CN112981170A - 一种冷镦用铬锆铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷镦用铬锆铜合金，其特征在于：该铬锆铜合金的平均晶粒尺寸≤4μm，各晶粒大小的标准偏差≤1/2平均晶粒尺寸。本发明通过控制铬锆铜合金的平均晶粒尺寸≤4μm，各晶粒大小的标准偏差≤1/2平均晶粒尺寸，细小的晶粒尺寸，意味着具有更高的晶界体积分数，由于晶界结构相对比较疏松有利于冷镦时晶粒的移动，提升冷镦性能；此外细小的晶粒尺寸和更均匀的晶粒尺寸有利于提升冷镦产品的光洁度，避免橘皮现象。

Description

一种冷镦用铬锆铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金，具体涉及一种冷镦用铬锆铜合金及其制备方法。

背景技术

应用于电阻焊领域的电极帽、导电嘴等部件的材料，由于处在高温、高电流的环境中，因此要具备优良的高强度、高导电率和抗高温软化性能。同时，由于电极帽等部件一般由冷镦加工成形，所以要求具备优良的冷镦加工性能。冷镦要求材料具备均匀的组织，合适的强度。目前，用于制备电极帽材料的Cu-Cr-Zr棒材，采用的制备工艺为“铸造+铸锭加热+挤压+固溶+拉拔+时效+成品拉拔”，由于固溶后材料的晶粒发生长大，再经后道拉拔加工将导致产品存在中心晶粒大，边部晶粒小组织不均匀的现象，如果大、小晶粒的尺寸和比例控制不当，在冷镦过程中容易出现变形阻力大、变形不规则的问题。

发明专利申请号为CN201910583012.4公布了《一种铜铬锆合金、制备方法及其应用》，该专利称通过添加适量的氧化石墨烯可以细化铸态组织，改善后道加工性能。但氧化石墨烯作为二维材料其密度与铜水相差较大，该专利采用传统的真空熔炼法是难以实现氧化石墨烯在铜基体中均匀分散的，那么氧化石墨烯对铸坯的细化也是不均匀的，得到的产品组织、性能也是难以保证的。最终导致冷镦性能较差，不适宜大规模推广生产。

发明专利申请号为CN201811474100.2公布了《一种铜铬锆合金及其制备方法》，该专利通过添加微量的钪元素来细化组织和改善性能。虽然微量元素可以一定程度上细化晶粒，但依然难以限制固溶过程中晶粒的长大，而后道的冷变形也难以使棒材中心粗大的组织细化到与边部一致。因此，该工艺依然无法得到组织、性能均匀的冷镦用铜合金棒材。

因此，针对现有的铬锆铜合金的微观组织需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种组织细小且均匀的冷镦用铬锆铜合金。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种冷镦用铬锆铜合金，其特征在于：该铬锆铜合金的平均晶粒尺寸≤4μm，各晶粒大小的标准偏差≤1/2平均晶粒尺寸。

作为优选，该铬锆铜合金的硬度为75～85HRB，屈服强度440～520MPa，抗拉强度为480～560MPa，屈服强度与抗拉强度差值≤40MPa，断后延伸率≥15％，导电率75～90％IACS。在铜合金棒材加工为电极帽等产品的过程中，通常是先将棒材进行剪切下料，之后再进行冷镦加工，材料剪切后两端通常存在端口不平、倾斜等不良，导致冷镦时变形不均匀。发明人发现剪切质量除了与材料组织有关外，还与材料的力学性能相关，使材料达到上述性能指标，即合适的硬度、强度和塑性，可以保证剪切端面平整，使冷镦时材料均匀变形。

作为优选，该铬锆铜合金的质量百分比组成为：0.4～1.2wt％的Cr，0.05～0.15wt％的Zr，0.01～0.1wt％的Si，0.01～0.08wt％的Fe，0.01～0.04wt％的Ti，其余为Cu。

