CN105936983B - 一种高强高导铜合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高导铜合金材料，所述高强高导铜合金由以下成分组成：Cr 0.6～0.8wt％、Be 0.06～0.08wt％、Ni 0.18～0.2wt％、Si 0.03～0.04wt％、Zn 0.08～0.1wt％、Ag 1.3～1.5wt％、余量为Cu。该铜合金材料在成分设计上，选择加入低含量时对铜合金导电能力影响很小的合金元素，在保证铜合金基体导电性能前提下，综合考虑铜合金固溶强化和时效硬化等因素，有利于合金相晶粒细化，保证在不降低铜合金材料导电性能的情况下，大幅度提高铜合金力学性能，有效地解决了高强高导铜合金基体强度与导电率矛盾的问题；同时，还具有优良的耐高温性能，热稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金加工技术领域，具体涉及一种高强高导铜合金材料。
背景技术
具有高强度和高导电性的铜合金又称为高强高导铜合金。高强高导铜合金在航空航天、高速列车、电子信息等行业的飞速发展，为高端铜合金产品开拓了更为广阔的应用领域。高强高导电铜合金因其良好的综合性能广泛应用于集成电路、高压开关等领域，目前高强高导铜合金材料的应用集中在高速列车接触线、集成线路用引线框架等多个方面，未来在核电用端环、电磁发射用导轨、航空发动机等方面有着巨大的应用潜力。20世纪70年代，国外发达国家已经开始了对高强高导电铜合金的研究，开发多种系列满足不同需求的高性能铜合金产品，日本和欧美一些国家已经成为高强高导铜合金最主要的生产、出口国家。随着我国高速铁路、远程输电等行业的发展，国内对高强高导铜合金的需求也会越来越多，目前国内对高强高导铜合金的需求主要依赖进口。
铜合金的强度和导电率两者是一对矛盾的存在，不论采用哪种方法提高铜合金的强度，其导电率都会有一定程度的下降，制造高强高导的铜合金在技术上有很大难度。研发高强高导铜合金需要从铜合金成分设计、制造工艺设计等多方面进行技术研究创新，因此开展铜合金成分设计研究，寻求一种恰当组分的铜合金材料在尽可能不降低铜合金材料导电性的前提下，提高其强度，以达到导电性和强度的良好配合，是高强高导铜合金研发的首要工作，是开展后续各项研究工作的基础。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高强高导铜合金材料。与普通的铜合金材料相比，本发明高强高导铜合金材料在拥有高强度同时，还具有较强的导电性能，当高强高导铜合金材料的抗拉强度520MPa时，其导电率仍能保持在80％IACS～85％IACS，此外，还具有优良的耐高温性能，热稳定性好。
本发明采用的技术方案为：
一种高强高导铜合金材料，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.6～0.8wt％、Be 0.06～0.08wt％、Ni 0.18～0.2wt％、Si 0.03～0.04wt％、Zn 0.08～0.1wt％、Ag 1.3～1.5wt％、余量为Cu。
根据上述的高强高导铜合金材料，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr0.8wt％、Be 0.08wt％、Ni 0.2wt％、Si 0.04wt％、Zn 0.1wt％、Ag 1.5wt％、余量为Cu。
根据上述的高强高导铜合金材料，所述高强高导铜合金材料优选的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：按权利要求书1所述的高强高导铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入熔炼炉，在1150℃～1200℃熔炼30～60min，然后进行精炼除渣，静置除气，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；
(2)铸造：将铜合金溶液在温度为1130℃～1150℃的条件下铸造成横截面直径为245mm～250mm的铜合金铸锭；
(3)感应加热：将铜合金铸锭放入感应器内部，接通中频感应电源，对铜合金铸锭进行感应加热，加热升温至铜合金铸锭的温度为950℃～1000℃，保温10～12min；
(4)热挤压：将经过步骤(3)处理后的铜合金铸锭放入挤压机中，在温度为930℃～950℃的条件下，将铜合金铸锭挤压成横截面直径为72～75mm的铜合金型材；
(5)余热固溶：将步骤(4)得到的铜合金型材立即投入水中进行快速冷却，将铜合金型材的温度冷却至室温；
(6)分梯次冷拔和时效处理：对步骤(5)得到的铜合金型材进行连续3次冷拔，每次冷拔后都进行一次时效处理；其中，第一次冷拔的加工率为10～12％，第二次冷拔的加工率为5～6％，第三次冷拔的加工率为5～6％；所述时效处理是将铜合金型材在470℃～490℃保温3～4h；
