cu-Cr复合材料研究开发的关键在于如何解决第二相纤维的粗大、分布不均以及固溶合金元素原子在铜基体中残留量过高等问题。已有的研究主要是采取两个途径来调控Cu基复合材料的强度和电导率：中间热处理和多元合金化。中间热处理作为变形过程中的调控手段可以增加过渡族元素的析出，但这无疑使制备工艺复杂化，导致制造成本上升，同时中间热处理还会引起基体回复与纤维粗化行为，降低材料的抗拉强度。而多元合金化在提高强度的同时往往引起电导率下降，Ag虽然能综合改善材料的强度和电导率，但将大幅增加原材料的成本。由此可见，目前虽然以上两种途径在实验室中均能改善Cu基复合材料的强度和导电综合性能，但为了在工业中应用发展，研究开发新材料、新方法、技术势在必行。