专利名称：一种利用磁场制备原位形变Cu-Ag复合材料的方法
一种利用磁场制备原位形变Cu-Ag复合材料的方法技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种利用磁场制备原位形变CU-Ag复合材料 的方法。
背景技术：
高强度高导电率Cu基复合材料主要应用于高速列车接触线、集成电路引线框架 材料、高脉冲磁体线圈以及电触头材料领域，是一种强度和导电率结合较好的结构功能材 料。然而此类材料在加工过程中，通常随强度的增加导电率会显著下降，如何在增强材料强 度的同时保持较高的导电率是此类材料研究的关键。已有的研究主要选择在Cu基体中添 加固溶度较小的过渡族元素，如Nb、CrJe等1^(3金属和Ag等fee金属元素。然而Cu-Ag 合金较Cu-bcc类合金具有以下优点(1)在变形过程中，随形变量的增加，Cu、Ag两相具 有相同的晶体结构，发生协调变形，因此Cu-Ag复合材料的加工硬化率比Cu-Nb等复合材料 要快；(2) Cu-^Vg合金熔点低，容易熔炼，微观组织容易控制；(3) Ag的导电性较好。因此 Cu-^Vg合金是其中较优的候选材料。另外，研究表明原位形变Cu-^Vg复合材料的抗拉强度和 导电率与Cu基体内纳米Ag析出相尺寸和含量有关，析出相越多、越细小，拉拔后的纤维强 化效果越好，并且溶质原子的析出也有利于降低电子的固溶散射，提高电导率。
目前，国内已经有一些关于制备形变原位Cu-Ag复合材料的报道。中国申请号 为ZL200510048639. 8的发明专利公开了 一种原位形变Cu-Ag-RE合金及制备技术，利用 微量稀土元素的添加细化了合金的铸态组织，通过多次中间热处理和大变形加工使材料 强度达到1500MPa，导电率达到60%IACS，该专利主要是利用稀土元素细化铸态组织，从而 在后续拉拔中提高材料的强度。中国申请号号为ZL200810060775.2的发明专利公开了 Cu- (7-12) %Ag合金的冷拉拔加工的固溶时效处理方法，通过固溶时效处理与冷拉拔配合 工艺使材料的强度达到38(Tl400MPa，导电率为6(T92%IACS，这种工艺是利用固溶时效处 理结合冷拉拔技术提高材料的强度和导电率。近年来，随着电磁场技术的不断发展，磁场技 术在材料凝固微观组织控制方面得到应用，稳恒磁场或电磁搅拌能够控制熔体中的对流， 细化凝固组织，还能控制溶质扩散和降低成分偏析，而已有的文献中并没有涉及稳恒磁场 或电磁搅拌作用下Cu-Ag复合材料的制备。发明内容
针对现有技术的现状，本发明提供一种磁场作用下原位形变Cu-Ag复合材料的制 备方法，制备出强度和导电率匹配良好的Cu-Ag结构功能材料。
本发明的方法按以下步骤进行1、以无氧铜和电解银为原料，熔炼后制成Cu-Ag合金液，或熔炼后经冷却制成Cu-Ag合 金锭；Cu-Ag合金液或Cu-Ag合金锭的成分按重量百分比为Ag 6 25%，余量为Cu ；2、将Cu-Ag合金锭或Cu-Ag合金液置于真空电炉中，将Cu-Ag合金锭或Cu-Ag合金液 加热到96(Tl200°C，保温0. 05^1小时，然后随炉冷却，获得铸态Cu-Ag合金；在保温和随炉冷却过程中，对真空电炉施加强度为广20T的稳恒磁场或最大强度为0. 0Γ0. 2Τ、频率为 广50Hz的交流磁场；
3、将铸态Cu-Ag合金在70(T850°C条件下保温0.5 1小时，然后在65(T850°C热锻，制 成形变Cu-Ag合金，控制形变Cu-Ag合金的减面率为5 10% ；
4、将形变Cu-Ag合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形 变Cu-Ag复合材料，控制形变Cu-Ag复合材料的总减面率为65、5% ；
5、将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为35(T550°C，热处理时间 为0. 5^2小时，真空条件为10_5 10_2!^ ；对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉拔， 拉拔方向与步骤4的拉拔方向相同，并控制形变Cu-Ag复合材料总减面率为8(Γ98% ；
6、依次重复步骤5，至Cu-^Vg复合材料的横截面直径为0.2^3. 0mm，获得原位形变Cu-Ag 复合材料。
本发明制备的原位形变Cu-Ag复合材料抗拉强度为55(Tl560MPa，导电率为 65"95%IACSo
