CN108060323A

CN108060323A - 一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材及其制备方法

Info

Publication number: CN108060323A
Application number: CN201711344041.2A
Authority: CN
Inventors: 姜婷; 李银娥; 操齐高; 王轶; 郑晶; 贾志华
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2018-05-22
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: CN108060323B

Abstract

本发明公开了一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材，由以下质量百分数的成分组成：Cr 1.5～15.0％，Zr 0.1～2.5％，Mg 0.05～1.0％，余量为铜和不可避免的杂质。另外，本发明还公开了一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材的制备方法，该方法为：一、熔铸成铸锭；二、对铸锭进行表面处理和均匀化处理；三、冷锻成棒材，再冷旋锻成丝棒材；四、拉拔成丝材并进行时效处理。本发明的高强高导铜合金丝材的合金成分设计合理，合金化程度高，生产成本合适，工艺可控，环境友好，合金强度高，电导率高，高的抗拉强度和高导电率能够满足高电流连接件、电力、机械电子等对高强高导材料的要求。

Description

一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种高强高导铜CuCrZrMg系合金棒材及其制备方法。

背景技术

作为高强、高导电合金的代表——铜铬锆合金，在国民经济各部门，如高电流连接件、电力、机械电子等方面得到广泛应用，也成为铜及合金研究、生产部门关注的重点。Cu-Cr-Zr系合金是一类具有综合物理性能和力学性能的结构功能材料，具有一定的强度、良好的导电导热性能和抗腐蚀性能，适用于核装备、集成电路引线框架、高速铁路、电阻焊和连铸等领域，特别是大规模和超大规模集成电路用引线框架的主打产品；在高速电气化列车架空导线方面，Cu-Cr-Zr合金以其优异的性能、低成本和环保友好等特点逐步代替系列铍铜合金的应用。高电流连接件、电力、机械电子和高速铁路等的发展需要一种高强高导铜合金，不仅具备铍钴铜的强度(750～930MPa)，同时具备铜铬锆合金的导电性能(75％IACS～85％IACS)。Cu-Cr-Zr系合金的高导电性能已经成为关注焦点，需要我们及时开发出高强的Cu-Cr-Zr系合金以及与之配套的制备方法，以满足电子工业发展的需要。

目前关于Cu-Cr-Zr系合金的研究主要集中在三个方面：(1)低Cr系列(Cr含量小于1.2％)，导电性能达到70％IACS～80％IACS，但合金强度较低，仅500MPa左右；(2)非真空气氛的规模化生产提高了生产效率，但是增加了铸锭的含气量，降低了铸锭的品质，影响材料的弹性和电学性能；(3)稀土等的微合金化主要集中在低Cr系列的Cu-Cr-Zr合金，对性能提升有作用但幅度较小。

公开的发明专利CN201210567822.9简化了时效强化型低合金化(Cr含量在0.15～0.6％)Cu-Cr-Zr-X合金合金线材的制备加工工艺，其制备的合金超细线材强度为430～690MPa，只能满足现代高速铁路、低速重载等各种不同接触网的需求，无法满足高速铁路进一步提速对合金线材强度的要求；CN201610401790.3通过对Cr含量在0.5～1.2％的Cu-Cr-Zr稀土元素改性及熔炼工艺改善等手段进行材料成分优化设计，突破强度和导电率相互矛盾的关系，在保证导条端环高强度的同时显著提高了导电性能，但抗拉强度最高仅为502MPa。CN201610074956.5采用连续固溶+淬火装置及工艺处理Cu-Cr-Zr合金棒材或线材，自动化程度高，生产效率高，有利于保证合金棒材或线材淬火质量的均匀性和一致性，未提及合金具体成分和成品线材的抗拉强度和导电性能；CN200810235978.0主要是通过惰性气体保护熔炼、板材的轧制，不同含量、不同种类的微量元素(Ni、Si、Ti)，来改变合金的性能，尤其加入适量的Si或Ti元素可获得优越综合性能的合金板材，但板材最大抗拉强度为603MPa，导电率为77％IACS，抗拉强度没有大幅度的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材。该铜合金丝材合金成分设计合理，合金化程度高，生产成本合适，工艺可控，环境友好，合金强度高，电导率高。且制备铜合金丝材的方法为通过真空+充氩+电磁搅拌熔铸工艺，使熔体充分排气，有效预防疏松，同时破碎粗大的网状Cr增强相和层片状的CuZr化合物相，使其均匀分布于铜基体上，有利于提高组织的均匀性、铸锭质量，改善合金的加工性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Cr 1.5～15.0％，Zr 0.1～2.5％，Mg0.05～1.0％，余量为铜和不可避免的杂质，所述CuCrZrMg系铜合金丝材的抗拉强度为750MPa～930MPa，电导率为75％IACS～85％IACS。

