CN108467966A - 一种铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜合金材料及其方法。该高热稳定性铜合金由以下成分组成：Cr：0.30~0.80 wt.%、Zr：0.04~0.20 wt.%、Ti：0.05~0.15 wt.%、纯铜中所含杂质，余量为Cu。合金的制备方法包括上引连续铸造‑冷拉拔‑固溶‑冷拉拔‑时效‑冷拉拔几个步骤，选择加入微量Cr、Zr对铜合金导电性能影响较小的元素以及对合金强度影响显著的Ti元素。Ti元素的添加与形变热处理结合能够稳定共格析出相，抑制时效过程中bcc‑Cr相的形核，使其始终具有与基体共格析出的fcc‑Cr相的组织特征，可以获得优异的综合性能。在保证略微降低铜合金导电性能的前提下，大幅度提升合金的力学性能，抗拉强度达到630~730 MPa，电导率达到了65~85%IACS，软化温度始终保持在610~660℃。

Description

一种铜合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种通过添加Ti元素配合上引连铸及加工制备高热稳定性铜合金材料的方法，其属于铜合金材料领域。
背景技术
铜合金由于具有优良的力学与电学等性能，例如导电导热性好、耐腐蚀、强度高等，在航空航天、引线框架、高速电气机车导线、电阻焊电极、发电机电枢转子导线、核电热交换器等领域的结构材料、功能材料等方面得到大量的应用。随着现代化科学技术的发展和装备技术水平的提高，对铜合金的性能提出了更加苛刻的要求。其中最重要的就是必须同时具备高强度、高导电、耐高温性能。电子设备的集成化和小型化，要求运用于集成电路固定硅芯片连接内外电路和散热的关键部位的引线框架材料具备良好的导电性、良好的导热性以及加工性能。电气化高速铁路的发展，火车运行速度不断提升，接触线用铜合金必须具备较高的强度以承受较大的悬挂张力，高的导电性以降低电流损耗，好的耐磨性以提高接触导线的使用寿命，以及耐电侵蚀性能。运用于电阻焊接的焊接电极要求铜合金具备高导电率、导热率，接触电阻低，优异的高温稳定性以及一定的抵抗变形能力等。
目前铜合金主要通过微合金化、热处理及塑形变形等手段来提高合金的综合性能。铜铬锆合金是典型的时效强化型合金，具有良好的强度、导电、高温稳定性。市场上用于开关触头的铬锆铜抗高温软化温度约550 ℃，大量的研究表明合金中的共格fcc-Cr相对合金强度、高温稳定性、导电性起决定性作用，但在温度较高时合金中的共格fcc-Cr相易转变为非共格的bcc-Cr相，导致合金综合性能下降，这已不能满足相关行业的发展要求。而Ti元素的添加能够稳定铜铬锆合金中共格fcc-Cr相，抑制时效过程中bcc-Cr相的形核，提升合金的软化温度。
发明内容
本发明的目的提供一种通过添加Ti元素配合上引连铸及加工制备具有稳定共格fcc-Cr相合金的配方及制备方法。进一步提升了铜铬锆合金的软化温度。
本发明提供的一种通过添加Ti元素配合上引连铸及加工制备高热稳定性铜合金材料，由以下成分组成：Cr：0.30~0.80wt.% ；Zr：0.04~0.20wt.% ；Ti：0.05~0.15wt.% ；纯铜中所含杂质、余量为Cu。
作为优选，通过添加Ti元素配合上引连铸及加工制备高热稳定性铜合金材料，由以下成分组成：Cr：0.40~0.60wt.% ；Zr：0.05~0.15wt.% ；Ti：0.05~0.10wt.% ；纯铜中所含杂质、余量为Cu。
本发明所述的过添加Ti元素配合上引连铸及加工制备高热稳定性铜合金材料的方法，包括以下步骤：
(1)上引连铸：根据铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯Cu、足量脱水木炭放入加热炉中，在大气环境下进行熔炼，加热至1200~1250 ℃，用纯铜片包裹Cu-Cr、Cu-Zr中间合金以及纯Ti放入铜液中保温3 min，控制炉内合金溶液温度在1140~1200 ℃，二次添加脱水木炭，降低合金的烧损。然后进行上引连铸制备Φ=13 mm合金杆。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，每道次变形量控制在15~24%，冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，每道次变形量控制在16~22%，冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)所得的最佳综合性能的合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，每道次变形量控制在12~18%，冷拉拔总变形量54.5%。
本发明取得的积极效果为：
(1) 本发明制备的Cu-Cr-Zr-Ti合金杆的熔铸方式是采用中频感应炉对纯铜进行熔炼，以脱水木炭为覆盖剂，随后加入用纯铜片包裹的Cu-10Cr wt.%、Cu- 40Zr wt.%中间合金以及纯Ti，保温3 min后，通过上引连铸方式得到Φ=13 mm的Cu- Cr-Zr-Ti合金杆。通过上引连续铸造可得到组织均匀、表面质量良好的合金杆件，有利于后续的冷加工变形。