上述方法中熔炼采用的设备为真空感应熔炼炉。
上述方法中真空电炉是指真空电阻炉或感应炉。
上述方法中施加直流磁场的设备为超导磁体或水冷磁体，施加交流磁场的设备为 电磁搅拌器。
本发明的有益效果是(1)在Cu-^Vg 二元合金的凝固过程中施加磁场，通过磁场控 制熔体对流，可以达到细化Cu枝晶目的；(2)通过直流磁场抑制溶质的对流扩散，可以达到 减少Ag原子在Cu基体内的固溶；(3)通过强磁场磁化能加速Ag原子从Cu中析出，降低Ag 在基体中的固溶度，增加实效强化，降低导电电子的固溶散射。
图1为采用无磁场作用时获得的铸态Cu-^Vg合金宏观组织照片图； 图2为本发明实施例3中获得的铸态Cu-Ag合金宏观组织照片图；图3为不进行电磁搅拌处理获得的铸态Cu-Ag合金宏观组织照片图； 图4为本发明实施例6中的铸态Cu-Ag合金宏观组织照片图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的真空感应熔炼炉型号为TG100A-25。
本发明实施例1、3中施加稳恒磁场的设备为JMTD-12T100超导磁体。
本发明实施例2中施加稳恒磁场的设备为JSD-20T52超导磁体。
本发明实施例中热处理采用的设备为VHT-II型真空热处理炉。
本发明实施例中采用的电磁搅拌器型号为DJ I/S T-1525Z。
本发明实施例中采用的无氧铜和电解银为市购产品，无氧铜重量纯度99. 97%以 上，电解银重量纯度99. 996%以上。
本发明实施例中铸态Cu-Ag合金为直径l(T30mm的圆柱体，热锻沿铸态Cu-Ag合 金的轴向的垂直方向进行，冷拔沿铸态Cu-Ag合金的轴向进行。
实施例1以无氧铜和电解银为原料，熔炼后制成Cu-^Vg合金液，Cu-^Vg合金液的成分按重量百 分比为Ag 6%，余量为Cu ；将Cu-Ag合金液置于真空电阻炉中，将Cu-Ag合金液加热到1200°C，保温1小时，然后 随炉冷却，获得铸态Cu-^Vg合金；在保温和随炉冷却过程中，对真空电阻炉施加磁感应强度 为IT的稳恒磁场；将铸态Cu-Ag合金在850°C保温0. 5小时，然后在65(T850°C条件下热锻，制成形变 Cu-Ag合金，控制减面率为10% ；将形变Cu-^Vg合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形变 Cu-Ag复合材料，控制总减面率为65% ；将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为350°C，热处理时间为0. 5 小时，真空条件为10-2 ；对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉拔，拉拔方向与前次拉拔方向相同，并 控制形变Cu-Ag复合材料总减面率为80% ；重复真空热处理和再次室温拉拔步骤，至Cu-Ag复合材料的横截面直径为3. Omm,获得 原位形变Cu-Ag复合材料；其抗拉强度为550MPa，导电率为95%IACS。
实施例2以无氧铜和电解银为原料，熔炼后经冷却制成Cu-^Vg合金锭；Cu-^Vg合金锭的成分按 重量百分比为Ag 14%，余量为Cu ；将Cu-Ag合金锭置于真空电阻炉中，将Cu-Ag合金锭加热到980°C，保温0. 3小时，然后 随炉冷却，获得铸态Cu-Ag合金；在保温和随炉冷却过程中，对真空电阻炉施加磁感应强度 为20T的稳恒磁场；将铸态Cu-Ag合金在800°C条件下保温0. 8小时，然后在65(T850°C条件下热锻，制成 形变Cu-Ag合金，控制减面率为9% ；将形变Cu-^Vg合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形变 Cu-Ag复合材料，控制形变Cu-Ag复合材料的总减面率为70% ；将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为400°C，热处理时间为1小 时，真空条件为3 X KT3Pa;对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉拔，拉拔方向与前次拉拔方向相同，并 控制形变Cu-Ag复合材料总减面率为90% ；重复真空热处理和再次室温拉拔步骤，至Cu-Ag复合材料的横截面直径为1. Omm,获得 原位形变Cu-Ag复合材料；其抗拉强度为950MPa，导电率为80%IACS。
