CN106381414B - 一种铜基原位复合合金及其制备方法 - Google Patents

一种铜基原位复合合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜基原位复合合金及其制备方法，本发明方法采用深冷处理促进固溶在铜基体中的Fe或Cr原子以纳米级弥散粒子的形式析出，使铜基体得到净化，并同时强化铜基体，使得复合材料的强度与导电性能同时得到提高；采用分级时效处理进一步促进Fe或Cr原子的弥散析出，将纤维增强和纳米粒子弥散强化相结合，提高了复合材料的强度和导电性能。根据实验结果可知，本发明提供的铜基原位复合合金的导电率能够达到88％IACS；本发明提供的铜基原位复合合金的抗拉强度能够达到1180MPa。

Description

一种铜基原位复合合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及含铜合金技术领域，特别涉及一种铜基原位复合合金及其制备方法。
背景技术
高速发展的现代工业对铜合金的性能提出了越来越高的要求，开发出性能优异的铜合金材料成为目前铜合金领域的研究热点之一。原位复合法是制备铜合金的有效方法，该方法通过熔铸手段控制铸态合金的结构，并经机械加工使合金中第二相沿加工方向变形而形成纤维或片层状结构以达到增强基体的目的。由于增强相是在合金中原位生成并直接加工而形成，不存在外部污染，界面结合牢固，可使复合材料得到显著强化。
由于Fe、Cr元素在铜基体中的固溶度极低，Cu-Fe、Cu-Cr原位复合合金兼具Fe或Cr的高强度和Cu的良好导电导热性能，其在电工开关、触头材料、电阻电极、大型高速涡轮发电机转子导线、电车及电力火车架空导线、超大规模集成电路引线框架、大功率真空高压开关等领域显示出广阔的应用前景。
然而，Cu-Fe或Cu-Cr原位复合合金在合金强化、形变强化、细晶强化等各种强化方式下，其导电率往往难以兼顾，即在提高材料强度的同时导电率会降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜基原位复合合金及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明制备的铜基原位复合合金具有很高的导电率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铜基原位复合合金，包含Cu、M和X元素，
其中，M元素为Fe或Cr；
X元素为Ag、P、B或稀土元素。
进一步地，当所述X元素为Ag或P时，所述铜基原位复合合金中各元素的质量分数分别为：
M 1～22％；
Ag或P 0.01～0.5％；
Cu 余量。
进一步地，当所述X元素为B或稀土元素时，所述铜基原位复合合金中各元素的质量分数分别为：
M 1～22％；
B或稀土 0.001～0.5％；
Cu 余量。
一种铜基原位复合合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：对Cu原料、M原料和X原料进行熔炼，得到金属液；
步骤二：将步骤一得到的金属液浇铸成铸锭；
步骤三：对步骤二得到的铸锭进行热锻或热轧后进行固溶处理；
步骤四：对步骤三得到的固溶处理后的产物进行冷轧处理和多道次冷拔处理，并在相邻两次冷拔处理之间进行分级时效处理和深冷处理，得到铜基原位复合合金。
进一步地，所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为200～300℃，第一级时效处理的时间为0.5～2小时；
第二级时效处理的温度为350～600℃，第二级时效处理的时间为0.5～2小时。
进一步地，所述深冷处理具体为将分级时效处理的产品浸入液氮，所述深冷处理的时间大于等于2小时。
进一步地，所述Cu原料为电解铜；
所述M原料为纯铁、纯铬、含铁合金或含铬合金；
所述X原料为铜磷合金、铜银合金、铜硼合金或者铜与稀土元素的合金。
进一步地，所述热锻或热轧的温度为700～950℃；
所述热锻或热轧的终点为铸锭发生20～30％的形变。
进一步地，所述固溶处理的温度为800～1000℃，
所述固溶处理的时间为0.5～5小时。
进一步地，所述冷轧处理的终点为铸锭发生30～40％的形变；
所述多道次冷拔处理的终点为按照ln(A0/A)计算，最大应变量为7.5～8.5，
其中A0和A分别为冷拔变形前后的材料截面积。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的制备方法采用深冷处理促进固溶在铜基体中的Fe或Cr原子以纳米级弥散粒子的形式析出，使铜基体得到净化，并同时强化铜基体，使得复合材料的强度与导电性能同时得到提高；采用分级时效处理进一步促进Fe或Cr原子的弥散析出，将纤维增强和纳米粒子弥散强化相结合，提高了复合材料的强度和导电性能。根据实验结果可知，本发明提供的铜基原位复合合金的导电率能够达到88％IACS；本发明提供的铜基原位复合合金的抗拉强度能够达到1180MPa。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
