CN109576529A - 高性能弥散铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能弥散铜合金，其中包含质量百分比计的Al2O30.04～0.9％，Cr0.1～1.0％，余量为铜，本发明还提供了上述高性能弥散铜合金的制备方法。本发明提供的高性能弥散铜合金，同时具有较高的导电率和强度，采用本发明提供的制备方法，通过成分的调控，可获得目前综合性能最优的导电率高于80％IACS、强度高于800MPa的“双80铜合金”。

Description

高性能弥散铜合金及其制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及高性能弥散铜合金及其制备方法。
背景技术
Al2O3纳米弥散强化铜合金是一种具有优良综合物理性能和力学性能的新型结构功能材料，它兼具高强度、高导电性能和良好的抗高温软化性能。弥散强化铜合金常见的制备方法包括：机械混合法、共沉淀法、硝酸盐熔融法、内氧化法等。目前采用内氧化技术制备Al2O3纳米弥散强化铜合金是最为有效的制备方法。
内氧化法的具体过程是先将成分合适的Cu-Al合金熔炼后，气(水)体雾化喷粉，再与适量的氧化剂混合，在密闭容器中加热进行内氧化，溶质元素Al被表面扩散渗入的氧优先氧化生成Al2O3，随后将复合粉末在氢气中还原，除去残余的Cu2O(CuAlO2)，然后将粉末包套、抽真空、挤压或热锻成形。CN104911383B公开了一种制备Al2O3弥散强化铜合金的方法，该发明以CuAl合金粉和Cu2O粉为原料，按比例混合均匀，先在氮气气氛中进行内氧化，经破碎、过筛后在氢气中进行还原，制备Al2O3弥散铜合金粉末，然后高速压制合金粉末成压坯，最后将压坯直接置于热等静压炉内，进行热等静压，得到Al2O3弥散强化铜合金，该发明采用高速压制成形获得高致密度的压坯，无需对压坯进行包套即直接进行热等静压，工艺过程简单，适合于批量生产。CN1291049C公开了一种弥散强化铜合金，该弥散强化铜合金中铝的含量为0.05～0.6％，余量为铜，用氮气或高压水雾化制取的铜-铝合金粉末经过混料、冷等静压、热处理等步骤制备得到，该铜合金兼具良好的导电、导热性能。
然而，在内氧化法制备的过程中，如果Al未能充分的从铜基体中以Al2O3粒子的形式充分析出，则合金的强度和导电率都会受到影响，现有技术中，内氧化法制备弥散强铜合金的Al含量不能超过1.1wt％，否则内氧化不能充分进行，对应Al2O3纳米弥散强化铜合金的最高强度一般不超过620MPa，导电率75％IACS左右。
综上，虽然Al2O3纳米弥散强化铜合金具有高强度、高导电性能和良好的抗高温软化性能的潜力，然而现有的弥散铜合金，尚无法满足3C、IT、AI、超高压输变电、航空航天和高速轨道交通领域对铜合金材料同时具有高强度和高导电率的要求。
发明内容
为解决现有技术中，现有的弥散铜合金无法达到双80铜合金性能的问题，本发明的目的之一是提供一种高性能弥散铜合金。
本发明的目的之二是提供上述铜合金的制备方法。
为实现上木目的，本发明采用以下技术方案：
高性能弥散铜合金，包括以下质量百分比计的组分：
Al2O3 0.04～0.9％，
Cr 0.1～1.0％，
余量为铜。
优选地，包括以下质量百分比计的组分：
Al2O3 0.13～0.6％，
Cr 0.2～0.4％，
余量为铜。
上述高性能弥散铜合金的制备方法，步骤包括：
(1)分别将Cu-Al、Cu-Cr熔炼后气雾化，得到Cu-Al合金粉末和Cu-Cr合金粉末；
(2)将步骤(1)得到的Cu-Al合金粉末与氧化剂混匀后进行内氧化处理，得到内氧化合金粉末；
(3)将步骤(2)得到的内氧化合金粉末破碎后还原，得到Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末；
(4)将步骤(1)得到的Cu-Cr合金粉末与步骤(3)得到的Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末混匀后冷等静压得到圆锭；
(5)将步骤(4)的圆锭纯铜包套成型后进行时效处理。
