铜/钢层状复合材料制备方法及制备得到的复合材料技术

本发明专利技术提供了一种铜/钢层状复合材料制备方法及制备得到的复合材料，该制备方法包括(1)对铜片和碳钢片分别进行表面处理以除去表面氧化皮，得到处理后的铜片和碳钢片；(2)将步骤(1)所得铜片和碳钢片进行交替堆叠，堆叠体的起始层和终止层均为铜片；且堆叠体中，铜片的总厚度为碳钢片总厚度的1‑2.5倍；(3)在真空状态下，对堆叠体施压，再将堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，保温一定时间后降压并将体系冷却至室温，得到热压后的样品；(4)将该样品依次进行热锻、热轧、冷轧，得到冷轧后的薄板，该冷轧后的薄板的厚度为0.3mm以下；(5)对该薄板依次进行步骤(1)所述的表面处理、堆叠、热压及热锻。

Preparation methods and composite materials of Cu / steel laminated composites

The present invention provides a preparation method of copper/steel laminated composite material and a composite material prepared by the method, which comprises: (1) surface treatment of copper sheet and carbon steel sheet respectively to remove the surface oxide scale and obtain the treated copper sheet and carbon steel sheet; (2) alternately stacking the copper sheet and carbon steel sheet obtained in step (1) and stacking the stack body. The initial and termination layers are both copper sheets, and the total thickness of copper sheets in the stack is 1.2.5 times that of carbon steel sheets; (3) Pressure the stack in vacuum, then rapidly raise the temperature of the stack, continue to increase the applied pressure for hot pressing, hold the pressure for a certain period of time and then cool the system to room temperature to obtain heat. After pressing the sample; (4) the sample is hot-forged, hot-rolled, cold-rolled in turn to get the cold-rolled sheet, the thickness of the cold-rolled sheet is less than 0.3 mm; (5) the sheet is sequentially processed in steps (1) the surface treatment, stacking, hot-pressing and hot-forging.