本发明提供了一种铜基原位复合合金，包含Cu、M和X元素，
其中，M为Fe或Cr；
X为Ag、P、B或稀土。
在本发明中，所述M在原位复合合金中的质量含量优选为1～22％，更优选为2～10％，最优选为3～4.5％。
在本发明中，当所述X元素为Ag或P时，所述X元素在原位复合合金中的质量含量优选为0.01～0.5％，更优选为0.05～0.4％，最优选为0.15～0.3％。
在本发明中，当所述X元素为B或稀土时，所述X元素在原位复合合金中的质量含量优选为0.001～0.5％，更优选为0.015～0.4％，最优选为0.15～0.3％。在本发明中，所述稀土为本领域技术人员所熟知的稀土元素，具体的可以为铈、钇、镧或钪。
本发明提供的铜基原位复合合金包括余量的Cu。
本发明还提供了上述技术方案所述铜基原位复合合金的制备方法，包括以下步骤：
对Cu原料、M原料和X原料进行熔炼，得到金属液；
将所述金属液浇铸成铸锭；
对所述铸锭进行热锻或热轧后进行固溶处理；
对所述固溶处理后的产物进行冷轧处理和多道次冷拔处理，得到铜基原位复合合金；
在相邻两次冷拔处理之间进行分级时效处理和深冷处理。
本发明将Cu原料、M原料和X原料进行熔炼，得到金属液。本发明对所述铜原料的种类和来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的制备铜合金的铜基原料即可；在本发明中，所述Cu原料优选为电解铜。
在本发明中，所述M原料为铁原料或铬原料，优选为纯铁、纯铬、含铁合金或含铬合金。本发明对所述M原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的所述种类的M原料即可，具体的可以为所述种类M原料的市售产品。
在本发明中，所述X原料为银原料、磷原料、硼原料或稀土原料，优选为铜磷合金、铜银合金、铜硼合金或者铜与稀土元素的合金。本发明对所述X原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的所述种类的X原料即可，具体的可以为所述种类X原料的市售产品。在本发明中，此处所述稀土元素与上文所述稀土元素相同，在此不再进行赘述。
本发明对所述熔炼的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的铜合金冶炼工艺的工艺方法和工艺参数进行熔炼即可。在本发明中，所述熔炼优选在中频感应炉中进行。
得到金属液后，本发明将所述金属液浇铸成铸锭。本发明对所述浇铸的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的铜合金浇铸工艺的工艺方法和工艺参数进行浇铸即可。在本发明中，所述浇铸优选在水冷钢模或石墨模中进行。
得到铸锭后，本发明对所述铸锭进行热锻或热轧后进行固溶处理。本发明对所述热锻或热轧的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的热锻或热轧手段即可。在本发明中，所述热锻的温度优选为700～950℃，更优选为750～900℃，最优选为800～850℃；所述热轧的温度优选为700～950℃，更优选为750～900℃，最优选为800～850℃。在本发明中，所述热锻或热轧的终点优选为铸锭在原尺寸的基础上发生20～30％的形变，更优选为22～28％，最优选为24～27％。
热锻或热轧完成后，本发明对所述热锻或热轧后的产物进行固溶处理。在本发明中，所述固溶处理的温度优选为800～1000℃，更优选为850～950℃，最优选为880～930℃；所述固溶处理的时间优选为0.5～5小时，更优选为1～4小时，最优选为2～3小时。
完成所述固溶处理后，本发明对所述固溶处理后的产物进行冷轧处理和多道次冷拔处理，得到铜基原位复合合金。本发明对所述冷轧处理的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的冷轧手段即可。在本发明中，所述冷轧的终点优选为铸锭在原尺寸的基础上发生30～40％的形变，更优选为32～38％，最优选为34～37％。
在本发明中，所述多道次冷拔的终点优选为按照ln(A0/A)计算，最大应变量为7.5～8.5，更优选为7.6～8.3，最优选为7.8～8.2，其中A0和A分别为冷拔变形前后的材料截面积。本发明对所述多道次冷拔的道次数没有特殊要求，能够达到所述多道次冷拔的终点条件要求即可。
在本发明中，所述多道次冷拔处理过程中，在相邻两次冷拔处理之间进行分级时效处理和深冷处理。在本发明中，所述分级时效处理优选为双级时效处理即第一时级效处理和第二级时效处理。