(7)将经过步骤(6)处理后的铜合金型材进行矫直、切削加工、防腐处理和包装，即得到高强高导铜合金材料。
本发明取得的积极有益效果为：
(1)本发明高强高导铜合金材料在组成成分设计上，选择加入低含量时对铜合金导电能力影响很小的合金元素，在保证铜合金基体导电性能的前提下，综合考虑了铜合金固溶强化和时效硬化等因素，多种合金元素在铜基体内部产生相互干涉作用，防止同类元素聚集形成偏析，预防大直径铜合金相的形成，有利于合金相晶粒细化，能够在保证不降低铜合金材料导电性能的情况下，大幅度提高铜合金力学性能，有效地解决了高强高导铜合金基体强度与导电率矛盾的问题；因此，与普通的铜合金材料相比，本发明制备的高强高导铜合金材料在拥有高强度同时，还具有较强的导电性能；而且实际检测也发现，本发明高强高导铜合金材料的抗拉强度520MPa时，其导电率仍能保持在80％IACS～85％IACS，而普通铜合金材料的抗拉强度为450MPa时，其导电率仅有60％IACS～65％IACS。
(2)本发明高强高导铜合金材料还具有优良的耐高温性能，热稳定性好，有效解决了高强高导铜合金材料在高温下强度差、热稳定性差、易变形的问题；而且，实际检测发现，本发明的铜合金材料在温度升高到550℃，其抗拉强度仍能达到520MPa，其导电率能保持在80％IACS～85％IACS；而普通高强高导铜合金材料，如常见的Cu-Ni-Si合金，常温时抗拉强度达到800MPa，导电率只有约40％IACS，当温度超过300℃时，其强度迅速降低，开始软化。
(3)本发明高强高导铜合金材料在制备方法上选择分梯次冷拔和时效处理，使铜合金元素在沉淀析出时沿不同的路径析出，使沉淀合金元素在铜基体晶界上成弥散均匀分布，因此，在提高铜合金基体强度的同时，有利于铜合金相晶粒细化，减小应力集中，提高其导电能力，有效解决了高强度高导电铜合金基体强度与导电率的矛盾。
(4)本发明高强高导铜合金材料在制备方法上选择采取固溶强化为主，以冷拔硬化为辅的手段来提高铜合金的强度，使得合金元素固溶于铜晶粒内部，合金元素产生的晶格畸变主要集中在合金原子周围，晶格畸变的分布相对于冷加工硬化比较分散，均匀性差，对导电能力影响较小，因此，实现了铜合金拥有高强度时，仍能保持高的导电能力。
(5)本发明的高强高导铜合金材料的性能参数检测结果见表1，由表1可知，本发明制备的高强高导铜合金材料在拥有高强度同时，还具有较强的导电性能。
表1 本发明高强高导铜合金材料的性能参数检测结果
| 性能参数 | 测试结果 |
| 抗拉强度 | 520MPa～560MPa |
| 屈服强度 | 400MPa～430MPa |
| 伸长率 | 10％～13％ |
| 硬度 | HB200～HB260 |
| 导电率 | 80％IACS～85％IACS |
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细地描述，但并不限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.8wt％、Be 0.08wt％、Ni 0.2wt％、Si 0.04wt％、Zn 0.1wt％、Ag 1.5wt％、余量为Cu。
实施例2：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.6wt％、Be 0.07wt％、Ni 0.18wt％、Si 0.03wt％、Zn 0.09wt％、Ag 1.4wt％、余量为Cu。
实施例3：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.7wt％、Be 0.06wt％、Ni 0.19wt％、Si 0.04wt％、Zn 0.08wt％、Ag 1.3wt％、余量为Cu。
实施例4：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.6wt％、Be 0.08wt％、Ni 0.2wt％、Si 0.04wt％、Zn 0.1wt％、Ag 1.5wt％、余量为Cu。
实施例5：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.8wt％、Be 0.06wt％、Ni 0.18wt％、Si 0.03wt％、Zn 0.08wt％、Ag 1.3wt％、余量为Cu。
实施例6：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.8wt％、Be 0.07wt％、Ni 0.19wt％、Si 0.04wt％、Zn 0.1wt％、Ag 1.4wt％、余量为Cu。
