CN113718128B

CN113718128B - 一种铜铬锆合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113718128B
Application number: CN202111006272.9A
Authority: CN
Inventors: 刘喆; 张宝; 赵向辉; 瞿福水; 刘关强; 王文龙
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2041-08-30
Also published as: CN113718128A

Abstract

本发明公开了一种铜铬锆合金，其特征在于，该铜铬锆的质量百分比组成为：Cr：0.3～0.5wt％，Zr：0.03～0.05wt％，Ni：0.04～0.08wt％，Si：0.01～0.02wt％，Fe：0.01～0.02wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。本发明在铜合金中添加Cr、Zr、Ni、Si、Fe，并控制各自的添加量，Cr、Zr增强基体强度的同时提高材料的抗高温软化性能，Ni、Si提高基体强度的同时不显著影响基体的导电率，微量的Fe元素细化基体的晶粒，提升材料的强度，各元素相互协同实现铜铬锆合金的导电率为90～95％IACS，硬度为HRB75～78。该强度和导电率既满足大电流的通过，又耐磨损，使用寿命长，适用于铝板电阻点焊行业。

Description

一种铜铬锆合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种铜铬锆合金及其制备方法。

背景技术

铝合金与传统钢材相比，具有密度低、比强度高、耐腐蚀、成形性好和易回收等优点，成为诸多轻量化替代材料中使用最多的材料。

在汽车生产中涉及到不同部件的装配，最为常见的就是电阻点焊。电阻点焊是将不同工件搭接组合后，通过电极施加压力，利用电流通过接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。由于铝合金具有较高的导电率和热导率，所需焊接电流和电极压力一般是传统钢板点焊的3倍和2倍，焊接所必须的大电流引起电极自身的发热量增大，加之高压力容易引起电极软化、磨损，最终导致电极寿命仅为焊接传统钢板时的1/4左右。

目前，实际用于制备电极帽的材料，主要是铬锆铜(C18150)和锆铜(C15000)。C18150 的导电率一般为80％IACS，硬度HRB为80左右，广泛应用在传统钢板焊接领域，但在焊接铝板时，由于电流大、自身电阻较高，容易发热产生软化，导致使用寿命较短。 C15000相比于C18150，导电率可达90％IACS，但其硬度HRB仅有65左右，虽然自身电阻较小，但较低的硬度在焊接时，容易发生磨损，使用寿命也较短。

在可以预期的未来，铝板电阻点焊行业对高使用寿命铜材的需求将不断增加，而目前市场上的材料还不能满足下游客户的需求。因此，开发一款适用于铝板电阻点焊的铜合金棒材已是当务之急。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高硬度和高导电结合的铜铬锆合金。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铜铬锆合金，其特征在于，该铜铬锆的质量百分比组成为：Cr：0.3～0.5wt％，Zr：0.03～0.05wt％，Ni：0.04～0.08wt％， Si：0.01～0.02wt％，Fe：0.01～0.02wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。

纯铜导电率高(＞99％IACS)，但硬度低(硬态HRB45左右)，作为电极材料使用寿命短。如果在纯铜中添加适量的Cr、Zr，比如C18200(Cr：0.6～1.2wt％)、C15000(Zr：0.1～0.2wt％)、C18150(Cr：0.5～1.5wt％，Zr：0.05～0.25wt％)等材料，通过固溶、冷加工和时效处理在铜基体中生成Cr、Cu₃Zr等析出相，导电率可达75～90％IACS，硬度 HRB可达65～80，牺牲部分导电率实现了硬度的提升，但用于焊接铝板的电极材料，使用寿命依然较低。这是因为导电率和硬度呈倒数关系，即导电率高的材料对应的硬度较低，硬度高的材料对应的导电率较低，比如C15000的导电率可达90％IACS，但其硬度 HRB仅有65左右；C18150的硬度HRB可达80左右，但导电率仅为80％IACS。作为焊接铝板的电极材料，首先需具备较高的导电性能，同时具有较高的硬度，才能达到焊接钢板时的使用寿命。