上述的一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Cr 7.0～11.5％，Zr 0.5～1.6％，Mg 0.3～0.8％，余量为铜和不可避免的杂质。

上述的一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Cr 8.5％，Zr 1.2％，Mg 0.4％，余量为铜和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种CuCrZrMg系铜合金丝材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、熔铸：将标准阴极铜放入坩埚中，再将铬片均匀放置在标准阴极铜周围的坩埚中，然后将装有标准阴极铜和铬片的坩埚置于加热炉中，再对加热炉抽真空，当炉内压强至0.1Pa时开始升温，升温过程中当标准阴极铜发红软化时，则停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa～0.04Pa，当标准阴极铜和铬片完全熔化后，通过料斗向坩埚中加入铜锆中间合金和铜镁中间合金，电磁搅拌熔体精炼10min～20min后冷凝，得到冷凝块，然后二次抽真空至炉内压强达到0.1Pa时二次升温，二次升温过程中当所述冷凝块发红时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa～0.04Pa，电磁搅拌熔体精炼5min～10min，最后浇铸成铸锭；

步骤二、固溶处理：除去步骤一浇铸成的铸锭的表面缺陷，在910～960℃的防氧化保护气氛中均匀化处理3h～6h后水淬；

步骤三、冷锻和冷旋锻：对步骤二水淬后的铸锭，先进行冷锻得到直径为46mm～50mm的棒材，再对所述棒材进行多道次的冷旋锻，冷旋锻过程中控制道次变形量为15％～25％，冷旋锻过程中当棒材的变形量达到65％～75％时，则在500℃～600℃的防氧化保护气氛中进行40min～80min的中间退火，最终得到直径为4mm～5mm的丝棒材；

步骤四、拉拔和时效处理：对步骤三得到直径为4mm～5mm的丝棒材进行多道次的拉拔，拉拔过程中控制道次变形量为10％～15％，拉拔过程中当丝棒材的变形量达到60％～70％时，则在500℃～600℃的防氧化保护气氛中进行40min～80min的中间退火，最后在450～550℃的防氧化保护气氛中处理2h～6h，得到直径为0.8mm～2.0mm的CuCrZrMg系铜合金丝材成品。

上述方法，其特征在于，步骤一所述的铬片的质量纯度不低于99.9％。

上述方法，其特征在于，步骤一所述的加热炉为真空中频感应熔炼炉，所述的坩埚为氧化镁坩埚。

上述方法，其特征在于，步骤一中浇铸铸锭时采用的浇铸模具为钢模，所述钢模的直径为180mm，厚度为45mm，高度为200mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过提高Cr含量，增加了网状Cr增强相的数量；添加Mg起到脱氧作用，同时增加了微小内氧化质点；添加Zr能够细化晶粒，净化合金并有利于网状Cr增强相的析出，显著改善其力学性能，同时保证电导率和材料的可加工性能。本发明通过增加合金中的Cr含量、引入具有脱氧和促进形核作用的Mg元素、再通过中频感应真空+充氩熔炼和大变形量的加工制备方法提高Cu-Cr-Zr系列材料的的强度，保证导电性能。

2、本发明通过真空+充氩+电磁搅拌熔铸工艺，使熔体充分排气，有效预防疏松，同时破碎粗大的网状Cr增强相和层片状的CuZr化合物相，使其均匀分布于铜基体上，有利于提高组织的均匀性、铸锭质量，改善合金的加工性能。