实施例7：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.6wt％、Be 0.06wt％、Ni 0.18wt％、Si 0.03wt％、Zn 0.08wt％、Ag 1.3wt％、余量为Cu。
实施例8：
一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.7wt％、Be 0.08wt％、Ni 0.18wt％、Si 0.03wt％、Zn 0.1wt％、Ag 1.4wt％、余量为Cu。
实施例9：
上述实施例1～8之一任意所述的高强高导铜合金材料的制备方法之一，包括以下步骤：
(1)熔炼：按高强高导铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入熔炼炉，在1150℃熔炼60min，然后进行精炼除渣，静置除气，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；
(2)铸造：将铜合金溶液在温度为1130℃的条件下铸造成横截面直径为245mm～250mm的铜合金铸锭；
(3)感应加热：将铜合金铸锭放入感应器内部，接通中频感应电源，对铜合金铸锭进行感应加热，加热升温至铜合金铸锭的温度为950℃，保温12min；
(4)热挤压：将经过步骤(3)处理后的铜合金铸锭放入挤压机中，在温度为930℃的条件下，将铜合金铸锭挤压成横截面直径为72mm的铜合金型材；
(5)余热固溶：将步骤(4)得到的铜合金型材立即投入水中进行快速冷却，将铜合金型材的温度冷却至室温；
(6)分梯次冷拔和时效处理：对步骤(5)得到的铜合金型材进行连续3次冷拔，每次冷拔后都进行一次时效处理；其中，第一次冷拔的加工率为10％，第二次冷拔的加工率为5％，第三次冷拔的加工率为6％；所述时效处理是将铜合金型材在470℃保温3～4h；
(7)将经过步骤(6)处理后的铜合金型材进行矫直、切削加工、防腐处理和包装，即得到高强高导铜合金材料。
实施例10：
上述实施例1～8之一任意所述的高强高导铜合金材料的制备方法之二，包括以下步骤：
(1)熔炼：按高强高导铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入熔炼炉，在1200℃熔炼30min，然后进行精炼除渣，静置除气，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；
(2)铸造：将铜合金溶液在温度为1150℃的条件下铸造成横截面直径为245mm～250mm的铜合金铸锭；
(3)感应加热：将铜合金铸锭放入感应器内部，接通中频感应电源，对铜合金铸锭进行感应加热，加热升温至铜合金铸锭的温度为1000℃，保温10min；
(4)热挤压：将经过步骤(3)处理后的铜合金铸锭放入挤压机中，在温度为950℃的条件下，将铜合金铸锭挤压成横截面直径为75mm的铜合金型材；
(5)余热固溶：将步骤(4)得到的铜合金型材立即投入水中进行快速冷却，将铜合金型材的温度冷却至室温；
(6)分梯次冷拔和时效处理：对步骤(5)得到的铜合金型材进行连续3次冷拔，每次冷拔后都进行一次时效处理；其中，第一次冷拔的加工率为12％，第二次冷拔的加工率为6％，第三次冷拔的加工率为6％；所述时效处理是将铜合金型材在490℃保温3～4h；
(7)将经过步骤(6)处理后的铜合金型材进行矫直、切削加工、防腐处理和包装，即得到高强高导铜合金材料。
实施例11：
上述实施例1～8之一任意所述的高强高导铜合金材料的制备方法之三，包括以下步骤：
(1)熔炼：按高强高导铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入熔炼炉，在1180℃熔炼50min，然后进行精炼除渣，静置除气，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；
(2)铸造：将铜合金溶液在温度为1140℃的条件下铸造成横截面直径为245mm～250mm的铜合金铸锭；
(3)感应加热：将铜合金铸锭放入感应器内部，接通中频感应电源，对铜合金铸锭进行感应加热，加热升温至铜合金铸锭的温度为980℃，保温12min；
(4)热挤压：将经过步骤(3)处理后的铜合金铸锭放入挤压机中，在温度为940℃的条件下，将铜合金铸锭挤压成横截面直径为74mm的铜合金型材；
(5)余热固溶：将步骤(4)得到的铜合金型材立即投入水中进行快速冷却，将铜合金型材的温度冷却至室温；
(6)分梯次冷拔和时效处理：对步骤(5)得到的铜合金型材进行连续3次冷拔，每次冷拔后都进行一次时效处理；其中，第一次冷拔的加工率为11％，第二次冷拔的加工率为5％，第三次冷拔的加工率为5％；所述时效处理是将铜合金型材在480℃保温3～4h；
(7)将经过步骤(6)处理后的铜合金型材进行矫直、切削加工、防腐处理和包装，即得到高强高导铜合金材料。
