CN110747364A - 一种高强高导耐热的铜铬系合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金及制备方法，该高强高导耐热的铜铬系合金含有Y2O3、Al2O3、Cr、Tm2O3、La2O3和铜，该铜铬系合金中，通过Y2O3、Tm2O3、La2O3复配产生的协同作用，以及各元素含量的合理搭配，得到了一种无须添加贵金属的高强高导耐热的铜合金，降低了材料成本，其在室温下抗拉强度大于700MPa，导电率高于85％IACS，相比同类合金，各步骤熔炼所需的温度更低，进一步节省了能耗，且将其用于连铸结晶器铜管时，使用寿命高于普通紫铜管2.5倍。
Description
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，具体涉及一种高强高导耐热的铜铬系合金及制备方法。
背景技术
高强高导耐热的铜合金因具有优良的物理和力学综合性能，被广泛应用于大规模集成电路引线框架，电气工程开关触桥，连铸机结晶器内衬，高脉冲磁场导体，大功率异步牵引电动机转子和电气化铁路接触导线等。
CN107794402A公开了一种高强高导铜合金线材，该高强高导铜合金线材含有Ag、Au，余量为铜，制备该高强高导铜合金线材的方法为：先制备铜合金，将铜、银、金放入真空熔炼炉中，在真空环境下将三种金属熔化并保温，然后真空冷却，再制备铜合金杆，将制备好的合金放入真空连铸炉中进行真空连铸，连铸成铜合金杆，然后拉丝，将制备好的铜合金杆进行单方向拉丝，虽然该制备工艺易于操作、可行、适用于中小批量高强高导铜合金线材的生产，虽然该高强高导铜合金线材在大幅提高抗拉强的同时保证了很高的导电率，延伸性非常好极易拉细，可拉制成0.03mm的极细线，而且有很好的耐屈曲性和耐温性，然而，其中使用的银和金价格昂贵，该高强高导铜合金的成本太高。CN105936983B公开了一种高强高导铜合金材料，该高强高导铜合金由Cr、Be、Ni、Si、Zn、Ag和Cu组成，该铜合金材料在成分设计上，选择加入低含量时对铜合金导电能力影响很小的合金元素，在保证铜合金基体导电性能前提下，综合考虑铜合金固溶强化和时效硬化等因素，有利于合金相晶粒细化，保证在不降低铜合金材料导电性能的情况下，大幅度提高铜合金力学性能，有效地解决了高强高导铜合金基体强度与导电率矛盾的问题，同时，还具有优良的耐高温性能，热稳定性好，但是，该合金中加入了Ag，大幅增加了材料的成本。CN106978546B公开了一种复合强化高强高导铜合金及其制备方法，该合金由以下构成：Cr、选自Ag、In中的至少一种元素、以及选自La、Ce、Y中的至少一种元素，余量为Cu和不可避免的杂质元素。该发明的复合强化高强高导铜合金通过复合强化高强高导铜合金的成分优化，可以得到高强度、高导电、高抗软化温度的铜合金框架带材或合金线材，可以满足集成电路用框架材料和接触线、合金线等高强高导线材的使用需求，然而，该合金中同样不可避免的加入了Ag，造成成本高昂。CN106591610B公开了一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，该发明以气雾化Cu-Ag-Zr合金粉末为原材料，通过放电等离子烧结得到了成分、组织均匀，晶粒细小，强度高、导电导热性能优良的成品，该发明利用等离子烧结快速成形特点以及气雾化合金粉末快速凝固组织特点，通过各参数的协同作用，实现粉末烧结与第二相均匀析出，使合金的强度和电导率均得到有效提高。同时，该发明所设计的工艺简单，制备周期短、所得成品质量优良。
综上，现有的高强高导耐热的铜合金中不可避免的添加了贵金属如Ag和Au等，增加了材料的成本，限制了高强高导耐热的铜合金的广泛应用。因此，仍需通过新的方法开发高强高导耐热的铜合金。
发明内容
为解决现有技术中，高强高导耐热的铜合金中不可避免的添加了贵金属如Ag和Au等，材料成本过高的问题，本发明的目的之一是提供一种高强高导耐热的铜铬系合金。
本发明的目的之二是提供上述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法。
一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.5～1.0％，
Al2O30.1～0.3％，
Cr0.1～0.3％，
Tm2O3 0.1～0.5％，
La2O3 0.1～0.5％，
余量为铜。
上述铜铬系合金中，通过Y2O3、Tm2O3、La2O3复配产生的协同作用，以及各元素含量的合理搭配，得到了一种无须添加贵金属的高强高导耐热的铜合金，降低了材料成本。
上述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，步骤包括：
S1：将Cu-Al合金粉末与氧化剂混匀后，在氧气气氛下进行第一次热处理，得到第一合金粉末；
S2：将所述第一合金粉末在氢气气氛下进行第二次热处理，得到第二合金粉末；
S3：将所述第二合金粉末、Y2O3、Tm2O3和La2O3加入熔化后的Cu-Cr合金中，冷却后得到合金坯锭；
S4：将所述合金坯锭加热后水封挤压并时效处理，即得所述高强高导耐热的铜铬系合金。
优选地，所述Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为(20～30)：1。
进一步优选地，所述Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为25：1。
优选地，所述第一次热处理的温度为650～750℃。
进一步优选地，所述第一次热处理的温度为700℃。
优选地，所述第一次热处理的时间为4～6h。
