一种利用磁场制备原位形变Cu-Ag复合材料的方法

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。

说明书

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、Cr、Fe等bcc金属和Ag 等fcc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-Ag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-Ag合金是其中较优的候选材料。另外，研究表明原位形变Cu-Ag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380~1400MPa，导电率为60~92%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960~1200℃，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1~20T的稳恒磁场或最大强度为0.01~0.2T、频率为1~50Hz的交流磁场； 

3、将铸态Cu-Ag合金在700~850℃条件下保温0.5~1小时，然后在650~850℃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65~85%； 

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350~550℃，热处理时间为0.5~2小时，真空条件为10^-5~10^-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80~98%；

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。

本发明制备的原位形变Cu-Ag复合材料抗拉强度为550~1560MPa，导电率为65~95%IACS。 

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-Ag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。

附图说明

图1为采用无磁场作用时获得的铸态Cu-Ag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10~30mm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-Ag合金液， Cu-Ag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℃，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，对真空电阻炉施加磁感应强度为1T的稳恒磁场；

将铸态Cu-Ag合金在850℃保温0.5小时，然后在650~850℃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350℃，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3.0mm，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-Ag合金锭； Cu-Ag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℃，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℃条件下保温0.8小时，然后在650~850℃条件下热锻，制成形变Cu-Ag合金，控制减面率为9%； 

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℃，热处理时间为1小时，真空条件为3×10^-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1.0mm，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℃，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，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℃条件下保温1小时，然后在650~850℃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350~550℃，热处理时间为0.5~2小时，真空条件为10^-5Pa；

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℃，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℃条件下保温0.8小时，然后在650~850℃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℃，热处理时间为1.5小时，真空条件为10^-5Pa；

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3.0mm，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-Ag合金液， Cu-Ag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℃，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℃条件下保温0.5小时，然后在650~850℃条件下热锻，制成形变Cu-Ag合金，控制减面率为8%； 

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℃，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-Ag合金锭；Cu-Ag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℃，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-Ag合金在700℃条件下保温1小时，然后在650~850℃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℃，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-Ag合金宏观组织照片如图3所示。电电子的固溶散射。