发明人通过研究发现，在铜基体中添加Cr：0.3～0.5wt％，Zr：0.03～0.05wt％，然后通过固溶、冷加工和时效处理可以获得较高的导电率和硬度，相比于C18200(Cr： 0.6～1.2wt％)、C15000(Zr：0.1～0.2wt％)、C18150(Cr：0.5～1.5wt％，Zr：0.05～0.25wt％) 等材料，发明人设计的成分Cr、Zr的含量较低，固溶、冷加工和时效处理后，析出的 Cr、Cu₃Zr数量相对偏低一些，因此对电子的散射能力更低，导电率在95％IACS以上。同时添加微量的Ni：0.04～0.08wt％，Si：0.01～0.02wt％，热处理后可以在基体中生成微量的NiSi相，配合Fe：0.01～0.02wt％产生的细晶和强化作用，材料硬度HRB可达75～78。上述各元素耦合产生的效果，使材料达到了导电率90～95％IACS，硬度HRB75～78的性能，实现了牺牲较少导电率的同时，尽可能的提升了硬度，具备了较高的导电性能和硬度，适宜于制备焊接铝板的电极材料。

作为优选，Cr、Zr的质量添加比为8～15：1；Ni、Si的质量添加比为3～5：1。Cr、 Zr既能提升材料的强度但更主要的作用是提高材料的抗高温软化性能，但Zr对于导电性影响较大，因此，将Cr、Zr的质量添加比控制在8～15。Ni、Si的质量添加比为3～5： 1，该比例可以通过适当热处理使Ni、Si元素以Ni₂Si的形式析出，提升材料硬度，同时避免Ni、Si固溶于铜基体中降低材料的导电率。

作为优选，该铜铬锆合金的晶粒度为0.005～0.020mm。该晶粒度有利于提升材料的强度同时不影响材料的导电。

作为优选，该铜铬锆合金的导电率为90～95％IACS，硬度为HRB75～78。该强度和导电率既满足大电流的通过，又耐磨损，使用寿命长。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铜铬锆合金的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铜铬锆合金的制备方法，其特征在于，工艺流程包括连续铸造→第一次冷变形→再结晶热处理→第二次冷变形→固溶处理→第三次冷变形→时效→成品冷变形。

本发明采用连铸生产可以实现连续化生产，效率高、成材率高、成本低，但连铸材料的微观组织为粗大的柱状晶，晶粒度为0.200mm左右，不适宜加工制备电极产品。固溶前的冷加工和再结晶使粗大的组织破碎，然后形成较为细小的等轴晶，实现成品为细小的晶粒。

作为优选，所述第一次冷变形的变形率为30～40％，所述再结晶热处理的温度控制在800～900℃，保温时间1～5h。

作为优选，所述第二次冷变形的变形率为25～40％，固溶处理的温度控制在 940～980℃，保温时间0.5～1.5h。

作为优选，所述第三次冷变形的变形率为25～35％，时效的温度控制在400～500℃，保温时间1～7h。

作为优选，所述成品冷变形的变形率为5～15％。

为进一步地提升材料硬度，细化材料的组织，作为优选，根据不同的线坯规格，重复第一次冷变形→再结晶热处理的工艺1～3遍。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明在铜合金中添加Cr、Zr、Ni、Si、Fe，并控制各自的添加量，Cr、Zr增强基体强度的同时提高材料的抗高温软化性能，Ni、Si提高基体强度的同时不显著影响基体的导电率，微量的Fe元素细化基体的晶粒，提升材料的强度，各元素相互协同实现铜铬锆合金的导电率为90～95％IACS，硬度为HRB75～78。该强度和导电率既满足大电流的通过，又耐磨损，使用寿命长，适用于铝板电阻点焊行业。

2)本发明铜铬锆合金的工艺流程包括连续铸造→第一次冷变形→再结晶热处理→第二次冷变形→固溶处理→第三次冷变形→时效→成品冷变形。采用连续铸造出铸锭，通过固溶前的冷加工和再结晶使铸锭中粗大的组织破碎，然后形成较为细小的等轴晶，实现成品为细小的晶粒，晶粒度在0.02mm以下，实现连续化生产，效率高、成材率高、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相照片。

