CN108359836B - 一种基于亚快速凝固的Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法 - Google Patents

一种基于亚快速凝固的Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于亚快速凝固的Cu‑Cr‑Zr合金薄带的制备方法，包括以下步骤：(1)按设计成分冶炼Cu‑Cr‑Zr合金熔体，成分含Cr 0.5～1.5％，Zr 0.1～0.2％，其余为Cu；(2)浇入中间包，控制过热度为50～100℃，再浇入双辊薄带铸轧机，出辊后水冷；(3)进行多道次冷轧，总压下率85～95％；(4)在350～500℃进行时效处理。由于熔融金属直接就可形成近终形薄带，本发明的方法可省去均匀化退火、热轧等工艺，亚快速凝固提高了Cr在Cu中的固溶度，有效抑制了Cr和Zr的偏析，提高了成材率，成本明显降低，时效后抗拉强度≥567MPa，导电率≥80％IACS，在节能减排、简化工艺和降低生产同时，最终获得综合性能优良的薄带。

Description

一种基于亚快速凝固的Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种基于亚快速凝固的Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，制造业对高性能铜合金的需求越来越大，近年来，我国铜消费量和生产量开始稳居世界第一‘但是，我国铜产业依然处于“大而不强”的处境，加强高强导电铜合金研发的目的就是为电力、电器、机械制造等工业部门提供高性能、低成本的导电铜材。
Cu-Cr-Zr系合金属于典型的时效强化型高强高导铜合金，具有高的强度和良好的导电、导热性能，被广泛应用于高强、高导领域，是目前研制出的唯一能满足超大规模集成电路性能要求的引线框架材料；但目前在制备过程中仍有许多问题：主要是传统流程中Cr和Zr在铜中的溶解度较低，最大固溶度分别为0.65％(1076℃)和0.15％(966℃)，固溶或强化效果有限，而且对设备要求较高；时效过程中强化相的种类、大小、形状难以控制，导致即使同种成分也有很大的性能、组织差异；所以，一种可以实现连续化提高凝固效率、便于后续冷轧/挤压加工的铜坯料制备工艺方法就成为大家开发的重要目标。
发明内容
针对传统工艺流程制备Cu-Cr-Zr合金薄带的不足，本发明提供一种基于亚快速凝固的 Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法，利用薄带铸轧技术的亚快速凝固特点和短流程优势，铸轧出 2.0～3.0mm厚的薄带，省去繁琐的均匀化、热轧、固溶等流程，进一步降低成本，提高综合性能。
本发明的方法包括以下步骤：
(1)按设计成分冶炼Cu-Cr-Zr合金熔体，其成分按质量百分比含Cr 0.5～1.5％，Zr 0.1～0.2％，杂质≤0.05％，其余为Cu；
(2)将熔融Cu-Cr-Zr合金熔体通过浇口进入中间包，控制过热度为50～100℃，中间包预热温度1000～1150℃，再通过中间包浇入双辊薄带铸轧机进行连铸，获得厚度1.0～4.0mm 的铸带，铸带出铸辊后立即进行喷水冷却，控制铸带的冷却速度60～80℃/s，冷却至300～350℃时卷取；
(3)铸带经酸洗和表面处理后多道次冷轧，道次压下率为15～20％，总压下率85～95％，获得冷轧薄带；
(4)将冷轧薄带在350～500℃进行时效处理，时间2～4h，获得Cu-Cr-Zr合金薄带。
上述方法中，步骤(2)的连铸过程中控制液位50～70mm，轧辊转速35～45m/min。
上述方法中，对卷取后的铸带取样进行DSC分析；当分析结果显示没有明显吸热过程时，直接进行步骤(3)；当分析结果显示有吸热峰时，在吸收峰所处温度保温进行固溶处理，时间0.5～1h，水淬冷却至常温，再进行步骤(3)。
上述的Cu-Cr-Zr合金薄带的抗拉强度567～688MPa，电导率81.5～87.8％IACS，硬度 225～270HV。
高性能铜合金材料中板材占比达到50％以上，开发高精度、高表面、超薄(细)化产品加工技术以及短流程、节能降耗铜板带材工艺及装备的开发应用成为近年来发展的大趋势。人们逐渐认识到了增加凝固速度、提高基体过饱和固溶度能带来的巨大技术潜力；快速凝固工艺可以显著增强固溶强化、细晶强化、时效强化等主要强化效果，使导电率和强度得到了双提高，抗软化温度等综合性能也得到了显著提升，充分挖掘了该类合金成分的性能潜力，而且大大缩短了工艺流程，无疑是节能环保、绿色制造理念的最好体现。
(亚)快速凝固，是通过合金熔体的快速冷却或非均质形核的被遏制形成很大起始形核过冷度，或通过快速移动的温度场作用，使合金发生高生长速率而凝固；该方法制备的合金具有以下特征：①晶粒显著细化；②显微偏析明显降低；③形成新的亚稳相结构；④经时效处理后,铜基体中的析出相明显增加,弥散程度增大；在电导率下降不多的情况下,合金的强度得到显著提高,并改善合金的耐磨、耐蚀性能。
以亚快速凝固为特点的双辊薄带铸轧技术，是以转动的两个铸辊为结晶器，将液态铜水直接注入铸辊和侧封板组成的熔池内，由液态铜水直接凝固成形厚度为1～6mm薄带，可不需经过均匀化、热轧等常规生产工序；其工艺特点是液态金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形，在很短的时间内完成从液态金属到固态薄带的全部过程，凝固速度可达 102～104℃/s，大大细化合金的凝固晶粒尺寸，同时抑制合金元素的偏析与析出过程，使得冷轧前铜带，基体成分均匀，组织细化，特殊晶界数量充分，而且强化相处于固溶状态，基体塑性变形顺利；因此，将(亚)快速凝固技术引入高强高导铜合金工艺技术开发中能够很好的解决现有流程中出现的问题，如工艺繁琐、设备要求高、成材率低、成分复杂等，从合金熔炼到成品，简化工艺，综合考虑成分、性能与工艺，严格控制合金在不同状态的组织。
