CN1098362C - 一种新型的铜基合金及其工艺 - Google Patents
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Abstract
一种铜基合金，其成分为铬0.20-0.80%，锆0.06-0.28%，硼0.02-0.15%，铌和稀土(铈)各含0.02-0.08%，其余为铜；经本发明提供的工艺处理后，其导电率达45MS/m，常温硬度HRB达84-92、软化温度大于620℃；该铜合金批量生产成品率高，适合于用来作为轻合金板、钢板、镀层钢板、不锈钢板和钛合金板的电阻焊电极材料；可取代并优于铬铜、铬铝镁铜、铬锆铜及含有害元素的镉铜、镀钴铜(低镀铜合金)等电阻焊电极材料。
Description
本发明属于一种新型的铜基合金及其工艺，它是通过对铜基合金成分的合理调整和工艺方法的优化使其达到高软化温度，高导电率及高硬度的目的。
在电阻焊领域中应用铬锆铜合金已有多年历史，这种铜合金含铬D.5-1％，锆0.08-0.12％，它具有一定的强度，且导电率也能保持在75％左右(国家标准为75％)。但是在导电率方面，不能完全满足轻合金，特别是铝合金和镀层钢板的点焊、缝焊的要求，在硬度和软化温度方面，它又不能适应不锈钢板、耐热合金、钛合金板材的电阻焊要求，因此有必要进一步改善其性能。为此，国内外纷纷涉是该领域，进行了大量的研究。例如美国专利4049426(1997年9月20日)公开了含铬0.05-1.25％、锆0.05-1.00％、铌0.05-1.15％的铜基合金及其工艺方法，所列性能数据表明该铜基合金的导电率较以前有所提高，但机械性能则仍维持在该发明之前的水平。又例如英国专利652997(1976年1月28日)和苏联专利185068阐明了在铬锆铜中加钒的作用；美国专利4224066通过在铬锆铜中添加适量铁以增加其沉淀硬化过程的可控性。日本佳友轻金属工业公司则采取在纯铜、铬锆铜的基础上，用挤压加真空扩散的方法，在工作端加工出带有铝或铝合金扩散层的电极来(JP58-163586)，使之具有使用寿命长和不易发生熔粘现象的优点，据称特别适宜于作为焊接铝材及镀层钢板的点焊电极，但其工艺复杂、电极制作成本高，而且导电率的提高也不明显。再例如日本专利9-76074(公告日1997年3月25日)阐述了“电阻焊用电极材料和电阻焊用复合电极及其制造方法”，该电阻焊材料的组成成份及重量配比为：铬0.3-1.5、锆0.02-0.22％、银0.01-0.5％、钨0.1-5.0％、其余为铜，其制造方法是：将上述材料的粉末混合后，放入用脱氧铜制或的铜罐中密封起来，采取抽真空排除空气用密封方式制造小坯的烧结方法，烧结完后，用水将小坯挤压出来，再热锻和冷拉伸使之形成芯部材料，将芯部材料插埋入电极体前端部位中央的凹槽(已经切削加工后形成的)内，使之成为一体化的复合电极，这种电极材料和电极的加工工艺相当复杂，制造成本高。
本发明的目的是要在铬锆铜技术的基础上再制造出一种在硬度、导电率、软化温度性能均获得稳定提高的铜基合金，它既具有较高的导电率，也具有较高的常温硬度及高温软化温度。为社会提供一种优质的、多用途的通用于轻合金以及镀层钢板，不锈钢板、耐热钢、钛合金板的点焊及缝焊电极材料，从而取代并优于铬铜、铬铝镁铜、铬锆铜及含有害元素的镉铜、铍钴铜铍(含铍0.2-0.7％、钴2-3％)等电阻焊电极材料。
本发明的另一目的是在于提供一种制造上述铜含金成品的工艺方法，以满足大批量生产降低生产成本的要求。
本发明的目的是通过如下工艺实施方法达到的，即首先采用多元、少量、合金化原则，选择添加元素及它们的成分重量配比和工艺参数。故要首先分析添加的元素能否从固溶体中析出，如能从固溶体中析出，则对合金导电率不良影响将小于单质元素。这就是说金属化合物使合金的导电率下降幅度小，而单质元素使合金的导电率下降幅度大，曾在各类青铜合金中已出现过有关这方面的论述。
本发明的具体做法是在铜中加入下述元素：铬0.20-0.80、锆0.06-0.28％、硼0.02-0.15％、铌和稀土(铈)各0.02-0.08％。同时对铜合金工艺做了较大的改进：1、熔炼含铬10-20％以上的铜中间合金，并以中间合金的形式加入铜中，使铬充分溶解到铜液中，对提高铜合金的塑性变形大有益处；2、设计合理的浇铸模具，该模具应具有如下特点：垂直分型、启合方便、易于排气和迅速散热，并具有合理的热分布，有利于注满型腔，减少铸锭冷隔；模腔尺寸为上大下小，有利于自下而上的顺序凝固，这样便能充分提高自补缩能力，从而使铸锭表面光滑、无气孔、无夹杂，排除了铸锭的实物质量缺陷，便可提高成材率15％左右；3、铸锭热锻后，为固溶处理所需的水池安装在箱式炉底前部，可提高工件落水的温度，其激冷介质为温度低于3℃的冰盐(含盐15％)水，故可获得快速冷却的效果；4、在强塑性冷变形(变形量为55-70％)之后，采用分级等温时效加补充时效处理(400℃×2小时加500℃×3小时，出炉空冷后再加480℃×3小时保温)的方法。