优选地，所述Cu-Al合金粉末和Cu-Cr合金粉末的粒径小于40目。
优选地，所述氧化剂包括Cu2O。
进一步优选地，所述氧化剂为Cu2O和Al2O3的混合物，所述氧化剂中Cu2O的质量百分比含量为99.1～99.98％。
氧化剂的制备方法为：
从步骤(1)的Cu-Al合金粉末中筛分出粒径为200目的粉末，在空气中将粉末加热至200～300℃，使粉末表面均匀氧化形成CuO，然后再将粉末置于密闭容器中，氮气气氛下850℃加热1.5h即得该氧化剂。850℃高温加热的目的之一是使Al完全氧化成Al2O3，目的之二是将CuO分解为分解压较大的Cu2O。氧化剂中的成分主要为Cu2O，Cu2O的质量百分比含量为99.1～99.98％，仅余少量Cu和Al2O3。
优选地，步骤(2)中所述Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为1：(0.002～0.06)。
优选地，所述内氧化处理的温度为800～900℃，内氧化处理的时间为4～8h。
优选地，所述还原在氢气氛围下进行，所述还原的温度为800～900℃，所述还原的时间为4～8h。
优选地，所述时效的温度为400～500℃，所述时效的时间为1～3h。
步骤(1)中，Cu-Al和Cu-Cr中的各元素配比应满足本发明高性能弥散铜合金的要求。
Cu-Al合金熔炼的温度优选1200～1230℃，Cu-Cr熔炼的温度优选1280～1320℃，气雾化采用高纯氮气。
步骤(3)中，内氧化合金粉末破碎后的粒径小于50目。
步骤(5)中，纯铜包套在氩气室进行，纯铜包套后先水封热挤压，水封热挤压的温度为900～920℃，挤压比大于15:1，然后冷拉或旋锻变形60～75％，得到棒材，再将棒材进行时效。
Cu-Cr合金是一种典型的析出强化型合金，因其高强度和高电导率，在集成电路引线框架、高铁接触线、高端连接器、精密接插件等领域有广阔的使用前景。高温下可以固溶在基体中的铬元素含量有0.8wt％，而室温下固溶度仅0.03％，因此时效过程中将出现析出现象，合金强度、电导率快速上升。然而二元铜铬合金时效析出相热稳定性差，析出相极易长大，从而产生过时效，软化温度低，极大限制了该合金在高端制造业领域的大规模使用。同时由于Cr在铜中固溶度的限制，因此Cr含量超过0.8wt％后，会以铜铬金属间化合物的形式出现，导致脆性增大，强度一般在600MPa左右，可通过强变形使其强度进一步增加，但强度的增加会导致伸长率显著降低。如果在铜铬系合金的基础上，通过合金化提高其强度，其电导率会显著降低，强度达800MPa左右时，电导率均低于65％IACS。因此，由于Al2O3纳米弥散强化铜合金和Cu-Cr合金各自所存在的问题，因此无法制备出满足3C、IT、AI、超高压输变电，航空航天和高速轨道交通领域所急需的，导电率高于80％IACS、强度高于800MPa的铜合金。
本发明的有益效果
在内氧化法制备的过程中，如果Al未能充分的从铜基体中以Al2O3粒子的形式充分析出，则合金的强度和导电率都会受到影响，现有技术中，内氧化法制备弥散强铜合金的Al含量不能超过1.1wt％，否则内氧化不能充分进行，对应Al2O3纳米弥散强化铜合金的最高强度一般不超过620MPa，导电率75％IACS左右。
Cu-Cr合金是一种典型的析出强化型合金，高温下有0.8wt％的铬元素可以固溶在基体中，但室温下固溶度仅0.03％，因此时效过程中将出现析出现象，合金强度、电导率快速上升。由于Cr在铜中固溶度的限制，因此Cr含量超过0.8wt％后，会以铜铬金属间化合物的形式出现，脆性增大，强度一般在600MPa左右，虽然可通过强变形使其强度进一步增加，但伸长率显著降低。也可通过在铜铬系合金的基础上通过合金化提高其强度，但电导率会显著降低，因此现有技术无法做出满足3C、IT、AI、超高压输变电，航空航天和高速轨道交通领域所急需的导电率和强度高于800MPa的铜合金。