本发明的优点是：
(1)基于常规热轧流程制备Cu-Cr-Zr合金薄带的不足，利用亚快速凝固在该系合金中的应用优势，有效抑制Cr元素的偏析，获得均匀细小的等轴晶，可省去传统工艺中均匀化退火、热轧等工艺，且性能优于常规工艺，简化工艺，降低成本，节约资源；
(2)提出明确铸轧工艺参数控制范围，如过热度、液位高度、铸轧速度、铸后冷却方式，卷取温度，这些环节控制得当，才能获得良好的力学和物理性能；
(3)提出了在亚快速凝固工艺条件下制备Cu-Cr-Zr合金薄带的工艺路线，给出了是否省去固溶的条件；
(4)直接生产出1.0～4.0mm的Cu-Cr-Zr合金铸带，比常规热轧带薄，可经过单阶段冷轧制备极薄带，有效减小冷轧压下量，提高成材率。
附图说明
图1为本发明实施例3的基于亚快速凝固的Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例1获得的铸带显微组织图；
图3为本发明实施例1获得的铸带组织偏析情况图(电子探针)。
具体实施方式
本发明实施例中硬度测试采用的标准为GB/T 4342-1991《金属显微维氏硬度试验方法》；
本发明实施例中电导率测试采用的标准为GB/T 32791-2016《铜及铜合金导电率涡流测试方法》；
本发明实施例中DSC分析采用的设备为同步热分析仪测试***，标准为ASTME793-2001。
本发明实施例中浇注时严格控制浇注温度为1100～1200℃，铸带成形后立即水冷。
实施例1
流程如图1所示，按设计成分冶炼Cu-Cr-Zr合金熔体，其成分按质量百分比含Cr0.5％， Zr 0.15％，杂质≤0.05％，其余为Cu；
将熔融Cu-Cr-Zr合金熔体通过浇口进入中间包，控制过热度为55±5℃，中间包预热温度1000℃，再通过中间包浇入双辊薄带铸轧机进行连铸，获得厚度3.0mm的铸带，铸带出铸辊后立即进行喷水冷却，控制铸带的冷却速度70±5℃/s，冷却至350℃时卷取；连铸过程中控制液位60mm，轧辊转速40m/min；铸带金相组织如图2所示，成分偏析检测(电子探针)如图3所示，由图可见，铸带组织中枝状晶偏析已基本消除，有典型的柱状晶和中心等轴晶区，且这种趋势较普通铸锭减弱很多，在后续热处理中很容易消除；Cr和Zr分布较为均匀，可以省去常规热轧流程中的均匀化退火和热轧过程；
对卷取后的铸带取样进行DSC分析；结果显示没有明显吸热过程时，不进行固溶处理，直接进行下个步骤；
铸带经酸洗和表面处理后多道次冷轧，道次压下率为15～20％，总压下率95％，获得冷轧薄带，厚度0.15mm；
将冷轧薄带在350℃进行时效处理，时间2h，按所述尺寸剪切获得Cu-Cr-Zr合金薄带，其抗拉强度567MPa，电导率87.8％IACS，硬度225HV。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)Cu-Cr-Zr合金熔体，其成分按质量百分比含Cr 0.8％，Zr 0.1％；
(2)控制过热度为60±5℃，中间包预热温度1100℃，铸带厚度1.0mm，铸带出铸辊后冷却速度65±5℃/s，冷却至300℃时卷取；连铸过程中控制液位50mm，轧辊转速35m/min；
(3)冷轧的总压下率85％；冷轧薄带厚度 0.15mm；
(4)时效处理温度400℃，时间4h，Cu-Cr-Zr合金薄带的抗拉强度610MPa，电导率84.5％IACS，硬度240HV。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)Cu-Cr-Zr合金熔体，其成分按质量百分比含Cr 1.0％，Zr 0.2％；
(2)控制过热度为85±5℃，中间包预热温度1150℃，铸带厚度2.0mm，铸带出铸辊后冷却速度75±5℃/s，冷却至320℃时卷取；连铸过程中控制液位70mm，轧辊转速45m/min；
(3)对卷取后的铸带取样进行DSC分析，在970℃有吸热峰，故在970℃固溶处理0.5h，水淬至常温，再次进行DSC分析，结果显示没有明显吸热过程；
(4)冷轧的总压下率90％；冷轧薄带厚度0.2mm；
(5)时效处理温度450℃，时间2h，Cu-Cr-Zr合金薄带的抗拉强度655MPa，电导率82.8％IACS，硬度259HV。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)Cu-Cr-Zr合金熔体，其成分按质量百分比含Cr 1.5％，Zr 0.12％；
(2)控制过热度为95±5℃，中间包预热温度1050℃，铸带厚度4.0mm，铸带出铸辊后冷却速度75℃/s，冷却至330℃时卷取；连铸过程中控制液位55mm，轧辊转速40m/min；
(3)对卷取后的铸带取样进行DSC分析，在980℃有吸热峰，故在980℃固溶处理0.5h，水淬至常温，再次进行DSC分析，结果显示没有明显吸热过程；
(3)冷轧的总压下率95％；冷轧薄带厚度0.2mm；
(4)时效处理温度500℃，时间3h，Cu-Cr-Zr合金薄带的抗拉强度688MPa，电导率81.5％IACS，硬度270HV。