(2) 本发明通过Ti元素的添加制备的Cu-Cr-Zr-Ti合金，经过后续的形变热处理，相比普通的铜铬锆合金，软化温度提升了50 ℃以上。APT检测发现Ti原子与析出相的核心Cr原子共存，而Zr原子位于析出相的***。TEM以及HRTEM结果显示未发现bcc-Cr相，只有亚稳态fcc-Cr相保留在基体中，这对合金的综合性能有着良好的作用，特别是高温稳定性。热力学计算发现，Ti原子的存在降低了fcc相的形核能垒，即合金在时效过程中优先形成共格fcc-Cr相，提升合金的软化温度。
(3) 本发明制备的Cu-Cr-Zr-Ti合金经后续形变热处理后，性能参数见表1，由表1可知，本发明制备的Cu-Cr-Zr-Ti合金具有优异的高温稳定性，同时拥有高强度以及较高的导电性能和良好的延伸率。
表1 本发明制备的Cu-Cr-Zr-Ti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 630~730 MPa
导电率 65 ~85 %IACS
延伸率 5%~12%
软化温度 610 ~660 ℃
具体实施方式
实施例1：
(1)上引连铸：根据Cr：0.40 wt.%；Zr：0.05 wt.% ； Ti ：0.05wt.%；余量为铜进行铜合金材料配料，部分纯铜选用1至2mmd 纯铜片，用纯铜片包裹Cu-Cr、Cu-Zr中间合金以及纯Ti；余量纯铜为纯铜片或纯铜粉、纯铜块。先将余量纯Cu、足量脱水木炭放入加热炉中，在大气环境下进行熔炼，加热至1200 ℃，再将包裹Cu-Cr、Cu-Zr中间合金以及纯Ti的纯铜片放入铜液中，控制炉内合金溶液温度在1140 ℃保温3 min，二次添加脱水木炭，进一步降低合金的烧损。然后进行上引连铸制备Φ=13 mm合金杆。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉过程为（Φ=13mm-Φ=12 mm-Φ=10 mm-Φ=9 mm-Φ=8 mm-Φ=7 mm），冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉过程为（Φ=7mm-Φ=6 mm-Φ=5.5 mm-Φ=5 mm-Φ=4.7 mm-Φ=4.45 mm），冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，冷拉过程为（Φ=4.45 mm-Φ=4 mm-Φ=3.6 mm-Φ=3.3 mm-Φ=3.15 mm-Φ=3 mm），冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到635 MPa；导电率达到84 %IACS；延伸率达到11%；软化温度为615 ℃。
实施例2：
(1)与实施例1步骤（1）基本相同，区别为温度加热至1250℃，保温温度为1200℃；合金的配料为Cr：0.40 wt.%；Zr：0.06 wt.% ； Ti ：0.06wt.%；余量为铜以及纯铜材料中不可避免的杂质。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉过程为（Φ=13mm-Φ=12 mm-Φ=10 mm-Φ=9 mm-Φ=8 mm-Φ=7 mm），冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉过程为（Φ=7mm-Φ=6 mm-Φ=5.5 mm-Φ=5 mm-Φ=4.7 mm-Φ=4.45 mm），冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，冷拉过程为（Φ=4.45 mm-Φ=4 mm-Φ=3.6 mm-Φ=3.3 mm-Φ=3.15 mm-Φ=3 mm），冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到650 MPa；导电率达到82 %IACS；延伸率达到10%；软化温度为620 ℃。
实施例3：
(1) 与实施例1步骤（1）相同，区别为合金的配料为Cr：0.50 wt.%；Zr：0.06 wt.% ； Ti：0.08 wt.%；余量为铜以及纯铜材料中不可避免的杂质。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，经5道次冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉过程为（Φ=13 mm-Φ=12 mm-Φ=10 mm-Φ=9 mm-Φ=8 mm-Φ=7 mm），冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，5道次冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉过程为（Φ=7 mm-Φ=6 mm-Φ=5.5 mm-Φ=5 mm-Φ=4.7 mm-Φ=4.45 mm），冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件经5道次冷拉拔至Φ=3mm，冷拉过程为（Φ=4.45 mm-Φ=4 mm-Φ=3.6 mm-Φ=3.3 mm-Φ=3.15 mm-Φ=3 mm），冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到660 MPa；导电率达到78 %IACS；延伸率达到9%；软化温度为630 ℃。
