CN102108451A

CN102108451A - 一种高强度高导电率铜合金的制备方法

Info

Publication number: CN102108451A
Application number: CN 201110037687
Authority: CN
Inventors: 魏坤霞; 魏伟
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明涉及铜合金材料制备方法，特别是一种高强度高导电时效型铜合金的制备方法。时效型铜合金包括铜铬（Cu-Cr）、铜锆（Cu-Zr）和铜铬锆（Cu-Cr-Zr），其中Cr的含量为0.1~0.6%，Zr的含量为0.01~0.5%。主要包括如下步骤：按上述重量百分比，采用混合熔炼，熔铸成Cu-Cr、Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金；对铸锭进行固溶处理；在室温下对固溶处理的铜合金进行等通道变形；然后对等通道变形后的Cu-Cr、Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金进行挤压、拉拔或轧制等加工；最后对工件进行时效处理。该方法克服了单一组元强化效果有限，减少了过量元素对导电性的不利影响，尤其是在不改变样品形状和尺寸的情况下，获得超细晶，易与挤压、拉拔或轧制等加工工艺相结合，可以生产期望形状的产品，充分发挥了细晶强化和时效强化作用。

Description

一种高强度高导电率铜合金的制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金材料制备方法，特别是一种高强度高导电时效型铜合金的制备方法，属于有色金属加工技术领域。

背景技术

高强高导铜合金广泛应用于引线框架、电焊电极、开关触头、电力火车架空导线等领域，也可用于与导电性无直接关系的热交换环境中；目前，高强高导铜合金主要是Cu-Zr、Cu-Cr、Cu-Cd、Cu-Ni、Cu-Fe、Cu-Ag、Cu-Nb等合金及其复合材料，时效型铜合金高强高导化过程中，遇到的首要问题是少量的合金元素强化效果不明显，大量的合金元素会恶化合金的导电性能；目前，主要采取固溶强化、析出强化、弥散强化和偏聚析出等冶金强化方法，冶金强化方法获得的高强度铜合金，由于过量合金元素对导电性能的恶化，因此其应用推广受到很大限制。

时效型铜合金长期以来一直存在强度与导电率之间此消彼长的矛盾，即电导率高则强度非常低，强度高则电导率很难提高；研制高强高导铜合金的基本原理是，采用低固溶度的合金元素加入铜中，通过高温固溶处理，合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体，电导率恶化，强度提高，通过挤压、拉拔或轧制等变形加工，可以进一步提高强度；时效处理后，过饱和固溶体分解，大量的合金元素以沉淀相析出于铜基体中，电导率迅速提高，同时由于时效析出相的强化作用，因而仍保持较高强度；Cu-0.5%Cr合金是典型的析出强化型铜合金，热处理后具有较高的强度（~450MPa）和硬度，良好的导电（~80%IACS）、导热性和耐磨性，同时具有较高的抗软化温度，保证了其热稳定性，但存在高温脆性开裂和易于过时效等问题，Cu-0.1%Zr合金虽没有Cu-Cr系合金的脆性开裂和过时效问题，但析出物易长大，造成强度偏低，仅靠单一的添加元素和析出相来强化的铜合金材料，其电导率虽高，但强度普遍偏低。

为了解决铜铬锆合金晶粒粗大，成分偏析问题，发明专利“环境友好型铜铬锆电工合金”（专利号：200510048661.2）通过添加镁、钐和钇微量金属元素，利用喷射沉积制备合金锭坯，然后进行挤压、拉拔等加工各种形状的材料，尽管抗拉强度和电导率分别达到730MPa、76%IACS，但是大规模生产时存在多元微量金属元素、生产工艺的精确调控等问题。

针对铜铬、铜锆和铜铬锆时效硬化合金，发明专利（专利号：200510121573.0）通过连续铸造获得细长件，然后进行拉拔和时效处理，该发明避免了热挤压，缩短铜合金制造工艺，但是产品形状相对单一。