Si、Fe、Ti元素能进一步细化晶粒，提升冷镦性能和产品的表面质量。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种冷镦用铬锆铜合金的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种冷镦用铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)铸造：通过上引连铸方法制得合金铸坯；

b)一次拉拔：将合金铸坯进行30～80％变形量的拉拔加工；

c)固溶：将拉拔加工后的线坯进行固溶处理，固溶温度为940～990℃；

d)连续挤压：将固溶处理后的线坯进行连续挤压加工，挤压比为0.5～1.8，挤压速度为2～8m/min；

e)二次拉拔：将连续挤压后的线坯进行20～80％变形量的拉拔；

f)时效处理：将冷加工后的线坯进行时效处理，温度控制在400～500℃，保温时间1～5h；

g)成品拉拔：将时效处理后的线坯进行成品拉拔，变形量为5～20％。

上引铸造制备的铸坯平均晶粒约为800μm，晶粒粗大，通过一次拉拔，可以使粗大的晶粒破碎，然后通过c)固溶，一方面使拉拔加工后的纤维组织发生再结晶，另一方面使拉拔加工硬化的材料软化，降低硬度方便后道进行连续挤压。线坯在连续挤压过程中发生强烈的剪切变形，晶粒在原来基础上进一步发生细化，在此过程中坯料和工装摩擦生热，采用挤压比为0.5～1.8，挤压速度为2～8m/min，可以使挤压坯料快速通过挤压腔体，材料受热时间短避免了晶粒长大，且保证好的表面质量，再经过二次拉拔、时效、成品拉拔，且将工艺参数控制在该范围内最终实现晶粒小且均匀的微观组织。

作为优选，所述一次拉拔变形量为50～80％，拉拔后铜合金线坯的平均晶粒大小≤80μm，晶粒大小的标准偏差≤20μm；所述固溶温度为950～990℃，保温时间10～30min，固溶后线坯的导电率≤46％IACS。大的变形量进一步细化晶粒，铬锆铜是一种析出强化型铜合金，为了达到高强度和高导电率的性能，其首要条件是使Cr、Zr元素尽可能多的固溶于Cu基体中，Cr、Zr在Cu中的固溶度随着固溶温度的升高而增大，而固溶温度太高又将导致晶粒长大，采用上述950～990℃较高的固溶温度和10～30min较短的保温时间，可以保证固溶后导电率不大于46％IACS，达到较好的固溶效果，同时平均晶粒尺寸不大于80μm，晶粒大小的标准偏差不大于20μm，避免了晶粒长大，从而保证最终晶粒组织的控制。

作为优选，所述连续挤压后线坯的平均晶粒大小≤9μm，晶粒大小的标准偏差≤3μm。

作为优选，所述二次拉拔后线坯的平均晶粒大小≤6μm，晶粒大小的标准偏差≤2μm。

作为优选，所述时效处理后铜合金线坯的硬度为70～82HRB，屈服强度400～460MPa，抗拉强度为460～520MPa，导电率78～90％IACS。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)通过控制铬锆铜合金的平均晶粒尺寸≤4μm，各晶粒大小的标准偏差≤1/2平均晶粒尺寸，细小的晶粒尺寸，意味着具有更高的晶界体积分数，由于晶界结构相对比较疏松有利于冷镦时晶粒的移动，提升冷镦性能；此外细小的晶粒尺寸和更均匀的晶粒尺寸有利于提升冷镦产品的光洁度，避免橘皮现象。

2)本发明工艺通过上引连铸方法得到铸坯后直接进行拉拔，然后采用固溶和连续挤压方式得到线坯，可以得到更为均匀细小的晶粒组织，避免了热挤压和固溶工序中造成的晶粒粗大问题，进而减弱了后道拉拔引起的中心和边部晶粒尺寸不均问题，配合合适的拉拔、热处理工艺，使材料具有合适的硬度、强度和塑性，一方面保证了剪切下料后端面的平整，另一方面减小了材料的变形阻力，增大了材料的均匀变形性能能力，对冷镦顺利成型具有积极作用。

3)本发明的铬锆铜合金的硬度为75～85HRB，屈服强度440～520MPa，抗拉强度为480～560MPa，屈服强度与抗拉强度差值≤40MPa，断后延伸率≥15％，导电率75～90％IACS。冷镦压缩率在35％以上，冷镦表面粗糙度在3.5Ra以下，表面光洁，没有橘皮组织，且冷镦变形均匀。

附图说明

图1为本发明实施例1成品的EBSD晶粒图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

铜铬锆的成分为：Cr：0.55wt％，Zr：0.9wt％，其余为Cu和不可避免的杂质；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：上引连铸方法制得铜铬锆合金线坯，直径为30mm；