实施例4：
(1) 与实施例1步骤（1）相同，区别为合金的配料为Cr：0.50 wt.%；Zr：0.06 wt.% ； Ti：0.08 wt.%；余量为铜以及纯铜材料中不可避免的杂质。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/120min的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到670 MPa；导电率达到77 %IACS；延伸率达到8%；软化温度为630 ℃。
实施例5：
(1) 与实施例1步骤（1）相同，区别为合金的配料为Cr：0.50 wt.%；Zr：0.10 wt.%；Ti ：0.07 wt.% ；余量为铜以及纯铜材料中不可避免的杂质。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉过程为（Φ=13mm-Φ=12 mm-Φ=10 mm-Φ=9 mm-Φ=8 mm-Φ=7 mm），冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉过程为（Φ=7mm-Φ=6 mm-Φ=5.5 mm-Φ=5 mm-Φ=4.7 mm-Φ=4.45 mm），冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，冷拉过程为（Φ=4.45 mm-Φ=4 mm-Φ=3.6 mm-Φ=3.3 mm-Φ=3.15 mm-Φ=3 mm），冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到690 MPa；导电率达到72 %IACS；延伸率达到6.5%；软化温度为640 ℃。
实施例6：
(1) 与实施例1步骤（1）相同，区别为合金的配料为Cr：0.55 wt.%；Zr：0.08 wt.%；Ti ：0.06 wt.%；余量为铜以及纯铜材料中不可避免的杂质。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉过程为（Φ=13mm-Φ=12 mm-Φ=10 mm-Φ=9 mm-Φ=8 mm-Φ=7 mm），冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉过程为（Φ=7mm-Φ=6 mm-Φ=5.5 mm-Φ=5 mm-Φ=4.7 mm-Φ=4.45 mm），冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，冷拉过程为（Φ=4.45 mm-Φ=4 mm-Φ=3.6 mm-Φ=3.3 mm-Φ=3.15 mm-Φ=3 mm），冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到680 MPa；导电率达到75 %IACS；延伸率达到7%；软化温度为640 ℃。
实施例7：
(1) 与实施例1步骤（1）相同，区别为合金的配料为Cr：0.60 wt.%；Zr：0.12 wt.%；Ti ：0.08 wt.%；余量为铜以及纯铜材料中不可避免的杂质。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉过程为（Φ=13mm-Φ=12 mm-Φ=10 mm-Φ=9 mm-Φ=8 mm-Φ=7 mm），冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉过程为（Φ=7mm-Φ=6 mm-Φ=5.5 mm-Φ=5 mm-Φ=4.7 mm-Φ=4.45 mm），冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，冷拉过程为（Φ=4.45 mm-Φ=4 mm-Φ=3.6 mm-Φ=3.3 mm-Φ=3.15 mm-Φ=3 mm），冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到710 MPa；导电率达到70 %IACS；延伸率达到6%；软化温度为645 ℃。
实施例8：
(1) 与实施例1步骤（1）相同，区别为合金的配料为Cr：0.60 wt.%；Zr：0.15 wt.%；Ti ：0.10 wt.%；余量为铜以及纯铜材料中不可避免的杂质。
(2)冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=7 mm，冷拉过程为（Φ=13mm-Φ=12 mm-Φ=10 mm-Φ=9 mm-Φ=8 mm-Φ=7 mm），冷拉拔总变形量71%。