发明内容

本发明目的在于提供一种高强度高导电时效型铜合金的制备方法，克服单一组元强化效果有限，减少过量元素对导电性的不利影响，避免多元多相强化生产时合金成分难以控制的问题，在不改变样品形状和尺寸的情况下，获得超细晶，充分发挥细晶强化和时效强化作用。在组织在超细化过程中，样品的形状、尺寸没有发生变化，易与挤压、拉拔或轧制等加工工艺相结合，可以生产期望形状的产品。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

本发明所述的时效型铜合金包括铜铬（Cu-Cr）、铜锆（Cu-Zr）和铜铬锆（Cu-Cr-Zr），其中Cr的含量为0.1~0.6%，Zr的含量为0.01~0.5%，主要包括如下步骤：

（1）按上述重量百分比，分别秤取一定量的Cr、Zr和Cu，采用混合熔炼，熔铸成Cu-Cr、Cu-Zr或Cu-Cr-Zr合金；

（2）对铸锭进行固溶处理，固溶温度为900~1000℃，固溶时间为0.5~2h；

（3）在室温下对固溶处理的铜合金进行等通道变形，变形道次为4或8次，每道次变形均不旋转试样；模具内角φ为90～120°，模具外角ψ为0～30°；

（4）最后对工件进行时效处理，时效温度为400~480℃，时效时间为0.5~1.5h。

上述的制备方法中，对等通道变形后的Cu-Cr、Cu-Zr或Cu-Cr-Zr合金进行挤压、拉拔或轧制加工再进行时效处理。

本发明的显著优点是：

（1）利用强烈塑性变形对铜基体和固溶体超细化，从而在超细晶基体上获得弥散分布的纳米强化相；

（2）时效强化是开发高强高导铜合金普遍采用的强化方式，本发明充分发挥细晶强化和时效强化的协同作用，在添加适量的合金元素情况下，使时效型Cu-Cr、Cu-Zr和Cu-Cr-Zr合金高强高导化；

（3）由于等通道强烈塑性变形不改变试样形状和尺寸，并且易与挤压、拉拔或轧制加工工艺相结合，产品形状不受限制；

（4）本发明利用等通道变形技术原理，在铜铬（Cu-Cr）、铜锆（Cu-Zr）和铜铬锆（Cu-Cr-Zr），Cr的含量为0.1~0.6%，Zr的含量为0.01~0.5%，提出一种获得高强度高导电率铜合金制备方法，即“固溶处理、等通道变形（根据需要进行挤压、轧制或拉拔），然后时效处理”的工艺，提供了一种不同于以往高强高导铜合金制备工艺；

（5）本发明利用等通道变形技术原理，在不改变样品形状和尺寸的情况下，获得超细晶，充分发挥细晶强化和时效强化作用，在组织在超细化过程中，由于样品的形状、尺寸没有发生变化，易与挤压、拉拔或轧制等加工工艺相结合，可以生产期望形状的产品；

（6）对于现有的铜铬（Cu-Cr）、铜锆（Cu-Zr）和铜铬锆（Cu-Cr-Zr）时效性铜合金，本发明可以克服单一组元强化效果有限（现有方法强度偏低），减少过量元素（多元微合金化）对导电性的不利影响，避免多元多相强化生产时合金成分难以控制的问题。本发明所形成的新工艺对现有三种时效性铜合金高强高导化有显著改善。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；

图1是等通道变形模具的原理图；

传统的压力加工技术如轧制，挤压，拉拔等可以细化晶粒，但工件加工后的形状、尺寸往往限制了其应用；晶粒细化到超细晶通常要求真应变大于4，因此传统的塑性加工技术很难达到这些要求；等通道强烈塑性变形是利用由两个相交的、等径通道组成的模具，在模具转角处使坯料发生剪切变形，试样变形前后的形状和尺寸不发生改变，因而可以进行多次挤压变形，获得大的累积变形量，其原理如图1所示；每次挤压所获得的变形量与模具通道内的两个交角（内角φ，外角ψ）有关，当φ=90°，ψ=0°时，每道次的真应变可以达到1.15；