在本发明中，所述第一级时效处理的温度优选为200～300℃，更优选为220～280℃，最优选为230～270℃；所述第一级时效处理的时间优选为0.5～2小时，更优选为1～1.8小时，最优选为1.1～1.5小时。
在本发明中，所述第二级时效处理的温度优选为350～600℃，更优选为400～550℃，最优选为450～500℃；所述第二级时效处理的时间优选为0.5～2小时，更优选为1～1.8小时，最优选为1.1～1.5小时。
在本发明中，所述深冷处理优选为直接将所述分级时效处理的产品浸入液氮。在本发明中，所述深冷处理的时间优选≥2小时，更优选的≥3小时，最优选的≥4小时。在本发明中，所述深冷处理的时间优选小于20小时。在本发明中，所述深冷处理的温度为零下196℃。
本发明提供的制备方法采用深冷处理促进固溶在铜基体中的Fe或Cr原子以纳米级弥散粒子的形式析出，使铜基体得到净化，并同时强化铜基体，使得复合材料的强度与导电性能同时得到提高；采用分级时效处理进一步促进Fe或Cr原子的弥散析出，将纤维增强和纳米粒子弥散强化相结合，提高了复合材料的强度和导电性能。根据实验结果可知，本申请提供的铜基原位复合合金的导电率能够达到88％IACS；本申请提供的铜基原位复合合金的抗拉强度能够达到1180MPa。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
(1)按照89.85％Cu-10％Fe-0.15％P的质量分数，将电解铜、纯铁、铜磷合金在中频感应炉中进行熔炼，在石墨模中浇铸成锭；
(2)将得到的铸锭在900℃进行热轧至30％的变形量，然后在950℃温度下的固溶处理2h；
(3)将固溶处理后的产物冷轧变形至30％的变形量，然后进行多道次冷拔变形至最大应变量为7.8(按照ln(A0/A)计算，其中A0和A分别为冷变形前后的材料截面积)；
所述多道次冷拔处理过程中，在每道次结束后进行分级时效处理和深冷处理，再进行下一道次的冷拔处理；
所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为230℃，第一级时效处理的时间为1小时；
第二级时效处理的温度为450℃，第二级时效处理的时间为0.5小时；
分级时效处理后直接将所述产品浸入液氮进行深冷处理4小时，得到铜基原位复合合金。
本发明对本实施例得到的原位复合合金进行了力学性能和导电性能测试，测试结果为：
抗拉强度＝1150MPa；
导电率＝85％IACS。
实施例2
(1)按照77.99％Cu-22％Fe-0.01％Ag的质量分数，将电解铜、纯铁、铜银合金在中频感应炉中进行熔炼，在石墨模中浇铸成锭；
(2)将得到的铸锭在950℃进行热轧至20％的变形量，然后在800℃温度下的固溶处理5h；
(3)将固溶处理后的产物冷轧变形至40％的变形量，然后进行多道次冷拔变形至最大应变量为7.6(按照ln(A0/A)计算，其中A0和A分别为冷变形前后的材料截面积)；
所述多道次冷拔处理过程中，在每道次结束后进行分级时效处理和深冷处理，再进行下一道次的冷拔处理；
所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为200℃，第一级时效处理的时间为1.1小时；
第二级时效处理的温度为400℃，第二级时效处理的时间为1小时；
分级时效处理后直接将所述产品浸入液氮进行深冷处理的时间为3小时，得到铜基原位复合合金。
本发明对本实施例得到的原位复合合金进行了力学性能和导电性能测试，测试结果为：
抗拉强度＝1100MPa；
导电率＝88％IACS。
实施例3
(1)按照95％Cu-4.5％Cr-0.5％Ce的质量分数，将电解铜、纯铬、铜铈合金在中频感应炉中进行熔炼，在石墨模中浇铸成锭；
(2)将得到的铸锭在800℃进行热锻至28％的变形量，然后在930℃温度下的固溶处理3h；
(3)将固溶处理后的产物冷轧变形至32％的变形量，然后进行多道次冷拔变形至最大应变量为8.5(按照ln(A0/A)计算，其中A0和A分别为冷变形前后的材料截面积)；
所述多道次冷拔处理过程中，在每道次结束后进行分级时效处理和深冷处理，再进行下一道次的冷拔处理；
所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为220℃，第一级时效处理的时间为0.5小时；
第二级时效处理的温度为350℃，第二级时效处理的时间为1.1小时；
分级时效处理后直接将所述产品浸入液氮进行深冷处理2小时，得到铜基原位复合合金。
本发明对本实施例得到的原位复合合金进行了力学性能和导电性能测试，测试结果为：
抗拉强度＝1180MPa；
导电率＝85％IACS。
实施例4
(1)按照96.7％Cu-3％Cr-0.3％B的质量配比，将电解铜、纯铬、铜硼合金在中频感应炉中进行熔炼，在石墨模中浇铸成锭；
(2)将得到的铸锭在850℃进行热锻至22％的变形量，然后在850℃温度下的固溶处理4h；
(3)将固溶处理后的产物冷轧变形至37％的变形量，然后进行多道次冷拔变形至最大应变量为8.3(按照ln(A0/A)计算，其中A0和A分别为冷变形前后的材料截面积)；