Claims (2)

1.一种基于亚快速凝固的Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）按设计成分冶炼Cu-Cr-Zr合金熔体，其成分按质量百分比含Cr 0.5~1.5%，Zr 0.1~0.2%，杂质≤0.05%，其余为Cu；
（2）将熔融Cu-Cr-Zr合金熔体通过浇口进入中间包，控制过热度为50~100℃，中间包预热温度1000~1150℃，再通过中间包浇入双辊薄带铸轧机进行连铸，获得厚度1.0~4.0mm的铸带，铸带出铸辊后立即进行喷水冷却，控制铸带的冷却速度60~80℃/s，冷却至300~350℃时卷取；连铸过程中控制液位50~70mm，轧辊转速35~45m/min；
（3）铸带经酸洗和表面处理后多道次冷轧，道次压下率为15~20%，总压下率85~95%，获得冷轧薄带；
（4）将冷轧薄带在350~500℃进行时效处理，时间2~4h，获得Cu-Cr-Zr合金薄带；Cu-Cr-Zr合金薄带的抗拉强度567~688MPa，电导率81.5~87.8％IACS，硬度225~270HV。
2.根据权利要求1所述的一种基于亚快速凝固的Cu-Cr-Zr合金薄带的制备方法，其特征在于对卷取后的铸带取样进行DSC分析；当分析结果显示没有明显吸热过程时，直接进行步骤（3）；当分析结果显示有吸热峰时，在吸热峰所处温度保温进行固溶处理，时间0.5~1h，水淬冷却至常温，再进行步骤（3）。
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