实施例3以无氧铜和电解银为原料，熔炼后制成Cu-Ag合金液，Cu-Ag合金液的成分按重量百分 比为Ag25%，余量为Cu ；将Cu-Ag合金液置于真空电阻炉中，将Cu-Ag合金液加热到960°C，保温0. 05小时，然 后随炉冷却，获得铸态Cu-^Vg合金；在保温和随炉冷却过程中，对真空电阻炉施加磁感应强 度为12T的稳恒磁场；铸态Cu-Ag合金宏观组织照片如图2所示；将铸态Cu-Ag合金在750°C条件下保温1小时，然后在65(T850°C条件下热锻，制成形 变Cu-Ag合金，控制形变Cu-Ag合金的减面率为5% ；将形变Cu-Ag合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形变 Cu-Ag复合材料，控制形变Cu-Ag复合材料的总减面率为85% ；将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为35(T550°C，热处理时间为 0. 5 2小时，真空条件为KT5Pa;对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉拔，拉拔方向与前次拉拔方向相同，并 控制形变Cu-Ag复合材料总减面率为98% ；重复真空热处理和再次室温拉拔步骤，至Cu-Ag复合材料的横截面直径为0. 2mm,获得 原位形变Cu-Ag复合材料；其抗拉强度为1510MPa，导电率为65%IACS ；采用同种原料制备Cu-Ag合金液，然后按上述方式制备铸态Cu-Ag合金，不同点在于不 施加稳恒磁场，获得的铸态Cu-Ag合金宏观组织照片如图2所示。
实施例4以无氧铜和电解银为原料，熔炼后经冷却制成Cu-Ag合金锭；Cu-Ag合金锭的成分按 重量百分比为Ag 6%，余量为Cu ；将Cu-Ag合金锭置于感应炉中，将Cu-Ag合金锭加热到960°C，保温1小时，然后随炉冷 却，获得铸态Cu-Ag合金；在保温和随炉冷却过程中，采用电磁搅拌器对感应炉施加最大磁 感应强度为0. 01T、频率为2Hz的交流磁场；将铸态Cu-Ag合金在750°C条件下保温0. 8小时，然后在65(T850°C条件下热锻，制成 形变Cu-Ag合金，控制减面率为10% ；将形变Cu-Ag合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形变 Cu-Ag复合材料，控制总减面率为65% ；将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为450°C，热处理时间为1. 5 小时，真空条件为10-5 ；对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉拔，拉拔方向与前次拉拔方向相同，并 控制总减面率为80% ；重复真空热处理和再次室温拉拔步骤，至Cu-Ag复合材料的横截面直径为3. Omm,获得 原位形变Cu-Ag复合材料；其抗拉强度为915MPa，导电率为85%IACS。
实施例5以无氧铜和电解银为原料，熔炼后制成Cu-^Vg合金液，Cu-^Vg合金液成分按重量百分 比为Ag 14%，余量为Cu;将Cu-Ag合金液置于真空电阻炉中，将或Cu-Ag合金液加热到1100°C，保温0. 2小时， 然后随炉冷却，获得铸态Cu-Ag合金；在保温和随炉冷却过程中，采用电磁搅拌器对感应炉 施加最大磁感应强度为0. 2T、频率为32Hz的交流磁场；将铸态Cu-Ag合金在800°C条件下保温0. 5小时，然后在65(T850°C条件下热锻，制成 形变Cu-Ag合金，控制减面率为8% ；将形变Cu-^Vg合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形变 Cu-Ag复合材料，控制总减面率为80% ；将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为350°C，热处理时间为2小 时，真空条件为10_3Pa;对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉拔，拉拔方向与前次拉拔方向相同，并控制总减面率为95% ；重复真空热处理和再次室温拉拔步骤，至Cu-Ag复合材料的横截面直径为0. 2mm,获得 原位形变Cu-Ag复合材料；其抗拉强度为1150MPa，导电率为78%IACS。