所述多道次冷拔处理过程中，在每道次结束后进行分级时效处理和深冷处理，再进行下一道次的冷拔处理；
所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为300℃，第一级时效处理的时间为2小时；
第二级时效处理的温度为500℃，第二级时效处理的时间为2小时；
分级时效处理后直接将所述产品浸入液氮进行深冷处理6小时，得到铜基原位复合合金。
本发明对本实施例得到的原位复合合金进行了力学性能和导电性能测试，测试结果为：
抗拉强度＝1100MPa；
导电率＝82％IACS。
实施例5
(1)按照97.5％Cu-2％Fe-0.5％Ag的质量分数，将电解铜、含铁合金、铜银合金在中频感应炉中进行熔炼，在石墨模中浇铸成锭；
(2)将得到的铸锭在750℃进行热轧至24％的变形量，然后在880℃温度下的固溶处理0.5h；
(3)将固溶处理后的产物冷轧变形至38％的变形量，然后进行多道次冷拔变形至最大应变量为7.5(按照ln(A0/A)计算，其中A0和A分别为冷变形前后的材料截面积)；
所述多道次冷拔处理过程中，在每道次结束后进行分级时效处理和深冷处理，再进行下一道次的冷拔处理；
所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为270℃，第一级时效处理的时间为1.5小时；
第二级时效处理的温度为600℃，第二级时效处理的时间为1.5小时；
分级时效处理后直接将所述产品浸入液氮进行深冷处理的时间为10小时，得到铜基原位复合合金。
实施例6
(1)按照98.999％Cu-1％Cr-0.001％La的质量分数，将电解铜、含铬合金、铜镧合金在中频感应炉中进行熔炼，在石墨模中浇铸成锭；
(2)将得到的铸锭在700℃进行热轧至27％的变形量，然后在1000℃温度下的固溶处理1h；
(3)将固溶处理后的产物冷轧变形至34％的变形量，然后进行多道次冷拔变形至最大应变量为8.2(按照ln(A0/A)计算，其中A0和A分别为冷变形前后的材料截面积)；
所述多道次冷拔处理过程中，在每道次结束后进行分级时效处理和深冷处理，再进行下一道次的冷拔处理；
所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为280℃，第一级时效处理的时间为1.8小时；
第二级时效处理的温度为550℃，第二级时效处理的时间为1.8小时；
分级时效处理后直接将所述产品浸入液氮进行深冷处理的时间为4小时，得到铜基原位复合合金。
由以上实施例可知，本发明提供的铜基原位复合合金的导电率能够达到88％IACS；本发明提供的铜基原位复合合金的抗拉强度能够达到1180MPa，证明本申请提供的铜基原位复合合金不仅具有优异的导电率，还具有优异的抗拉强度。

Claims (5)

1.一种铜基原位复合合金的制备方法，所述铜基原位复合合金包含Cu、M和X元素，其中，M元素为Fe或Cr；X元素为Ag、P、B或稀土元素；其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对Cu原料、M原料和X原料进行熔炼，得到金属液；
步骤二：将步骤一得到的金属液浇铸成铸锭；
步骤三：对步骤二得到的铸锭进行热锻或热轧后进行固溶处理；
步骤四：对步骤三得到的固溶处理后的产物进行冷轧处理和多道次冷拔处理，并在相邻两次冷拔处理之间进行分级时效处理和深冷处理，得到铜基原位复合合金；
所述分级时效处理为双级时效处理，其中，
第一级时效处理的温度为200～300℃，第一级时效处理的时间为0.5～2小时；
第二级时效处理的温度为350～600℃，第二级时效处理的时间为0.5～2小时；
所述深冷处理具体为将分级时效处理的产品浸入液氮，所述深冷处理的时间大于等于2小时。
2.根据权利要求1所述的一种铜基原位复合合金的制备方法，其特征在于，所述Cu原料为电解铜；
所述M原料为纯铁、纯铬、含铁合金或含铬合金；
所述X原料为铜磷合金、铜银合金、铜硼合金或者铜与稀土元素的合金。
3.根据权利要求1所述的一种铜基原位复合合金的制备方法，其特征在于，所述热锻或热轧的温度为700～950℃；
所述热锻或热轧的终点为铸锭发生20～30％的形变。
4.根据权利要求1所述的一种铜基原位复合合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为800～1000℃，
所述固溶处理的时间为0.5～5小时。
5.根据权利要求1所述的一种铜基原位复合合金的制备方法，其特征在于，所述冷轧处理的终点为铸锭发生30～40％的形变；
所述多道次冷拔处理的终点为按照ln(A0/A)计算，最大应变量为7.5～8.5，
其中A0和A分别为冷拔变形前后的材料截面积。
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