CN101265536A

CN101265536A - 高强高导铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN101265536A
Application number: CNA2007100643538A
Authority: CN
Inventors: 李华清; 谢水生; 米绪军
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2008-09-17

Abstract

本发明涉及一种高强高导电铜合金材料及其制备方法。材料成分为0.65～1.2wt.％Cr，0,065～0.12wt.％Zr，0.01～0.05wt.％Mg以及含量为0.01～0.03wt.％的稀土元素，其余为铜。经过热挤、固溶、冷拔、时效、冷拔等处理工艺，得到抗拉强度＞600MPa，硬度＞170Hv，延伸率＞8％，导电率＞80％IACS，软化温度＞550℃的铜合金。合金可应用于热沉材料、高强度导线、接触线以及电阻焊电极材料等。

Description

高强高导铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金材料及其制备方法，特别是高强高导电铜合金材料及其制备方法。

技术背景

铜及其合金具有良好的导电导热性能，因而在电力、电子、能源、通讯、交通等行业具有广泛的应用。

现代工业的快速发展，以及节能降耗、稳定、高效和设备小型化的目的，相关行业对高强高导铜合金综合性能的要求不断提高。

CuCrZr系合金是应用比较广泛的高强高导电合金，其中以ASTM标准的C18150最为普遍。研究表明，传统CuCrZr合金的性能可以通过合金成分优化和适当的加工工艺得到进一步提高。表1列举了部分商用及先进CuCrZr合金的性能参数。

表1部分Cu-Cr-(X)合金牌号、成分及主要性能

就目前的数据来看传统的加工CuCrZr合金综合性能匹配不能达到理想的状态，即抗拉强度600MPa以上，导电率80％IACS以上，当综合性能接近上述性能指标时，塑性大幅度降低，延伸率通常＜4％。

专利申请查新结果表明，高强高导铜合金中，CuCrZr系以外的合金导电率指标普遍不够理想，CuCrZr系合金的相关专利专利也大量涌现。

日本三菱伸铜株式会社2004年申请的专利CN 1683578A涉及的铜合金，旨在强调加工率较大(90％以上)的情况下，获得一定的织构组分的加工技术；美国奥林公司1993年申请的专利，国内授权公开号C1101081A，公开了两种性能的高强高导电铜合金，其中一种具有90％IACS的导电率但是强度较低，另一种含有Cr、Zr、Fe、Ti、Co等合金元素，导电率和强度分别为75％IACS和570MPa；

国内申请的相关专利包括如下。昆明贵金属研究所2003年申请的(公开号：CN 1488770A)专利涉及一种CuCrZr稀土合金，但是采用快速凝固方法制备坯料。专利CN 1422968A涉及一种CuCrZrBe合金，指标分别为抗拉强度500～550MPa，导电率75％IACS；专利CN 1417357A涉及一种CuCrZr稀土合金，性能分别为抗拉强度＞600MPa，导电率＜70％和抗拉强度550MPa，导电率80％IACS，并且延伸率均为5％左右。专利CN 1384215A涉及一种CuZrMg稀土铜合金，性能指标为抗拉强度420MPa，导电率82％IACS。专利CN 1229857A涉及一种CuCrZrMg稀土合金的铸造工艺。专利CN 1180757A涉及一种CuCrZrMg合金，其抗拉强度较低。专利CN 1160771A涉及一种析出强化CuCrZrMg稀土铜合金，其抗拉强度＜400MPa。

综上所述，上述国内外相关专利未涉及到或者详尽描述本专利提出的具有良好综合性能匹配的高强高导铜合金及其制备方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种高强高导铜合金及其制备方法，通过调整合金元素的含量和比例以及合理的加工工艺，得到同时具备高强度(＞600MPa)和电导率(＞80％IACS)，并且具有较高塑性(＞8％)和软化温度(＞550℃)的铜合金。

为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种高强度高导铜合金，其特征在于，该铜合金配方成分范围如下：0.65～1.2wt.％Cr，0.065～0.12wt.％Zr，其中Cr与Zr的重量比为8～12，以及0.01～0.05wt.％Mg和0.01～0.03wt.％的稀土元素，其中，稀土元素为Y、Ce和混合稀土中的一种，混合稀土为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc和Y中的两种或两种以上的混合物，其余为铜。

在本发明的高强度高导铜合金中，其合金的化学成分的作用机理如下：

Cr：0.65～12wt.％

Cr在CuCr二元合金共晶温度下的固溶度约为0.65wt.％，随着温度降低，溶解度迅速下降，室温状态下溶解度下降到、0.03wt.％以下。细小弥散析出的Cr相，是主要的强化相，因此适当增加Cr含量有助于提高合金的强度，同时由于固溶度很低，合金的导电率仍然保持较高的水平。另外1％左右的Cr有助于细化合金的晶粒度。为此，确定Cr含量按照重量计在0.65～1.2％之间。