实施例6以无氧铜和电解银为原料，熔炼后经冷却制成Cu-^Vg合金锭；Cu-^Vg合金锭的成分按重 量百分比为Ag25%，余量为Cu ；将Cu-Ag合金锭置于真空电阻炉中，将Cu-Ag合金锭加热到1200°C，保温0. 05小时， 然后随炉冷却，获得铸态Cu-Ag合金；在保温和随炉冷却过程中，采用电磁搅拌器对感应炉 施加最大磁感应强度为0. 1T、频率为8Hz的交流磁场。铸态Cu-Ag合金宏观组织照片如图 4所示；将铸态Cu-^Vg合金在700°C条件下保温1小时，然后在65(T850°C条件下热锻，制成形 变Cu-Ag合金，控制形变Cu-Ag合金的减面率为5% ；将形变Cu-^Vg合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形变 Cu-Ag复合材料，控制总减面率为85% ；将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为550°C，热处理时间为0. 5 小时，真空条件为10_2Pa;对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉拔，拉拔方向与前次拉拔方向相同，并 控制总减面率为98% ；重复真空热处理和再次室温拉拔步骤，至Cu-Ag复合材料的横截面直径为0. 5mm,获得 原位形变Cu-Ag复合材料；其抗拉强度为1380MPa，导电率为76%IACS ；采用同种原料制备Cu-Ag合金锭，然后按上述方式制备铸态Cu-Ag合金，不同点在于不 施加交流磁场，获得的铸态Cu-^Vg合金宏观组织照片如图3所示。电电子的固溶散射。
权利要求
1.一种利用磁场制备原位形变Cu-^Vg复合材料的方法，其特征在于按以下步骤进行(1)以无氧铜和电解银为原料，熔炼后制成Cu-Ag合金液，或熔炼后经冷却制成Cu-Ag 合金锭；Cu-Ag合金液或Cu-Ag合金锭的成分按重量百分比为Ag 6 25%，余量为Cu ；(2)将Cu-Ag合金锭或Cu-Ag合金液置于真空电炉中，将Cu-Ag合金锭或Cu-Ag合金 液加热到96(T120(TC，保温0. 05 1小时，然后随炉冷却，获得铸态Cu-^Vg合金；在保温和随 炉冷却过程中对真空电炉施加强度为广20T的稳恒磁场或最大强度为0. 0Γ0. 2Τ、频率为 广50Hz的交流磁场；(3)将铸态Cu-^Vg合金在70(T850°C条件下保温0.5 1小时，然后在65(T850°C热锻，制 成形变Cu-Ag合金，控制形变Cu-Ag合金的减面率为5 10% ；(4)将形变Cu-^Vg合金在室温条件下进行拉拔，保持拉拔方向与热锻方向垂直，制成形 变Cu-Ag复合材料，控制形变Cu-Ag复合材料的总减面率为65、5% ；(5)将形变Cu-Ag复合材料进行真空热处理，要求热处理温度为35(T550°C，热处理时 间为0. 5^2小时，真空条件为10_5 10’a ；对热处理后的Cu-Ag复合材料进行再次室温拉 拔，拉拔方向与步骤(4)的拉拔方向相同，并控制形变Cu-Ag复合材料总减面率为8(Γ98% ；(6)依次重复步骤(5)，至Cu-Ag复合材料的横截面直径为0.2^3. 0mm，获得原位形变 Cu-Ag复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用磁场制备原位形变Cu-Ag复合材料的方法，其特征 在于所述的原位形变Cu-Ag复合材料抗拉强度为55(Tl560MPa，导电率为65 95%IACS。
全文摘要
一种利用磁场制备原位形变Cu-Ag复合材料的方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行(1)以无氧铜和电解银为原料，制成Cu-Ag合金液或Cu-Ag合金锭；(2)置于真空电炉中，保温后随炉冷却，同时施加稳恒磁场或交流磁场，获得铸态Cu-Ag合金；(3)将铸态Cu-Ag合金保温后热锻，制成形变Cu-Ag合金；(4)将形变Cu-Ag合金拉拔制成形变Cu-Ag复合材料；(5)将形变Cu-Ag复合材料真空热处理，然后再次拉拔；(6)依次重复步骤(5)，获得原位形变Cu-Ag复合材料。本发明的方法有效改善Cu-Ag合金的极限抗拉强度和导电率，制备的复合材料中性能上有较大提高。
文档编号C22F1/08GK102031467SQ20101056333
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者左小伟, 张 林, 李贵茂, 王恩刚, 赫冀成 申请人:东北大学