颗粒增强铜基复合材料的制备工艺及其组织性能研究

摘要

铜合金因其良好的物理性能和适中的价格而作为导电、导热功能材料被广泛的用做电工、电子材料，可作为集成电路的引线框架、灯丝引线、电阻焊电极、电动机电刷、电触头、高速列车架空导线等。但随着现代工业的飞速发展，对导电材料的强度和导电性能提出了越来越高的要求，特别是要求材料具有良好的耐高温性能。颗粒增强的铜基复合材料因其综合了铜基体的优良导电导热性能和陶瓷颗粒增强相的高强度、高模量、耐高温的特性，成为研制高强高导电材料的较佳选择。但目前国内仍没有成熟的制备工艺用于指导工业生产，限制了这类材料的广泛应用，因此研究颗粒增强的铜基复合材料的制备工艺极具现实意义。 本课题选用VC陶瓷颗粒，采用传统的熔铸工艺制备了VC颗粒增强铜铬锆基复合材料（VC/CuCrZr）。通过增强相的复合强化和基体的弥散强化作用，在保持较高的导电性的前提下提高了复合材料的力学性能。通过JEOL－JSM－6480型电子显微镜和XRD—6000型X射线衍射仪等测试手段，分析了复合材料的组织形貌和相组成，探讨了热处理强化工艺对复合材料组织和性能的作用，并研究了VC颗粒含量对复合材料组织和性能的影响。 试验对部分VC颗粒采用了超声波化学镀的方法，通过对增强粒子的表面镀镍以期增加增强体与铜基体的润湿性和结合力，并通过对最终材料性能的比较分析探讨了化学镀镍的可行性与必要性。熔铸法制备的VC/CuCrZr复合材料的铸态组织为树枝晶，VC颗粒于树枝晶晶间均匀分布；但经锻打、固溶后，VC颗粒均匀分布于晶粒内部。2wt％、4wt％和6wt％VC/CuCrZr复合材料经最佳固溶时效工艺处理后硬度和导电率分别对应为115HB、90.5％IACS，125HB、87.9.2％IACS和131HB、86.3％IACS。复合材料的宏观断口呈明显的韧性断裂，微观断口中存在大量的等轴韧窝，韧窝底部的许多颗粒已脱落，断裂机理为微孔聚集型，VC颗粒即为裂纹源。经测试VC/CuCrZr复合材料的抗拉强度分别为361.0MPa、386.9 Mpa和375.4 Mpa。 由于VC陶瓷颗粒增强相与Cu基体本身已具有较好的润湿性，在VC颗粒表面化学镀镍虽能提高颗粒与基体间的结合性能，但对VC/CuCrZr复合材料性能的提升作用并不明显。随着VC颗粒以及Cr、Zr合金元素含量的增多，VC/CuCrZr复合材料的硬度上升，电导率下降。 通过对本课题的实验研究，作者认为通过熔铸法制备铜基复合材料是当前制备技术中较切实可行的方法，VC是铜基复合材料增强相的一个较佳选择。