【技术实现步骤摘要】
铜/钢层状复合材料制备方法及制备得到的复合材料
本专利技术涉及一种铜/钢层状复合材料制备方法及制备得到的复合材料，属于纳米材料制备

技术介绍
提高铜导线的强度对很多工业应用都具有重要意义。现有关于Cu/Nb、Cu/Ag、Cu/Al和Cu/Fe的研究已经证明，用铜与另一种高强度组元制成复合材料是获得兼具高强度和高导电性材料的有效方法。在这些铜基复合材料中，Cu/Fe复合材料由于具有相对低廉的成本，得到了广泛的关注。已有报道，通过熔炼后拔丝、添加合金元素、叠轧和粉末冶金等方法均可以制备得到兼具优异导电性和高强度的Cu/Fe复合材料。通过对这些铜基层状复合材料的强化机制的研究，人们发现强化作用来自于各层界面对位错滑移的阻碍作用。因此，减小片层厚度是达到这种层状复合材料理想强度的有效途径，并且该方法已在一系列铜基块体和薄膜纳米层状复合材料中得到广泛证明。除了控制片层厚度，对第二组元的选择也非常重要，选择要求包扩不与铜互溶、低成本和高强度。从这个角度考虑，碳钢是理想选择，因为碳钢中的主要元素C和Fe都不与铜互溶，而且钢是众所周知的廉价材料，还具有较高的强度。更重要的是，与其他纯金属相比，钢可以通过热处理调控组织，从而在不改变晶粒尺寸的前提下调控材料的强度。所以，我们有望通过简单的淬火处理，获得高强度铜/钢复合材料。因此，提供一种铜/钢层状复合材料制备方法及制备得到的复合材料已经成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种铜/钢层状复合材料制备方法。本专利技术的目的还在于提供由上述制备方法制备得到的铜/钢层状复合材料。本专利技术的目的还在于提供由上述铜/钢层状复合材料制备得到的铜/钢纳米层状导线。为达到上述目的，本专利技术提供一种铜/钢层状复合材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)对铜片和碳钢片分别进行表面处理以除去表面氧化皮，得到处理后的铜片和碳钢片；(2)将步骤(1)所得铜片和碳钢片进行交替堆叠，堆叠体的起始层和终止层均为铜片；且堆叠体中，铜片的总厚度为碳钢片总厚度的1-2.5倍；(3)在真空状态下，对步骤(2)所得堆叠体施压，再将该堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，保温一定时间后降压并将体系冷却至室温，得到热压后的样品；(4)将步骤(3)所得热压后的样品依次进行热锻、热轧、冷轧，得到冷轧后的薄板，该冷轧后的薄板的厚度为0.3mm以下；(5)对所述冷轧后的薄板依次进行步骤(1)所述的表面处理、堆叠、热压及热锻，得到所述铜/钢层状复合材料。在一具体实施方案中，优选地，所述铜片、碳钢片的尺寸大于100mm×100mm，碳钢片的厚度小于0.5mm，铜片的厚度为0.2-0.5mm。根据本专利技术具体实施方案，其中，所用碳钢片可由铸锭经过锻造和轧制得到，其初始厚度应尽量小，这样经过剧烈塑性变形后，所得导线中碳钢片层厚度可以达到更小，有利于提高其强度；同时选用碳钢片既可以降低成本，又可以避免其他合金元素扩散至铜中，从而不降低铜的导电性。根据本专利技术具体实施方案，其中，所述铜片、碳钢片均为矩形薄片，矩形有利于轧制；此外，本申请所用铜片、碳钢片的尺寸应尽可能大，此时步骤(4)所得冷轧后的薄板体积越大，从而步骤(5)可以堆叠的总厚度越大，样品的总变形量就可以更大，复合材料中的片层厚度也可以减小到更小的尺寸。根据本专利技术具体实施方案，其中，步骤(2)中堆叠体的起始层和终止层均为铜片的优点为：1)因为碳钢的熔点(1400℃)高于铜的熔点(1083℃)，在第二轮热压时，样品上下表面都是铜，在较低的温度(850-950℃)下样品即可以获得良好的结合，同时，降低热压温度可以减少高温时钢中元素向铜中扩散，使铜保持良好的导电性；2)铜的氧化物比钢的氧化物易于清洗，有利于后续清洗样品表面的氧化皮。在一具体实施方案中，优选地，所述表面处理包括：首先采用5％的稀盐酸分别清洗铜片和碳钢片表面的氧化皮，然后用不锈钢刷子和砂纸打磨其表面至有金属光泽，再将该铜片和碳钢片放入酒精和丙酮中进行超声清洗。在一具体实施方案中，优选地，步骤(3)所述真空状态下的压力为5×10-3Pa以下。在一具体实施方案中，优选地，步骤(3)所述对步骤(2)所得堆叠体施压，再将该堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，包括：对步骤(2)所得堆叠体施加5MPa以上的压力，再以大于40℃/min的升温速率将该堆叠体温度升至950℃以上，再对堆叠体施加30MPa以上的压力进行热压。其中，热压过程中，加热速率要快，保温时间不能太长(保温时间过长会造成铜/钢界面处发生扩散)，从而减少高温时其他元素向铜中扩散。在一具体实施方案中，优选地，步骤(3)所述保温时间为30-60min。在一具体实施方案中，其中，步骤(3)中所述降压为将压力降至10MPa以下。在一具体实施方案中，优选地，所述冷轧过程中，当样品变形量达到堆叠体初始厚度25％-35％时需对其进行退火处理。其中，当样品变形量达到堆叠体初始厚度25％-35％时需对其进行退火处理的目的是为防止裂纹的形成；并且本专利技术对此处的退火操作步骤及所涉及的具体工艺参数不作具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理设置该步骤及具体工艺参数，只要保证可以实现本专利技术目的即可，但是在本专利技术具体实施方式中，该退火处理温度应高于退火处理过程中所发生的再结晶的温度，其通常设置为700-800℃。在一具体实施方案中，在步骤(4)所得到的冷轧后的薄板中，铜层及碳钢层的厚度均为2μm至10μm。在一具体实施方案中，优选地，步骤(5)堆叠所得堆叠体的高度大于30mm，更优选为30-35mm。在一具体实施方案中，优选地，步骤(5)所述热压包括：在真空状态下，对所得堆叠体施压，再将该堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，保温一定时间后降压并将体系冷却至室温，得到热压后的样品；在一具体实施方案中，步骤(5)所述热压操作及工艺参数与步骤(3)热压基本相同，其区别仅在于二者热压温度不同；在本专利技术优选实施方式中，步骤(5)中所述将该堆叠体迅速升温为将其温度升至850-950℃。在一具体实施方案中，优选地，所述铜/钢层状复合材料的厚度为15-25mm，铜/钢层状复合材料中，碳钢层的厚度为1-5μm。根据本专利技术具体实施方案，其中，本专利技术对步骤(4)及步骤(5)中所述热锻、热轧、冷轧的操作步骤及具体工艺参数等不作具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要，合理设置其中每步的操作步骤及各个步骤所涉及的具体工艺参数，只要保证可以实现本专利技术目的即可。在一具体实施方案中，该制备方法还包括将步骤(5)热锻后所得产品在800℃以上的温度下保温3min以上，然后淬火至液氮中保温60s以上进行深冷处理的操作。本专利技术还提供了所述铜/钢层状复合材料的制备方法制备得到的铜/钢层状复合材料，其中，以该铜/钢层状复合材料的总体积计，铜的体积分数为50％-71％。在一具体实施方案中，优选地，该铜/钢层状复合材料的断裂强度为1100-1250MPa，导电率为53％-70％IACS，总延伸率为4.5％-8.0％。本专利技术还提供了一种铜/钢纳米层状导线，其是将所述铜/钢层状复合材料切割成棒材，再经热拔、冷拔后得到的。在一具体实施方案中，优选地，在该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜/钢层状复合材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)对铜片和碳钢片分别进行表面处理以除去表面氧化皮，得到处理后的铜片和碳钢片；(2)将步骤(1)所得铜片和碳钢片进行交替堆叠，堆叠体的起始层和终止层均为铜片；且堆叠体中，铜片的总厚度为碳钢片总厚度的1‑2.5倍；(3)在真空状态下，对步骤(2)所得堆叠体施压，再将该堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，保温一定时间后降压并将体系冷却至室温，得到热压后的样品；(4)将步骤(3)所得热压后的样品依次进行热锻、热轧、冷轧，得到冷轧后的薄板，该冷轧后的薄板的厚度为0.3mm以下；(5)对所述冷轧后的薄板依次进行步骤(1)所述的表面处理、堆叠、热压及热锻，得到所述铜/钢层状复合材料；优选地，步骤(5)堆叠所得堆叠体的高度大于30mm，更优选为30‑35mm；还优选地，步骤(5)所述热压包括：在真空状态下，对所得堆叠体施压，再将该堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，保温一定时间后降压并将体系冷却至室温，得到热压后的样品；更优选地，步骤(5)中所述将该堆叠体迅速升温为将其温度升至850‑950℃；还优选地，所述铜/钢层状复合材料的厚度为15‑25mm，铜/钢层状复合材料中，碳钢层的厚度为1‑5μm；还优选地，该制备方法还包括将步骤(5)热锻后所得产品在800℃以上的温度下保温3min以上，然后淬火至液氮中保温60s以上进行深冷处理的操作。...