在铬锆铜中添加少量硼的目的，是为了提高合金的硬度，当所加入硼的量低于0.02％时，其合金硬度达不到理想值，若加入量超过0.15％时，便会对合金的导电率产生不良影响。在铬锆铜中添加微量铌，主要是起到细化晶粒，提高强度和耐高温性能的作用，同时也改善了浇铸及加工性能。在铬锆铜中添加微量稀土(铈)或混合稀上，可促使铸态合金品粒细化。提高热塑性和耐热性，改善铜的导电和导热性能。实践证明，本发明合金的最佳成分重量配比为：铬0.25-0.50％、锆0.10-0.16％、硼0.03-0.08％，铌和稀上(铈)各含0.02-0.06％。
将符合本发明所要求的合金元素及重量配比的铜合金铸链再按下述工艺进行加工：热锻后固溶温度800℃×0.5小时，保温再升至980℃×2小时保温，快速出炉投入温度低于3℃的15％的冰盐水中激冷，激冷后进行55-70％的强冷变形，最后进行二级等温时效处理再加补充时效(400℃×2小时加500℃×3小时出炉空冷后再加480℃×3小时补充时效)。因为固溶处理的冷却速度对合金的强化效果也有较大的影响，故当冷却速度较慢时，会减少固溶体中空位浓度，甚至发生固溶分解，从而降低时效强化的效果，因此在低于3℃的冰盐水(含盐15％)中激冷，固溶效果较为理想。盐对水冷却性能之所以产生强烈的影响，主要是由于盐的***作用，使蒸气膜迅速破裂，缩短了膜状沸腾期，有利于热能传递，提高淬透性和均匀性，同时也有利于过饱和固溶体形成；而采用分级等温时效处理，对提高和稳定合金的综合性能具有明显的效果。
实践证明，按本发明提供的铜基合金的组成成分重量配比及其工艺方法所要求而制造的铜合金，其性能参数较以前的铬锆铜有较明显的提高，取得了比较理想的效果，主要包括；
一、主要性能参数：
1、其常温硬度由本发明前的HRB75-80提高到MRB84-92，2、导电率由43MS/m提高到45MS/m，3、软化温度由575℃提高到620℃-650℃。
二、采用含铬10-20％以上的铜中间合金，提高了铜合金塑性变形；合理的浇铸模具，又提高了自补缩能力，明显地提高了铸锭的实物质量，故成材率提高15％左右。
三、由于采用二级等温时效加补充时效处理，明显地抑制了不连续析出现象，而使第二相变得更加弥散、均匀，因此使铜合金综合性能在大批量生产过程中得到有效而稳定的控制。
四、由于本发明的铜基合金组成成分重量配比合理，工艺先进、可靠，成材率高，故生产成本有所降低，经济效益好。
综上所述，按本发明生产的铜基合金，其导电率平均为45MS/m，常温硬度平均为HRB88，软化温度大于620℃，在批量生产过程中其成材率明显提高，由于其综合性能明显优于铬锆铜，故适合用于轻合金板，钢板，镀层钢板，不锈钢板和钛合金板的电阻焊电极材料。
关于本发明的实施例说明如下：
用本发明的方法获取有如实施例参数表所列(3批18炉)组成成分及重量配比的铜合金铸锭，即含铬0.21-0.71％、锆0.08-0.22％、硼0.03-0.134％、铌0.02-0.08％、铈0.02-0.06％，将该铜合金铸锭经下述工序处理，即热锻(反复锻拨一次)→固溶→强冷变形→时效→空冷，所得到的铜合金经检测，具有如下性能：常温硬度HRB84-92，导电率43.5-47MS/m，软化温度620℃-680℃。
本发明实施例参数表
| 实施例 | 组成成分重量(％)配比 | 检测结果 | ||||||||
| 批次 | (炉号) | 铬 | 锆 | 硼 | 铌 | 铈 | HRB | 导电率(MS/m) | 软化温度(℃) | |
| 1 | 21 | 0.21 | 0.13～0.22 | 0.086～0.134 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 84 | 46 | 620 | |
| 22 | 0.23 | 0.13～0.22 | 0.086～0.134 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 84.5 | 46.3 | 620 | ||
| 23 | 0.24 | 0.13～0.22 | 0.086～0.134 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 84.8 | 46.5 | 620 | ||
| 24 | 0.28 | 0.13～0.22 | 0.086～0.134 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 85 | 46.7 | 620 | ||