(3)固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950 ℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗。
(4)冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，冷拉拔至Φ=4.45 mm，冷拉过程为（Φ=7mm-Φ=6 mm-Φ=5.5 mm-Φ=5 mm-Φ=4.7 mm-Φ=4.45 mm），冷拉拔总变形量59.6%。
(5)时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/(10、20、30、60、120、180、240 min)的时效处理。
(6)冷变形：将步骤(5)中450 ℃/120 min所得合金杆件冷拉拔至Φ=3 mm，冷拉过程为（Φ=4.45 mm-Φ=4 mm-Φ=3.6 mm-Φ=3.3 mm-Φ=3.15 mm-Φ=3 mm），冷拉拔总变形量54.5%。
(7)最后得到Cu-Cr-Zr-Ti合金杆材抗拉强度达到725 MPa；导电率达到66 %IACS；延伸率达到5.5%；软化温度为650 ℃。
上述实施例中步骤（1）中熔炼温度应控制在1200-1250℃；保温温度控制在1140-1200℃。步骤（2）、步骤（4）和步骤（6）中不限于5道次拉拔；只需控制每道次的变形量和冷拉拔总变形量符合要求就可以。其中，步骤（2）每道次变形量控制在15~24%，冷拉拔总变形量71%；步骤（4）每道次变形量控制在16~22%，冷拉拔总变形量59.6%；步骤（6）每道次变形量控制在12~18%，冷拉拔总变形量54.5%。
以上具体实例是对本发明所作的进一步详细说明，并不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明提出的合金成分范围及形变热处理工序，可以做适当的成分调整和改善，但都应视为属于本发明所提交权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种铜合金材料，其特征在于，所述铜合金材料由以下成分组成：Cr：0.30~0.80wt.%；Zr：0.04~0.20wt.% ；Ti：0.05~0.15wt.% ；余量为Cu。
2.如权利要求1所述铜合金材料，其特征在于，其合金成分如下：Cr：0.40~0.60wt.% ；Zr：0.05~0.15wt.% ；Ti：0.05~0.15wt.% ；余量为Cu。
3.如权利要求1或2所述铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
上引连铸：根据所述铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯Cu、适量脱水木炭放入加热炉中，加热至1200~1250 ℃，再将Cu-Cr、Cu-Zr中间合金以及纯Ti放入铜液中，控制炉内合金溶液温度在1140~1200 ℃保温3 min；然后进行上引连铸制备Φ=13 mm合金杆；
冷拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件，经多道次冷拉拔至Φ=7 mm，每道次变形量控制在15~24%，冷拉拔总变形量71%；
固溶：将步骤(2)所得的冷变形合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，处理时间1 h，水淬，对所得合金杆进行酸洗；
冷拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件，多道次冷拉拔至Φ=4.45 mm，每道次变形量控制在16~22%，冷拉拔总变形量59.6%；
时效：将步骤(4)所得的合金杆件置于保温炉中进行450 ℃/120的时效处理；
冷变形：将步骤(5)所得的最佳综合性能的合金杆件多道次冷拉拔至Φ=3 mm，每道次变形量控制在12~18%，冷拉拔总变形量54.5%。
4.如权利要求3所述铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中配料时，余量中的铜分为两部分，第一部分为用1-2mm厚度的纯铜片；第二部分为纯铜片、纯铜粉或纯铜块；用1-2mm厚度的纯铜片包裹配料中的Cu-Cr、Cu-Zr中间合金以及纯Ti； 先将第二部分的铜和适量的脱水木炭放入加热炉中，加热至1200~1250 ℃熔炼；再将包裹Cu-Cr、Cu-Zr中间合金以及纯Ti的纯铜片放入铜液，控制炉内合金溶液温度在1140~1200 ℃保温3 min，然后进行上引连铸制备Φ=13 mm合金杆。
5.如权利要求4所述铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中保温时，补充适量的脱水木炭。
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