实施例12：
上述实施例1～8之一任意所述的高强高导铜合金材料的制备方法之四，包括以下步骤：
(1)熔炼：按高强高导铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入熔炼炉，在1200℃熔炼60min，然后进行精炼除渣，静置除气，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；
(2)铸造：将铜合金溶液在温度为1130℃的条件下铸造成横截面直径为245mm～250mm的铜合金铸锭；
(3)感应加热：将铜合金铸锭放入感应器内部，接通中频感应电源，对铜合金铸锭进行感应加热，加热升温至铜合金铸锭的温度为960℃，保温11min；
(4)热挤压：将经过步骤(3)处理后的铜合金铸锭放入挤压机中，在温度为930℃的条件下，将铜合金铸锭挤压成横截面直径为73mm的铜合金型材；
(5)余热固溶：将步骤(4)得到的铜合金型材立即投入水中进行快速冷却，将铜合金型材的温度冷却至室温；
(6)分梯次冷拔和时效处理：对步骤(5)得到的铜合金型材进行连续3次冷拔，每次冷拔后都进行一次时效处理；其中，第一次冷拔的加工率为12％，第二次冷拔的加工率为6％，第三次冷拔的加工率为5％；所述时效处理是将铜合金型材在470℃保温3～4h；
(7)将经过步骤(6)处理后的铜合金型材进行矫直、切削加工、防腐处理和包装，即得到高强高导铜合金材料。
实施例13：
上述实施例1～8之一任意所述的高强高导铜合金材料的制备方法之五，包括以下步骤：
(1)熔炼：按高强高导铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入熔炼炉，在1160℃熔炼40min，然后进行精炼除渣，静置除气，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；
(2)铸造：将铜合金溶液在温度为1150℃的条件下铸造成横截面直径为245mm～250mm的铜合金铸锭；
(3)感应加热：将铜合金铸锭放入感应器内部，接通中频感应电源，对铜合金铸锭进行感应加热，加热升温至铜合金铸锭的温度为1000℃，保温10min；
(4)热挤压：将经过步骤(3)处理后的铜合金铸锭放入挤压机中，在温度为940℃的条件下，将铜合金铸锭挤压成横截面直径为75mm的铜合金型材；
(5)余热固溶：将步骤(4)得到的铜合金型材立即投入水中进行快速冷却，将铜合金型材的温度冷却至室温；
(6)分梯次冷拔和时效处理：对步骤(5)得到的铜合金型材进行连续3次冷拔，每次冷拔后都进行一次时效处理；其中，第一次冷拔的加工率为10％，第二次冷拔的加工率为6％，第三次冷拔的加工率为6％；所述时效处理是将铜合金型材在480℃保温3～4h；
(7)将经过步骤(6)处理后的铜合金型材进行矫直、切削加工、防腐处理和包装，即得到高强高导铜合金材料。
Claims (3)
1.一种高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.6～0.8wt％、Be 0.06～0.08wt％、Ni 0.18～0.2wt％、Si 0.03～0.04wt％、Zn 0.08～0.1wt％、Ag 1.3～1.5wt％、余量为Cu。
2.根据权利要求1所述的高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.8wt％、Be 0.08wt％、Ni 0.2wt％、Si 0.04wt％、Zn 0.1wt％、Ag1.5wt％、余量为Cu。
3.根据权利要求1所述的高强高导铜合金材料，其特征在于，所述高强高导铜合金材料的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：按权利要求1所述的高强高导铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入熔炼炉，在1150℃～1200℃熔炼30～60min，然后进行精炼除渣，静置除气，得到成分均匀稳定的铜合金熔液；
(2)铸造：将铜合金熔液在温度为1130℃～1150℃的条件下铸造成横截面直径为245mm～250mm的铜合金铸锭；
(3)感应加热：将铜合金铸锭放入感应器内部，接通中频感应电源，对铜合金铸锭进行感应加热，加热升温至铜合金铸锭的温度为950℃～1000℃，保温10～12min；
(4)热挤压：将经过步骤(3)处理后的铜合金铸锭放入挤压机中，在温度为930℃～950℃的条件下，将铜合金铸锭挤压成横截面直径为72～75mm的铜合金型材；
(5)余热固溶：将步骤(4)得到的铜合金型材立即投入水中进行快速冷却，将铜合金型材的温度冷却至室温；
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