2)一次拉拔：将直径30mm的线坯拉拔至直径25mm，总变形量30.56％；

3)固溶：将拉拔后的线坯进行960℃固溶，保温30min，保温结束后淬火；

4)连续挤压：将固溶后的线坯进行连续挤压，挤压速度设为3m/min，挤压成直径为30mm的线坯；挤压比为0.69；

5)二次拉拔：将连续挤压后的线坯进行冷拉拔，加工至16mm，总变形量71.56％；

6)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在485℃，保温时间2h，保温时间结束后空冷至室温；

7)酸洗：将时效处理后的线坯进行10min酸洗处理，去除表面氧化皮；

8)成品拉拔：将酸洗后的线坯经拉拔加工至15.5mm，变形量为6.15％。

实施例2

铜铬锆的成分为：Cr：0.85wt％，Zr：0.12wt％，Si：0.04wt％，Fe：0.025wt％，Ti：0.03wt％，其余为Cu和不可避免的杂质；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：上引连铸方法制得铜铬锆合金线坯，直径为35mm；

2)一次拉拔：将直径35mm的线坯拉拔至直径20mm，总变形量67.35％；

3)固溶：将拉拔后的线坯进行940℃固溶，保温60min，保温结束后淬火；

4)连续挤压：将固溶后的线坯进行连续挤压，挤压速度设为4.5m/min，挤压成直径为18mm的线坯；挤压比为1.23；

5)二次拉拔：将连续挤压后的线坯进行冷拉拔，加工至16mm，总变形量20.99％；

6)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在410℃，保温时间4h，保温时间结束后空冷至室温；

7)酸洗：将时效处理后的线坯进行10min酸洗处理，去除表面氧化皮；

8)成品拉拔：将酸洗后的线坯经拉拔加工至15.5mm，变形量为6.15％。

实施例3

铜铬锆的成分为：Cr：0.85wt％，Zr：0.12wt％，Si：0.04wt％，Fe：0.025wt％，Ti：0.03wt％，其余为Cu和不可避免的杂质；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：上引连铸方法制得铜铬锆合金线坯，直径为35mm；

2)一次拉拔：将直径40mm的线坯拉拔至直径18mm，总变形量69.75％；

3)固溶：将拉拔后的线坯进行950℃固溶，保温60min，保温结束后淬火；

4)连续挤压：将固溶后的线坯进行连续挤压，挤压速度设为4.5m/min，挤压成直径为18mm的线坯；挤压比为1；

5)二次拉拔：将连续挤压后的线坯进行冷拉拔，加工至13mm，总变形量47.83％；

6)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在450℃，保温时间3h，保温时间结束后空冷至室温；

7)酸洗：将时效处理后的线坯进行10min酸洗处理，去除表面氧化皮；

8)成品拉拔：将酸洗后的线坯经拉拔加工至12.5mm，变形量为7.54％。

对比例1

铜铬锆的成分为：Cr：0.55wt％，Zr：0.9wt％，其余为Cu和不可避免的杂质；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：上引连铸方法制得铜铬锆合金线坯，直径为30mm；

2)拉拔：将直径30mm的线坯拉拔至直径25mm，总变形量30.56％；

3)固溶：将拉拔后的线坯进行960℃固溶，保温30min，保温结束后淬火；

4)拉拔：将固溶处理后的线坯进行冷拉拔，加工至16mm，总变形量59.04％；

5)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在485℃，保温时间2h，保温时间结束后空冷至室温；

6)酸洗：将时效处理后的线坯进行10min酸洗处理，去除表面氧化皮；

7)成品拉拔：将酸洗后的线坯经拉拔加工至15.5mm，变形量为6.15％。

对比例1相比实施例1缺少了连续挤压工序。

对比例2

铜铬锆的成分为：Cr：0.85wt％，Zr：0.12wt％，其余为Cu和不可避免的杂质；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：水平连铸方法制得铜铬锆合金铸锭，直径为240mm；

2)铸锭加热：将直径240mm的铸锭加热至920℃；

3)挤压：将加热好的铸锭放入挤压机进行挤压，挤压规格为30mm；

4)固溶：将挤压后的线坯进行940℃固溶，保温60min，保温结束后淬火；

5)拉拔：将连续挤压后的线坯进行冷拉拔，加工至16mm；

6)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在410℃，保温时间4h，保温时间结束后空冷至室温；