3、本发明旋锻工艺过程中材料发生大的变形，产生大量变形热，合金发生回复再结晶，合金中的细小缺陷被修复。旋锻的过程中使合金组织从原来的铜基体、网状的Cr增强相和层片的CuZr化合物相转变为铜基体和弥散分布于铜基体上的Cr增强相和CuZr化合物相。在后续的拉拔和热处理过程中分布于铜基体上的Cr增强相发生变形和析出使合金强化，在保证电导率的同时明显提高合金的强度。

综上所述本发明合金成分设计合理，合金化程度高，生产成本合适，工艺可控，环境友好，合金强度高，电导率高。本发明专利制备的材料能够满足我国高电流连接件、电力、机械电子等方面高性能元器件的原料需求。

下面通过实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材由以下质量百分数的成分组成：Cr1.5％，Zr 0.1％，Mg 0.05％，余量为Cu和不可避免的杂质。

本实施例高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材的制备方法包括以下步骤：

步骤一、熔铸：将标准阴极铜放入氧化镁坩埚中，再将铬片均匀放置在标准阴极铜周围的氧化镁坩埚中，然后将装有标准阴极铜和铬片的氧化镁坩埚置于真空中频感应熔炼炉中，再对真空中频感应熔炼炉抽真空，直至炉内压强至0.1Pa时开始升温，升温过程中当标准阴极铜发红软化时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.04Pa，当标准阴极铜和铬片完全熔化后，通过料斗向氧化镁坩埚中加入铜锆中间合金和铜镁中间合金，电磁搅拌熔体精炼10min后冷凝，得到冷凝块，然后二次抽真空至炉内压强至0.1Pa时二次升温，二次升温过程中当所述冷凝块发红时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.04Pa，后电磁搅拌熔体精炼5min，浇铸成铸锭。

步骤二、固溶处理：除去步骤一所得的铸锭表面缺陷，于910℃的惰性气体保护气氛中均匀化处理3小时后水淬；

步骤三、冷锻和冷旋锻：对步骤二水淬后的铸锭，先进行冷锻得到直径为46mm的棒材，再对所述棒材进行多道次的冷旋锻，冷旋锻过程中控制道次变形量为25％，当冷旋锻过程中棒材的变形量达到75％时，则在500℃的氩气气氛中进行40min的中间退火，最终得到直径为5mm的丝棒材；

步骤四、拉拔和时效处理：对步骤三得到的直径为5mm的丝棒材进行多道次的拉拔，拉拔过程中控制道次变形量为10％，当拉拔过程中丝棒材的变形量达到70％时，则在500℃的防氧化保护气氛中进行40min的中间退火，最后在450℃的防氧化保护气氛中处理2h，得到直径为Φ0.8mm的CuCrZrMg系铜合金丝材成品。

本实施例制备的高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材的抗拉强度为760MPa，导电率为84.7％IACS。

实施例2

本实施例高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材由以下质量百分数的成分组成：Cr7.0％，Zr 0.5％，Mg 0.3％，余量为Cu和不可避免的杂质。

步骤一、熔铸：将标准阴极铜放入氧化镁坩埚中，再将铬片均匀放置在标准阴极铜周围的氧化镁坩埚中，然后将装有标准阴极铜和铬片的氧化镁坩埚置于真空中频感应熔炼炉中，再对真空中频感应熔炼炉抽真空，当炉内压强至0.1Pa时开始升温，升温过程中当标准阴极铜发红软化时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa，当标准阴极铜和铬片完全熔化后，通过料斗向氧化镁坩埚中加入铜锆中间合金和铜镁中间合金，电磁搅拌熔体精炼15min后冷凝，得到冷凝块，然后二次抽真空至炉内压强至0.1Pa时二次升温，二次升温过程中当所述冷凝块发红时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa，后电磁搅拌熔体精炼8min，浇铸成铸锭；