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。

本发明提供3个实施例和2个对比例，具体成分见表1。

实施例1

该铜铬锆合金的制备步骤如下：

步骤1：通过连铸方法制得铜合金线坯，线坯直径35mm。

步骤2：第一次冷变形：将步骤1所得铜合金线坯进行36％变形量的拉拔加工；

步骤3：将步骤2冷加工后的线坯进行再结晶退火，温度控制在800℃，保温时间5h；

步骤4：重复步骤2；

步骤5：重复步骤3；

步骤6：第二次冷变形：将步骤5再结晶退火后的线坯进行30％变形量的拉拔加工；

步骤7：将步骤6冷加工后的线坯进行固溶处理，固溶温度控制在940℃，保温时间1.5h；

步骤8：第三次冷变形：将步骤7固溶后的线坯进行30％变形量的冷加工；

步骤9：将步骤8冷加工后的线坯进行时效处理，时效温度控制在450℃，保温时间5h；

步骤10：成品冷变形：将步骤9时效后的线坯进行12％变形量的拉拔加工至成品规格。

实施例2

该铜铬锆合金的制备步骤如下：

步骤1：通过连铸方法制得铜合金线坯，线坯直径30mm。

步骤2：第一次冷变形：将步骤1所得铜合金线坯进行30％变形量的拉拔加工；

步骤3：将步骤2冷加工后的线坯进行再结晶退火，温度控制在900℃，保温时间1h；

步骤4：重复步骤2；

步骤5：重复步骤3；

步骤6：第二次冷变形：将步骤5再结晶退火后的线坯进行36％变形量的拉拔加工；

步骤7：将步骤6冷加工后的线坯进行固溶处理，固溶温度控制在980℃，保温时间0.5h；

步骤8：第三次冷变形：将步骤7固溶后的线坯进行25％变形量的冷加工；

步骤9：将步骤8冷加工后的线坯进行时效处理，时效温度控制在485℃，保温时间3h；

步骤10：成品冷变形：将步骤9时效后的线坯进行7％变形量的拉拔加工至成品规格。

实施例3

该铜铬锆合金的制备步骤如下：

步骤1：通过连铸方法制得铜合金线坯，线坯直径25mm。

步骤3：将步骤2冷加工后的线坯进行再结晶退火，温度控制在840℃，保温时间4h；

步骤4：第二次冷变形：将步骤3再结晶退火后的线坯进行32％变形量的拉拔加工；

步骤5：将步骤4冷加工后的线坯进行固溶处理，固溶温度控制在960℃，保温时间1h；

步骤6：第三次冷变形：将步骤5固溶后的线坯进行32％变形量的冷加工；

步骤7：将步骤6冷加工后的线坯进行时效处理，时效温度控制在500℃，保温时间1h；

步骤8：成品冷变形：将步骤7时效后的线坯进行9％变形量的拉拔加工至成品规格。

测试实施例以及对比例的硬度、导电性能、软化温度及使用寿命。

硬度：按照GB/T 230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》的标准测试。

导电性能：按照GB/T351-2019《金属材料电阻系数测量方法》的标准测试。

软化温度：按照GB/T 33370-2016《铜及铜合金软化温度的测定方法》的标准测试。

电极寿命：为了评价材料用于焊接铝板时的使用寿命，将材料加工成电极帽，在相同的焊接参数下对铝板进行焊接，当焊接强度下降为初始点的80％时作为临界点，以此时计数作为电极寿命。焊接参数为：铝板厚度1mm，焊接时间3s，焊接电流20KA，加载压力5KN。

表1本发明实施例和对比例的成分

表2本发明实施例和对比例材料的性能

Claims

1.一种铜铬锆合金的制备方法，其特征在于，该铜铬锆的质量百分比组成为：Cr：0.3～0.5wt％，Zr：0.03～0.05wt％，Ni：0.04～0.08wt％，Si：0.01～0.02wt％，Fe：0.01～0.02wt％，余量为Cu和不可避免的杂质；工艺流程包括连续铸造→第一次冷变形→再结晶热处理→第二次冷变形→固溶处理→第三次冷变形→时效→成品冷变形；所述第一次冷变形的变形率为30～40％，所述再结晶热处理的温度控制在800～900℃，保温时间1～5h；该铜铬锆合金的导电率为90～95％IACS，硬度为HRB75～78。

2.根据权利要求1所述的铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：Cr、Zr的质量添加比为8～15：1；Ni、Si的质量添加比为3～5：1。

3.根据权利要求1所述的铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：该铜铬锆合金的晶粒度为0.005～0.020mm。

4.根据权利要求1所述的铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：所述第二次冷变形的变形率为25～40％，固溶处理的温度控制在940～980℃，保温时间0.5～1.5h。

5.根据权利要求1所述的铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：所述第三次冷变形的变形率为25～35％，时效的温度控制在400～500℃，保温时间1～7h。

6.根据权利要求1所述的铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：所述成品冷变形的变形率为5～15％。

7.根据权利要求1所述的铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：根据不同的线坯规格，重复第一次冷变形→再结晶热处理的工艺1～3遍。