7)酸洗：将时效处理后的线坯进行10min酸洗处理，去除表面氧化皮；

8)成品拉拔：将酸洗后的线坯经拉拔加工至15.5mm，变形量为6.15％。

对实施例和对比例的微观组织、力学性能以及冷镦性能进行检测。

平均晶粒大小和晶粒大小标准偏差：取垂直于拉拔方向的截面，研磨、抛光后，经配有EBSD***的扫描电镜成像、处理，再经Channel 5软件统计出图片内的各晶粒大小。为了本发明的目的，用10段而确定的各晶粒大小平均值被认为是平均晶粒大小(mGS)，且这些晶粒大小的标准偏差被认为是晶粒大小标准偏差。

冷镦性能：

冷镦压缩率作为评价材料变形阻力的指标，其数值越大说明冷镦性能越好，通过下面方法测得，对于相同规格试样，在室温下沿试样轴向方向施加相同的力，将试样压缩，在达到规定力值停止压缩，试样变形长度与试样原始长度的比值即为冷镦压缩率。

通过粗糙度仪测试冷镦后表面的粗糙度来判断冷镦后样品表面的光洁度。通过观察冷镦后试样形状来判断变形是否均匀。

从表1可以看出，本申请铬锆铜合金的平均晶粒尺寸≤4μm，各晶粒大小的标准偏差≤1/2平均晶粒尺寸，晶粒细小且晶粒均匀，明显优于对比例1和对比例2；屈服强度、抗拉强度的差值控制在40MPa以内，冷镦后，其压缩率、冷镦表面光洁度以及冷镦变形的均匀性都优于对比例1和对比例2。

表1实施例、对比例的微观组织、力学性能以及冷镦性能

Claims (8)

1.一种冷镦用铬锆铜合金，其特征在于：该铬锆铜合金的平均晶粒尺寸≤4μm，各晶粒大小的标准偏差≤1/2平均晶粒尺寸。

2.根据权利要求1所述的冷镦用铬锆铜合金，其特征在于：该铬锆铜合金的硬度为75～85HRB，屈服强度440～520MPa，抗拉强度为480～560MPa，屈服强度与抗拉强度差值≤40MPa，断后延伸率≥15％，导电率75～90％IACS。

3.根据权利要求1所述的冷镦用铬锆铜合金，其特征在于：该铬锆铜合金的质量百分比组成为：0.4～1.2wt％的Cr，0.05～0.15wt％的Zr，0.01～0.1wt％的Si，0.01～0.08wt％的Fe，0.01～0.04wt％的Ti，其余为Cu。

4.一种权利要求1至3任意权利要求所述的冷镦用铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)铸造：通过上引连铸方法制得合金铸坯；

b)一次拉拔：将合金铸坯进行30～80％变形量的拉拔加工；

c)固溶：将拉拔加工后的线坯进行固溶处理，固溶温度为940～990℃；

d)连续挤压：将固溶处理后的线坯进行连续挤压加工，挤压比为0.5～1.8，挤压速度为2～8m/min；

e)二次拉拔：将连续挤压后的线坯进行20～80％变形量的拉拔；

f)时效处理：将冷加工后的线坯进行时效处理，温度控制在400～500℃，保温时间1～5h；

g)成品拉拔：将时效处理后的线坯进行成品拉拔，变形量为5～20％。

5.根据权利要求4所述的冷镦用铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述一次拉拔变形量为50～80％，拉拔后铜合金线坯的平均晶粒大小≤80μm，晶粒大小的标准偏差≤20μm；所述固溶温度为950～990℃，保温时间10～30min，固溶后线坯的导电率≤46％IACS。

6.根据权利要求4所述的冷镦用铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述连续挤压后线坯的平均晶粒大小≤9μm，晶粒大小的标准偏差≤3μm。

7.根据权利要求4所述的冷镦用铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述二次拉拔后线坯的平均晶粒大小≤6μm，晶粒大小的标准偏差≤2μm。

8.根据权利要求4所述的冷镦用铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理后铜合金线坯的硬度为70～82HRB，屈服强度400～460MPa，抗拉强度为460～520MPa，导电率78～90％IACS。

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