本发明中，通过内氧化获得纳米Al2O3粒子，冷变形后通过时效析出纳米级Cr相，一方面，不仅可以实现纳米级Al2O3粒子和Cr相的奥罗万强化；其次，冷变形时已经存在的纳米级Al2O3粒子，可以阻碍时效析出纳米级Cr相的再结晶，从而使合金还保留加工硬化和亚结构强化；第三，虽然时效时再结晶过程被抑制，但是冷加工过程中形成的残余应力得以消除，从而实现了合金的高塑性，导电率也得到显著提升。本发明提供的高性能弥散铜合金，同时具有较高的导电率和强度。
采用本发明所提供的制备方法，通过成分的调控可获得目前综合性能最优的导电率高于80％IACS、强度高于800MPa的“双80铜合金”(即同时满足条件导电率高于80％IACS、强度高于800MPa的铜合金)。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本例提供了一种高性能弥散铜合金的配比，包括以下质量百分比计的组分：
Al2O3 0.13％，Cr 0.2％，铜99.67％。
实施例2
本例提供了另一种高性能弥散铜合金的配比，包括以下质量百分比计的组分：
Al2O3 0.6％，Cr0.4％，铜99％。
实施例3
本例提供了高性能弥散铜合金的制备方法，步骤包括：
(1)分别将Cu-Al、Cu-Cr熔炼后气雾化，得到Cu-Al合金粉末和Cu-Cr合金粉末；
(2)将步骤(1)得到的Cu-Al合金粉末与氧化剂混匀后进行内氧化处理，得到内氧化合金粉末；
(3)将步骤(2)得到的内氧化合金粉末破碎后还原，得到Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末；
(4)将步骤(1)得到的Cu-Cr合金粉末与步骤(3)得到的Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末混匀后冷等静压得到圆锭；
(5)将步骤(4)的圆锭纯铜包套成型后进行时效处理。
其中，Cu-Al合金粉末和Cu-Cr合金粉末的粒径小于40目。
步骤(2)中，Cu-Al合金粉末与氧化剂的比例为1：(0.002～0.06)，氧化剂为Cu2O。
氧化剂的制备方法为：
从步骤(1)的Cu-Al合金粉末中筛分出粒径为200目的粉末，在空气中将粉末加热至200～300℃，使粉末表面均匀氧化形成CuO，然后再将粉末置于密闭容器中，氮气气氛下850℃加热1.5h即得该氧化剂。850℃高温加热的目的之一是使Al完全氧化成Al2O3，目的之二是将CuO分解为分解压较大的Cu2O。氧化剂中的成分主要为Cu2O，Cu2O的质量百分比含量为99.1～99.98％，仅余少量Cu和Al2O3。
内氧化处理的温度为800～900℃，内氧化处理的时间为4～8h。
还原在氢气氛围下进行，还原的温度为800～900℃，还原的时间为4～8h。
时效的温度为400～500℃，时效的时间为1～3h。
步骤(1)中，Cu-Al和Cu-Cr中的各元素配比应满足本发明高性能弥散铜合金的要求。
Cu-Al合金熔炼的温度优选1200～1230℃，Cu-Cr熔炼的温度优选1280～1320℃，气雾化采用高纯氮气。
步骤(3)中，内氧化合金粉末破碎后的粒径小于50目。
步骤(5)中，纯铜包套在氩气室进行，纯铜包套后先水封热挤压，水封热挤压的温度为900～920℃，挤压比大于15:1，然后冷拉或旋锻变形60～75％，得到棒材，再将棒材进行时效。
实施例4
本例制备了高性能弥散铜合金A，具体情况如下：
将Al含量为0.5wt％的Cu-Al合金在1210℃下进行熔炼，采用高纯氮气雾化制备、筛分出粒径小于40目的合金粉末，将其与氧化剂混合后，在900℃进行内氧化处理6h后得到内氧化合金粉末，将粉末破碎后900℃氢气还原6h得到Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末。
Cu-0.7wt％Cr合金在1300℃下进行熔炼，进行高纯氮气雾化制备Cu-Cr合金粉末。
将上述50％的Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末与50％的Cu-Cr合金粉末混合，冷等静压，氩气室纯铜包套，910℃水封热挤压，挤压比20：1，冷旋锻变形65％，在450℃时效2小时，得到高性能弥散铜合金A。
实施例5
本例制备了高性能弥散铜合金B，具体情况如下：