图2 Cu-0.5%Cr合金450 ℃时效 1 h后的透射电镜照片：（a）4道次等通道变形，（b）8道次等通道变形；

图3 Cu-0.5%Cr合金450 ℃时效 1 h后的透射电镜照片：（a）4道次等通道变形+90%轧制变形，（b）8道次等通道变形+90%轧制变形。

具体实施方式

实施例1：将纯度为98.5%的纯铬和无氧纯铜，按Cu-0.5%Cr配比在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度1250～1280 ℃，保温10～15分钟后，浇注，沿着铸锭纵向切割成12.4 mm×12.4 mm×80 mm的方料。

固溶处理温度1000℃，固溶时间为0.5h，在5%NaCl水溶液在中冷却。

等通道变形模具内角110°，模具外角0°，室温下变形速度约0.2mm/s，对等通道变形4道次、8道次的试样进行时效处理或对等通道变形4道次、8道次的试样进行90%的轧制变形后再进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为1h。

不同变形工艺获得的Cu-0.5%Cr合金性能比较见表1，可以看到Cu-0.5%Cr合金等通道变形4道次，结合时效处理，在保持试样形状和尺寸不变的情况下，综合性能已优于常规时效处理，抗拉强度和电导率分别达到554MPa、84%IACS。

表1 不同工艺制备的Cu-0.5Cr合金性能

。

图2和图3分别为Cu-0.5%Cr合金等通道变形4道次和8道次再结合时效处理或等通道变形4道次和8道次、轧制变形再结合时效处理的透射电镜照片，晶粒大小在1μm以下。

实施例2：将纯铬、纯锆和无氧纯铜，按Cu-0.5%Cr-0.2%Zr配比在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度1250～1280 ℃，保温10～15分钟后，浇注，沿着铸锭纵向切割成12.4 mm×12.4 mm×80 mm的方料。

等通道变形模具内角110°，模具外角0°，室温下变形速度约0.2mm/s，等通道变形8道次后，进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为1h。

Cu-0.5%Cr-0.2%Zr合金等通道变形8道次，室温抗拉强度和电导率分别达到530MPa、34%IACS，时效处理（450℃，1h）后，其抗拉强度和电导率分别达到620MPa、81%IACS。

根据本发明所描述的制备方法实施的仅是两种代表成分的铜合金，也可以被本发明所讨论成分范围内的其它合金（Cu-Cr、Cu-Zr或Cu-Cr-Zr）替代，而不减弱本发明所述制备方法的价值。

Claims

1.一种高强度高导电率铜合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用混合熔炼，熔铸成铜合金；

（2）对铸锭进行固溶处理；

（3）在室温下对固溶处理的铜合金进行等通道变形，变形道次为4或8次，每道次变形均不旋转试样，模具内角φ为90～120°，模具外角ψ为0～30°；

（4）最后对铜合金进行时效处理。

2.如权利要求1所述的一种高强度高导电率铜合金的制备方法，其特征在于：对等通道变形后的Cu-Cr、Cu-Zr或Cu-Cr-Zr合金进行挤压、拉拔或轧制加工再进行时效处理。

3.如权利要求1所述的一种高强度高导电率铜合金的制备方法，其特征在于：所述的铜合金包括铜铬（Cu-Cr）合金、铜锆（Cu-Zr）合金或铜铬锆（Cu-Cr-Zr）合金，其中Cr的含量为0.1~0.6%，Zr的含量为0.01~0.5%。

4.如权利要求1所述的一种高强度高导电率铜合金的制备方法，其特征在于：所述的固溶处理的固溶温度为900~1000℃，固溶时间为0.5~2h。

5.如权利要求1所述的一种高强度高导电率铜合金的制备方法，其特征在于：所述的时效处理的时效温度为400~480℃，时效时间为0.5~1.5h。