| 25 | 0.30 | 0.13～0.22 | 0.086～0.134 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 86 | 46.8 | 620 | ||
| 26 | 0.32 | 0.13～0.22 | 0.086～0.134 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 86.2 | 47 | 620 | ||
| 2 | 28 | 0.35 | 0.10～0.17 | 0.05～0.10 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 86.4 | 45 | 650 | |
| 29 | 0.37 | 0.10～0.17 | 0.05～0.10 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 86.5 | 45.2 | 650 | ||
| 30 | 0.40 | 0.10～0.17 | 0.05～0.10 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 87 | 45.5 | 650 | ||
| 31 | 0.42 | 0.10～01.7 | 0.05～0.10 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 87.2 | 45.6 | 650 | ||
| 32 | 0.45 | 0.10～0.17 | 0.05～0.10 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 87.6 | 45.8 | 650 | ||
| 33 | 0.47 | 0.10～0.17 | 0.05～0.10 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 88 | 46 | 650 | ||
| 3 | 40 | 0.52 | 0.08～0.12 | 0.03～0.08 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 88.5 | 45 | 680 | |
| 41 | 0.55 | 0.08～0.12 | 0.03～0.08 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 89 | 44.8 | 680 | ||
| 42 | 0.57 | 0.08～0.12 | 0.03～0.08 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 90 | 44.5 | 680 | ||
| 43 | 0.60 | 0.08～0.12 | 0.03～0.08 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 91 | 44 | 680 | ||
| 44 | 0.65 | 0.0～0.12 | 0.003～0.08 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 91.8 | 43.8 | 68O | ||
| 45 | 0.71 | 0.08～0.12 | 0.03～0.08 | 0.02～0.08 | 0.02～0.06 | 92 | 43.5 | 680 | ||
Claims (3)
1、一种铜基合金，含合金元素成分重量配比为：铬0.20-0.80％、锆0.06-0.28％、其特征在于它还含有合金元素硼、铌和铈，且其含为硼0.02-0.15％、铌和铈各含0.02-0.08％，余量是铜。
2、据权利要求1所述的铜基合金，其特征在于所含合金的重量配比为铬0.25-0.50％、锆0.10-0.16％、硼0.03-0.08％、铌和铈各含0.02-0.06％，其余为铜。
3、一种获得上述铜基合金的工艺方法，其特征在于包括如下工序步骤：即铜基合金铸锭→热锻→分级等温固溶→室温下强塑冷变形→分级等温时效；其主要工艺条件和参数是：先熔炼含铬10-20％的铜中间合金，并以中间合金方式加入铜中熔炼，采用垂直分型铸模，模腔为上大而下小的反冒口模；固溶处理所需的水池安装在箱式炉底前部；激冷介质为温度低于3℃的15％的冰盐水；强塑性冷变形的变形量为55-70％；采用分级等温时效加补充时效处理的方法：即400℃*2小时加500℃*3小时，出炉空冷后再加480℃*3小时保温。
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