进一步优选地，所述第一次热处理的时间为5h。
优选地，所述第二次热处理的温度为750～800℃。
优选地，所述第二次热处理的时间为2～4h。
优选地，步骤S4所述加热的温度为700～800℃。
优选地，所述时效处理的温度为300～350℃。
优选地，所述时效处理的时间为1～2h。
步骤S1中，Cu-Al合金粉末可以从市场购买得到，也可以将Cu和Al熔炼后气雾化得到。氧化剂为Cu2O，氧化剂可以从市场购买得到，也可以自行制备。自行制备的方法为：
从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。
本发明的有益效果
1、本发明实施例的高强高导耐热的铜铬系合金，通过稀土氧化物的复配，得到了一种无须添加银和金等贵金属的高强高导耐热的铜合金，降低了材料成本；
2、本发明实施例的高强高导耐热的铜铬系合金，室温下抗拉强度大于700MPa，导电率高于85％IACS，具有良好的耐热性能；
3、本发明实施例提供的高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，相比同类合金，各步骤熔炼所需的温度更低，进一步节省了能耗。
具体实施方式
本发明实施例的高强高导耐热的铜铬系合金，其中含有稀土氧化物Y2O3、Tm2O3、La2O3，通过复配产生的协同作用，以及各元素含量的合理搭配，得到了一种无须添加贵金属的高强高导耐热的铜合金，降低了材料成本。
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
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.5％，
Al2O30.1％，
Cr0.1％，
Tm2O3 0.1％，
La2O3 0.1％，
余量为铜。
实施例2
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O31.0％，
Al2O30.3％，
Cr0.3％，
Tm2O3 0.5％，
La2O3 0.5％，
余量为铜。
实施例3
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.75％，
Al2O30.2％，
Cr0.2％，
Tm2O3 0.3％，
La2O3 0.3％，
余量为铜。
实施例4
本例提供了氧化剂Cu2O的制备方法，具体为：
从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。
实施例5
本例提供了高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，步骤包括：
S1：将Cu-Al合金粉末与氧化剂混匀后，在氧气气氛下进行第一次热处理，得到第一合金粉末；
S2：将所述第一合金粉末在氢气气氛下进行第二次热处理，得到第二合金粉末；
S3：将所述第二合金粉末、Y2O3、Tm2O3和La2O3加入熔化后的Cu-Cr合金中，冷却后得到合金坯锭；
S4：将所述合金坯锭加热后水封挤压并时效处理，即得所述高强高导耐热的铜铬系合金。
其中，Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为(20～30)：1，优选25：1。
第一次热处理的温度为650～750℃，优选700℃。
第一次热处理的时间为4～6h，优选5h。
第二次热处理的温度为750～800℃，优选770℃。
第二次热处理的时间为2～4h，优选3h。
步骤S4加热的温度为700～800℃，优选750℃。
时效处理的温度为300～350℃，优选330℃。
时效处理的时间为1～2，优选1.5h。
对比例1
本例提供了一种的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.75％，
Al2O30.2％，
Cr0.2％，
La2O3 0.3％，
余量为铜。
对比例2
本例提供了一种铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.75％，
Al2O30.2％，
Cr0.2％，
Tm2O3 0.3％，
余量为铜。
对比例3
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Al2O30.2％，
Cr0.2％，
Tm2O3 0.3％，
La2O3 0.3％，
余量为铜。
对比例4
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.3％，
Al2O30.2％，
Cr0.2％，
Tm2O3 0.3％，
La2O3 0.3％，
余量为铜。
对比例5
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.75％，
Al2O30.2％，
Cr0.2％，
Tm2O3 0.05％，
La2O3 0.3％，
余量为铜。
对比例6
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.75％，
Al2O30.2％，
Cr0.2％，
Tm2O3 0.3％，
La2O3 0.05％，
余量为铜。
试验例1
本例实际制备了一种高强高导耐热的铜铬系合金，该合金中包括Y2O30.75％，Al2O30.2％，Cr0.2％，Tm2O3 0.3％，La2O3 0.3％，余量为铜。
具体的制备步骤包括：
S1：将Cu-Al合金粉末与Cu2O混匀后，在氧气气氛下进行第一次热处理，得到第一合金粉末；
S2：将所述第一合金粉末在氢气气氛下进行第二次热处理，得到第二合金粉末；
