一种高强度易加工铜基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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lOOnm)，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-A1 203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 % Al2〇3)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(：1!-0.23vol % AI2O3合金也不例外，这一问题也使得该类材料生产成本增加。
[0003] 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。
[0004] 针对上述纳米粒子弥散强化铜合金和陶瓷粒子强化的铜基复合材料所共有的强 度与加工性能不能很好兼顾的问题等，我们如果能够开发一种不仅力学性能非常优异而且 加工性能也非常优异的新型铜基复合材料，其对于铜基复合材料的发展以及更好地满足高 新技术领域对高强高导易加工新型复合材料的广泛需求具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明为了克服现有技术的不足，针对目前已有的各种陶瓷粒子强化的铜基复合 材料普遍存在强度较高和加工性能较差等问题，开发一种兼具有高强度和优异加工性能的 新型铜基复合材料。该新型铜基复合材料充分利用Fe和C元素在Cu基体内极低的固溶度， Fe-C相可以发生奥氏体与马氏体间的相变以及这两种结构相显著的性能差异（即，Fe-C相 处于奥氏体时为面心立方结构，具有优异的加工性能，而处于马氏体结构时强度很高可以 对Cu基体强化产生重要贡献，同时奥氏体向马氏体转变可以通过应变诱导发生），从而实现 高强度和高成形性的很好结合。此外，铜基体如果能够获得纳米晶组织，不仅可以使得铜基 复合材料强度获得更大程度提高，而且还可以有效增加复合材料的塑性。本发明就是基于 这一思想设计开发的，简单概括就是通过熔炼铸造制备出含有一定量结构为面心立方Fe-C 相的铜基复合材料，然后通过特殊的加工变形工艺，一方面使得复合材料加工变形成所需 板材等;另一方面在加工变形过程中也使得Fe-C发生马氏体相变，从而有效强化铜基体，同 时变形过程中也可以使得铜基体获得加工硬化并含有大量位错胞组织;此状态的铜基复合 材料虽然具有较高强度，但是如果通过后续一定温度热处理，不仅可以调控铜基体的位错 胞组织使其转化为纳米晶组织，而且还可以进一步使铜基体内固溶的Fe和C元素发生时效 析出，最终使得所开发铜基复合材料强度和塑性获得更进一步提高。该发明合金适合应用 于众多技术领域，特别是对于高强高导铜合金或铜基复合材料的加工性能和生产成本均有 一定要求的众多高新技术领域和民用产品的生产和制造等行业，同时也适合已经或者准备 生产类似铜合金或铜基复合材料产品的生产厂家应用。
[0006] 本发明通过成分设计和优化首先对新型铜基复合材料的成分范围进行选择，然后 通过熔炼铸造等工序制备所设计复合材料并对其力学性能和加工性能进行研究，最终确定 具有优异加工性能的新型铜基复合材料成分范围以及相应的制备方法。具体的制备工艺如 下:新型铜基复合材料成分选择-FeCx母合金恪炼与铸造-新型铜基复合材料配制和恪炼 -新型铜基复合材料快速凝固-反复超低温深冷乳形变诱导马氏体相变-热处理调控通 基体晶粒尺寸和纳米沉淀相析出-综合性能优异的复合材料板材。
[0007] -种兼具有高强度和优异加工性能的新型铜基复合材料，其特征在于该复合材料 的化学成分及其质量百分比含量为：？6:9.0~12.0￥七％，(：:0.05~0.5￥七％，？<0.02￥七％， Si <0.01wt%，Ni <0.01wt%，Zn<0.01wt%，Al <0.01￥七％，8<0.01界七％，余量为〇1，其中 化学成分Fe、C的C/Fe质量比范围为0.01~0.8wt %。
[0008] 优选地，其化学成分的？6和(：含量范围分别为？6 9.5~11.5￥七％，(：0.054~ 0.2wt %，其中化学成分Fe、C的C/Fe质量比范围为0.04~0.7wt %。
[0009] 上述兼具有高强度和优异加工性能的新型铜基复合材料的制备方法，所述制备方 法包括以下步骤：
[0010] 步骤一、新型铜基复合材料真空熔炼；
[0011] 步骤二、新型铜基复合材料快速凝固；
[0012] 步骤三、新型铜基复合材料反复超低温形变诱导马氏体相变工艺处理（或在深冷 变形之前首先进行一定的高温短时热处理，然后再进行反复超低温形变诱导马氏体相变工 艺处理）；
[0013] 步骤四、新型铜基复合材料纳米晶组织的热处理调控。
[0014] 优选地，所述步骤一和步骤二的新型铜基复合材料真空熔炼和快速凝固工艺具体 为:首先将原材料置于真空感应炉坩埚内然后对炉膛进行抽真空，待炉膛真空度降低到4Pa 以下时关闭真空栗，同时充入高纯Ar气待炉膛真空度达到0.02MPa以上时停止充气，继续抽 真空到4Pa以下时开始逐级升温，首先升温到400~500°C时保温lOmin以上，然后继续升温 到1500°C以上保温，待Fe-C中间合金和高纯Cu等原材料彻底熔化后静置2~8min，然后将熔 体温度降低到1220~1380°C并放置2~5min，随后将合金熔体再次升温到1500°C以上静置2 ~5min，然后降低电流再次降低熔体温度到1150~1280°C，并将其浇铸在通循环水的水冷 铜模内，冷却速度控制在1.1 X l〇2°C/s~8.8X 104°C/s范围内；
[0015] 优选地，所述步骤三新型铜基复合材料反复超低温形变诱导马氏体相变工艺处理 具体为:首先将样品在液氮罐放置30min以上，然后进行超低温变形，变形温度:-100~-190 °C，变形量:20 %~29 %，变形方式：同步乳制，道次变形量为10~20 % ;然后再将超低温乳 制板材放入液氮罐内冷却2~9min，变形温度:-100~-190 °C，变形量:20%~29%，变形方 式：同步乳制，道次变形量：10~20 %;然后再将超低温乳制板材放入液氮罐内冷却2~ 5min，变形温度:-100~-190°C，变形量:20%~29%，变形方式：同步乳制，道次变形量：10 ~20 % ;最后再将超低温乳制板材放入液氮罐内冷却1~3min，变形温度:-100~-190°C，变 形量:15 %~25 %，变形方式:同步乳制，道次变形量:5~15 %。
[0016] 优选地，所述步骤三新型铜基复合材料反复超低温形变诱导马氏体相变工艺处理 如果采用先进行一定的高温短时热处理，然后再进行反复超