【技术特征摘要】
1.一种铜/钢层状复合材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)对铜片和碳钢片分别进行表面处理以除去表面氧化皮，得到处理后的铜片和碳钢片；(2)将步骤(1)所得铜片和碳钢片进行交替堆叠，堆叠体的起始层和终止层均为铜片；且堆叠体中，铜片的总厚度为碳钢片总厚度的1-2.5倍；(3)在真空状态下，对步骤(2)所得堆叠体施压，再将该堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，保温一定时间后降压并将体系冷却至室温，得到热压后的样品；(4)将步骤(3)所得热压后的样品依次进行热锻、热轧、冷轧，得到冷轧后的薄板，该冷轧后的薄板的厚度为0.3mm以下；(5)对所述冷轧后的薄板依次进行步骤(1)所述的表面处理、堆叠、热压及热锻，得到所述铜/钢层状复合材料；优选地，步骤(5)堆叠所得堆叠体的高度大于30mm，更优选为30-35mm；还优选地，步骤(5)所述热压包括：在真空状态下，对所得堆叠体施压，再将该堆叠体迅速升温，继续增大所施加压力以进行热压，保温一定时间后降压并将体系冷却至室温，得到热压后的样品；更优选地，步骤(5)中所述将该堆叠体迅速升温为将其温度升至850-950℃；还优选地，所述铜/钢层状复合材料的厚度为15-25mm，铜/钢层状复合材料中，碳钢层的厚度为1-5μm；还优选地，该制备方法还包括将步骤(5)热锻后所得产品在800℃以上的温度下保温3min以上，然后淬火至液氮中保温60s以上进行深冷处理的操作。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜片、碳钢片的尺寸大于100mm×100mm，碳钢片的厚度小于0.5mm，铜片的厚度为0.2-0.5mm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：于开元，茹亚东，崔立山，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11