将Al含量为0.3wt％的Cu-Al合金在1210℃下进行熔炼，采用高纯氮气雾化制备、筛分出粒径小于40目的合金粉末，将其与氧化剂混合后，在900℃进行内氧化处理6h后得到内氧化合金粉末，将粉末破碎后900℃氢气还原6h得到Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末。
Cu-0.6wt％Cr合金在1300℃下进行熔炼，进行高纯氮气雾化制备Cu-Cr合金粉末。
将上述50％的Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末与50％的Cu-Cr合金粉末混合，冷等静压，氩气室纯铜包套，910℃水封热挤压，挤压比20：1，冷旋锻变形70％；在450℃时效2h，得到高性能弥散铜合金B。
实施例6
本例制备了高性能弥散铜合金C，具体情况如下：
将Al含量为0.6wt％的Cu-Al合金在1210℃下进行熔炼，采用高纯氮气雾化制备、筛分出粒径小于40目的合金粉末，将其与氧化剂混合后，在900℃进行内氧化处理8h后得到内氧化合金粉末，将粉末破碎后900℃氢气还原8h得到Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末。
Cu-0.8wt％Cr合金在1320℃下进行熔炼，进行高纯氮气雾化制备Cu-Cr合金粉末。
将上述50％的Cu-Al2O3合金粉末与50％的Cu-Cr合金粉末混合，冷等静压，氩气室纯铜包套，910℃水封热挤压，挤压比20：1，冷旋锻变形60％；在450℃时效2h，得到高性能弥散铜合金C。
检测例
对实施例4～6制备的高性能弥散铜合金材料进行了性能测试，结果如表1所示。
表1 性能测试结果

Claims (9)

1.高性能弥散铜合金，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：
Al2O3 0.04～0.9％，
Cr 0.1～1.0％，
余量为铜。
2.根据权利要求1所述的高性能弥散铜合金，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：
Al2O3 0.13～0.6％，
Cr 0.2～0.4％，
余量为铜。
3.根据权利要求1或2任一项所述高性能弥散铜合金的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)分别将Cu-Al、Cu-Cr熔炼后气雾化，得到Cu-Al合金粉末和Cu-Cr合金粉末；
(2)将步骤(1)得到的Cu-Al合金粉末与氧化剂混匀后进行内氧化处理，得到内氧化合金粉末；
(3)将步骤(2)得到的内氧化合金粉末破碎后还原，得到Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末；
(4)将步骤(1)得到的Cu-Cr合金粉末与步骤(3)得到的Cu-Al2O3弥散强化铜合金粉末混匀后冷等静压得到圆锭；
(5)将步骤(4)的圆锭纯铜包套成型后进行时效处理。
4.根据权利要求3所述高性能弥散铜合金的制备方法，其特征在于，所述Cu-Al合金粉末和Cu-Cr合金粉末的粒径小于40目。
5.根据权利要求3所述高性能弥散铜合金的制备方法，其特征在于，所述氧化剂包括Cu2O。
6.根据权利要求3所述高性能弥散铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为1：(0.002～0.06)。
7.根据权利要求3所述高性能弥散铜合金的制备方法，其特征在于，所述内氧化处理的温度为800～900℃，内氧化处理的时间为4～8h。
8.根据权利要求3所述高性能弥散铜合金的制备方法，其特征在于，所述还原在氢气氛围下进行，所述还原的温度为800～900℃，所述还原的时间为4～8h。
9.根据权利要求3所述高性能弥散铜合金的制备方法，其特征在于，所述时效的温度为400～500℃，所述时效的时间为1～3h。
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