步骤二、固溶处理：除去步骤一所得的铸锭表面缺陷，于910℃的惰性气体保护气氛中均匀化处理6小时后水淬；

步骤三、冷锻和冷旋锻：对步骤二水淬后的铸锭，先进行冷锻得到直径为48mm的棒材，再对所述棒材进行多道次的冷旋锻，冷旋锻过程中控制道次变形量为20％，当冷旋锻过程中棒材的变形量达到75％时，则在500℃的氩气气氛中进行80min的中间退火，最终得到直径为5mm的丝棒材；

步骤四、拉拔和时效处理：对步骤三得到的直径为5mm的丝棒材进行多道次的拉拔，拉拔过程中控制道次变形量为13％，当拉拔过程中丝棒材的变形量达到60％时，则在500℃的氩气气氛中进行80min的中间退火，最后在550℃的氩气气氛中处理2h，得到直径为1.2mm的CuCrZrMg系铜合金丝材成品。

本实施例制备的高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材的抗拉强度为815MPa，导电率为81.3％IACS。

实施例3

本实施例高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材由以下质量百分数的成分组成：Cr11.5％，Zr 1.6％，Mg 0.8％，余量为Cu和不可避免的杂质。

步骤一、熔铸：将标准阴极铜放入氧化镁坩埚中，再将铬片均匀放置在标准阴极铜周围的氧化镁坩埚中，然后将装有标准阴极铜和铬片的氧化镁坩埚置于真空中频感应熔炼炉中，再对真空中频感应熔炼炉抽真空，直至炉内压强至0.1Pa时开始升温，升温过程中当标准阴极铜发红软化时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.04Pa，当标准阴极铜和铬片完全熔化后，通过料斗向氧化镁坩埚中加入铜锆中间合金和铜镁中间合金，电磁搅拌熔体精炼13min后冷凝，得到冷凝块，然后二次抽真空至炉内压强至0.1Pa时二次升温，二次升温过程中当所述冷凝块发红时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.04Pa，后电磁搅拌熔体精炼8min，浇铸成铸锭；

步骤二、固溶处理：除去步骤一所得的铸锭表面缺陷，于960℃的惰性气体保护气氛中均匀化处理6小时后水淬；

步骤三、冷锻和冷旋锻：对步骤二水淬后的铸锭，先进行冷锻得到直径为49mm的棒材，再对所述棒材进行多道次的冷旋锻，冷旋锻过程中控制道次变形量为15％，当冷旋锻过程中棒材的变形量达到75％时，则在550℃的氩气气氛中进行70min的中间退火，最终得到直径为4mm的丝棒材；

步骤四、拉拔和时效处理：对步骤三得到的直径为4mm的丝棒材进行多道次的拉拔，拉拔过程中控制道次变形量为15％，当拉拔过程中丝棒材的变形量达到70％时，则在550℃的氩气气氛中进行70min的中间退火，最后在550℃的氩气气氛中处理6h，得到直径为2.0mm的CuCrZrMg系铜合金丝材成品。

本实施例制备的高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材的抗拉强度为926MPa，导电率为76.8％IACS。

实施例4

本实施例高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材由以下质量百分数的成分组成：Cr15％，Zr 2.5％，Mg 1.0％，余量为Cu和不可避免的杂质。

步骤一、熔铸：将标准阴极铜放入氧化镁坩埚中，再将铬片均匀放置在标准阴极铜周围的氧化镁坩埚中，然后将装有标准阴极铜和铬片的氧化镁坩埚置于真空中频感应熔炼炉中，再对真空中频感应熔炼炉抽真空，直至炉内压强至0.1Pa时开始升温，升温过程中当标准阴极铜发红软化时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa，当标准阴极铜和铬片完全熔化后，通过料斗向氧化镁坩埚中加入铜锆中间合金和铜镁中间合金，电磁搅拌熔体精炼20min后冷凝，得到冷凝块，然后二次抽真空至炉内压强至0.1Pa时二次升温，二次升温过程中当所述冷凝块发红时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa，后电磁搅拌熔体精炼10min，浇铸成铸锭；

