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高强高导铜基复合材料兼有优良的力学性能和导电性能,近年来受到国内外的广泛关注。在电力机车接触线、集成电路引线框架等多个领域有着良好的发展前景。然而,我国在高强高导铜基材料领域的研究与发达国家仍有很大差距,许多研究工作仍处于试验阶段,大部分工业应用中所需要的这类材料还依赖于进口。因此,在我国自行研究和开发性能高、成本低、适合规模化生产的高强高导铜基复合材料,具有重大的现实意义。
本文采用液态铜和固态钢丝熔铸复合的工艺和大形变冷拉拔与热处理结合的方法,成功地制备了铜/钢复合材料丝材。综合运用光学金相分析(OM)、扫描电镜分析(SEM)、电子束微区分析(EDAX)等多种分析和测试手段,系统研究了冷拉拔和热处理工艺对铜-钢基高强高导材料显微组织和性能的影响。在此基础上设计并优选出两种不同的加工工艺,获得了不同性能的复合材料,以适应不同应用要求。
本文的结果显示,采用液态铜和固态钢丝熔铸复合和大应变冷拔加工工艺方法可以成功制备出铜-钢基高强高导材料。对钢丝进行镀铜的表面处理能大大改善复合材料的界面结合。微区成分分析的实验结果表明,复合材料中铜-钢界面处结合良好。
热锻预变形和大形变量的冷拔变形过程中,钢纤维和铜基体基本上实现了同步变形。随着应变量增加,纤维逐渐细化。钢丝内珠光体和铁素体晶粒均沿拉拔方向伸长成纤维状。拉拔过程中铜-钢界面逐渐变成锯齿状结构,这对材料能起强化的作用。
拉拔过程中,复合材料的抗拉强度大幅提高,塑性和导电性能有所下降。根据拉拔工艺探索性试验结果,道次形变量控制在为20%~30%是合理的。
对拉拔态的复合材料进行中间热处理,能大大降低晶体缺陷密度,消除加工硬化,提高导电性,同时恢复材料塑性变形的能力。根据热处理工艺探索性试验结果,350℃下退火时,铜基体发生再结晶,钢纤维仅发生回复,电导率即有显著提高.如果在550℃下退火20min,钢纤维完全再结晶且晶粒未明显长大,但是电导率提高程度减小,退火工艺可根据实际需求在此范围内进行设计。
采用不同的加工工艺可以制备满足不同使用需求的复合材料。对于铜-10%wt钢复合材料,采用道次型变量η<1和两次中间退火的工艺,可获得抗拉强度1166MPa、屈服强度855MPa、电导率40%的优异性能。这样的合金可满足需要高强度中导电率的设备产品零部件的要求。在加工过程中进行多次退火处理可获得较好的导电性能,对于铜-10%wt钢复合材料,采用每隔40%~50%应变量退火的工艺,可得到抗拉强度658.31MPa、导电率60%IACS左右的优异性能,这适用于需要中强度高导电率的设备或产品零部件。