S3：将所述第二合金粉末、Y2O3、Tm2O3和La2O3加入熔化后的Cu-Cr合金中，冷却后得到合金坯锭；
S4：将所述合金坯锭加热后水封挤压并时效处理，即得所述高强高导耐热的铜铬系合金。
其中，Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为25：1。
第一次热处理的温度为700℃。
第一次热处理的时间为5h。
第二次热处理的温度为770℃。
第二次热处理的时间为3h。
步骤S4加热的温度为750℃。
时效处理的温度为330℃。
试验例2
本例实际制备了一种高强高导耐热的铜铬系合金，该合金中包括Y2O30.75％，Al2O30.2％，Cr0.2％，La2O3 0.3％，余量为铜。
具体的制备步骤包括：
S1：将Cu-Al合金粉末与Cu2O混匀后，在氧气气氛下进行第一次热处理，得到第一合金粉末；
S2：将所述第一合金粉末在氢气气氛下进行第二次热处理，得到第二合金粉末；
S3：将所述第二合金粉末、Y2O3、Tm2O3和La2O3加入熔化后的Cu-Cr合金中，冷却后得到合金坯锭；
S4：将所述合金坯锭加热后水封挤压并时效处理，即得所述高强高导耐热的铜铬系合金。
其中，Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为25：1。
第一次热处理的温度为700℃。
第一次热处理的时间为5h。
第二次热处理的温度为770℃。
第二次热处理的时间为3h。
步骤S4加热的温度为750℃。
时效处理的温度为330℃。
试验例3
本例实际制备了一种高强高导耐热的铜铬系合金，该合金中包括Y2O30.75％，Al2O30.2％，Cr0.2％，Tm2O3 0.3％，La2O3 0.05％，余量为铜。
具体的制备步骤包括：
S1：将Cu-Al合金粉末与Cu2O混匀后，在氧气气氛下进行第一次热处理，得到第一合金粉末；
S2：将所述第一合金粉末在氢气气氛下进行第二次热处理，得到第二合金粉末；
S3：将所述第二合金粉末、Y2O3、Tm2O3和La2O3加入熔化后的Cu-Cr合金中，冷却后得到合金坯锭；
S4：将所述合金坯锭加热后水封挤压并时效处理，即得所述高强高导耐热的铜铬系合金。
其中，Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为25：1。
第一次热处理的温度为700℃。
第一次热处理的时间为5h。
第二次热处理的温度为770℃。
第二次热处理的时间为3h。
步骤S4加热的温度为750℃。
时效处理的温度为330℃。
检测例1
将试验例1～3制备的铜铬系合金进行了性能测试，结果如表1所示。
表1性能测试结果
检测例2
将试验例1～3制备的铜铬系合金分别加工成三种连铸结晶器铜管。测试了三种连铸结晶器铜管的使用寿命，其中使用试验例1的铜铬系合金制备的铜管相比于普通紫铜管，使用寿命提高了2.5倍；使用试验例2的铜铬系合金制备的铜管相比于普通紫铜管，使用寿命提高了1.2倍；使用试验例3的铜铬系合金制备的铜管相比于普通紫铜管，使用寿命提高了0.5倍。说明本发明实施例提供的铜铬系合金，具有良好的耐热性能。
Claims (10)
1.一种高强高导耐热的铜铬系合金，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：
Y2O30.5～1.0％，
Al2O30.1～0.3％，
Cr0.1～0.3％，
Tm2O3 0.1～0.5％，
La2O3 0.1～0.5％，
余量为铜。
2.根据权利要求1所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，步骤包括：
S1：将Cu-Al合金粉末与氧化剂混匀后，在氧气气氛下进行第一次热处理，得到第一合金粉末；
S2：将所述第一合金粉末在氢气气氛下进行第二次热处理，得到第二合金粉末；
S3：将所述第二合金粉末、Y2O3、Tm2O3和La2O3加入熔化后的Cu-Cr合金中，冷却后得到合金坯锭；
S4：将所述合金坯锭加热后水封挤压并时效处理，即得所述高强高导耐热的铜铬系合金。
3.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，所述Cu-Al合金粉末与氧化剂的质量比为(20～30)：1。
4.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，所述第一次热处理的温度为650～750℃。
5.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，所述第一次热处理的时间为4～6h。
6.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，所述第二次热处理的温度为750～800℃。
7.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，所述第二次热处理的时间为2～4h。
8.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，步骤S4所述加热的温度为700～800℃。
9.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为300～350℃。
10.根据权利要求2所述高强高导耐热的铜铬系合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理的时间为1～2h。
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