步骤二、固溶处理：除去步骤一所得的铸锭表面缺陷，于960℃的惰性气体保护气氛中均匀化处理3小时后水淬；

步骤三、冷锻和冷旋锻：对步骤二水淬后的铸锭，先进行冷锻得到直径为50mm的棒材，再对所述棒材进行多道次的冷旋锻，冷旋锻过程中控制道次变形量为22％，当冷旋锻过程中棒材的变形量达到65％时，则在550℃的氩气气氛中进行70min的中间退火，最终得到直径为4mm的丝棒材；

步骤四、拉拔和时效处理：对步骤三得到的直径为4mm的丝棒材进行多道次的拉拔，拉拔过程中控制道次变形量为12％，当拉拔过程中丝棒材的变形量达到68％时，则在550℃的氩气气氛中进行70min的中间退火，最后在450℃的氩气气氛中处理6h，得到直径为1.5mm的CuCrZrMg系铜合金丝材成品。

本实施例制备的高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材的抗拉强度为864MPa，导电率为77.6％IACS。

实施例5

本实施例高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材由以下质量百分数的成分组成：Cr8.5％，Zr 1.2％，Mg 0.4％，余量为Cu和不可避免的杂质。

步骤一、熔铸：将标准阴极铜放入氧化镁坩埚中，再将铬片均匀放置在标准阴极铜周围的氧化镁坩埚中，然后将装有标准阴极铜和铬片的氧化镁坩埚置于真空中频感应熔炼炉中，再对真空中频感应熔炼炉抽真空，直至炉内压强至0.1Pa时开始升温，升温过程中当标准阴极铜发红软化时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa，当标准阴极铜和铬片完全熔化后，通过料斗向氧化镁坩埚中加入铜锆中间合金和铜镁中间合金，电磁搅拌熔体精炼17min后冷凝，得到冷凝块，然后二次抽真空至炉内压强至0.1Pa时二次升温，二次升温过程中当所述冷凝块发红时，停止抽真空，改向炉内充氩气至炉内压强为0.03Pa，后电磁搅拌熔体精炼8min，浇铸成铸锭；

步骤三、冷锻和冷旋锻：对步骤二水淬后的铸锭，先进行冷锻得到直径为50mm的棒材，再对所述棒材进行多道次的冷旋锻，冷旋锻过程中控制道次变形量为20％，当冷旋锻过程中棒材的变形量达到65％时，则在500℃的氩气气氛中进行60min的中间退火，最终得到直径为4.5mm的丝棒材；

步骤四、拉拔和时效处理：对步骤三得到的直径为4.5mm的丝棒材进行多道次的拉拔，拉拔过程中控制道次变形量为12％，当拉拔过程中丝棒材的变形量达到70％时，则在500℃的氩气气氛中进行60min的中间退火，最后在500℃的氩气气氛中处理4h，得到直径为1.2mm的CuCrZrMg系铜合金丝材成品。

本实施例制备的高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材的抗拉强度为835MPa，导电率为82.7％IACS。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Cr 1.5～15.0％，Zr 0.1～2.5％，Mg 0.05～1.0％，余量为铜和不可避免的杂质，所述CuCrZrMg系铜合金丝材的抗拉强度为750MPa～930MPa，电导率为75％IACS～85％IACS。

2.根据权利要求书1所述的一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Cr 7.0～11.5％，Zr 0.5～1.6％，Mg 0.3～0.8％，余量为铜和不可避免的杂质。

3.根据权利要求书2所述的一种高强高导CuCrZrMg系铜合金丝材，其特征在于，由以下质量百分数的成分组成：Cr 8.5％，Zr 1.2％，Mg 0.4％，余量为铜和不可避免的杂质。

4.一种制备如权利要求书1所述的CuCrZrMg系铜合金丝材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，步骤一所述铬片的质量纯度不低于99.9％。

6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，步骤一所述加热炉为真空中频感应熔炼炉，所述坩埚为氧化镁坩埚。

7.根据权利要求4所述方法，其特征在于，步骤一中浇铸铸锭时采用的浇铸模具为钢模，所述钢模的直径为180mm，厚度为45mm，高度为200mm。