Zr：0.065～0.12wt.％

Zr元素可以有效提高铜合金的再结晶温度，CuCr合金中添加Zr元素后，合金的软化温度提高，避免了500℃以下时效处理的过时效问题。但是Zr含量较高时，容易造成微观组织粗化，所以要适当降低Zr与Cr的质量比例。为此，确定Cr与Zr的质量比为8～12。

Mg：0.01～0.05wt.％

Mg与Cr、Zr形成细小弥散分布的化合物析出相，强化效果显著。另外Mg非常活泼，适量添加具有除氧、净化熔体的效用。但是由于Mg在Cu中的固溶度比较高，对电导率影响较大。为此，确定Mg的添加量为0.01～0.05wt.％。

稀土元素：0.01～0.03wt.％

稀土元素具有较强的活性，与O的结合力远大于Cu与O的结合力，因此，添加微量稀土元素可以有效去除各种原因带入熔体的残余O，并与P、S等元素形成稳定的化合物，从而净化容体。稀土元素具有细化晶粒、促进析出相弥散分布的作用，因此适量添加稀土元素高合金的软化温度，对合金导电率影响不大，在一定的添加范围内，会提高Cu合金的导电率。因此，确定稀土添加量为0.01～0.03wt.％.稀土元素选择Y、Ce或者混合稀土，其中添加Y对合金性能的优化效果更佳，因此，所述的稀土元素优选为Y。混合稀土为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc和Y中的两种或两种以上的混合物，它们之间的混合比例是任意的，在混合稀土中，稀土元素的混合比例优选为等重量比例。

一种制备本发明的高强度高导铜合金的制造方法，该制造方法包括下列加工步骤：

(1)按照上述的铜合金配方成分备料，铜合金配方成分中的合金元素以中间合金或者纯元素形式为原料；

(2)合金采用真空熔炼，合金元素添加顺序依次为：先添加铜，铜熔化后，添加Cr，熔炼20～40分钟后；通入保护气氛，然后在保护气氛中，添加Zr、Mg和稀土，待合金熔体降温到1200±50℃后，浇注造成合金铸锭；

(3)将合金铸锭加热至800～1000℃，保温0.5～1h，然后热挤或轧制成棒坯；

(4)将合金坯料加热，在固溶温度为900～1000℃条件下，保温0.5～2h后，水淬处理；

(5)将棒坯冷拔加工，变形量为20～40％；

(6)将冷拔加工后的合金在450～550℃保温2～4h；

(7)合金经时效处理后，终拔成形，加工率45～65％。

在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(1)中，Cr和Zr优选是以纯元素形式为原料，Cr和Zr纯元素分别为颗粒状或片状，颗粒状直径或者片状厚度分别＜3mm。

在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(4)中，根据合金成分不同，固溶温度优选为950～980℃。

在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(2)中，采用真空熔炼的真空度为0.1Pa。

在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(2)中，所述的保护气氛优选为Ar气，压强为50～100Pa。

本发明的优点是：按照本发明提供的合金成分及工艺制作的合金，具有良好的综合机械性能和导电性能。其抗拉强度＞600MPa，硬度＞170Hv，延伸率＞8％，导电率＞80％IACS，软化温度＞550℃。本发明的高强高导铜合金可在高速电气化列车接触线中应用。

具体实施方式

实施例1

按照表2的实施例1的合金成分范围及下述的加工制备工艺，做作铜合金，其中，“稀土”为Y。实施例1的实测性能见表3。

(1)、应用真空感应电炉，真空度为0.1Pa，将电解铜板在坩锅中熔化后，添加Cr。熔炼30分钟后添加Mg，Zr，稀土，并通入Ar气保护，压强为90Pa。缓慢降低熔体温度至1200±50℃时，进行浇注。

(2)、将合金铸锭加热至900℃，保温1h，然后热挤或热轧成棒坯；

(3)、将合金坯料加热到930℃，保温2h后，水淬处理。

(4)、将棒坯冷轧或冷拔加工，变形量控制为30％；

(5)、合金在450℃保温4h，以获得充分的析出相，并释放变形能，恢复塑性；

(6)、合金经过时效处理后，终拔成形，加工率50％。

实施例2

按照表2的实施例2的合金成分范围及下述的加工制备工艺，做作铜合金，其中，“稀土”为混合稀土，混合稀土为La、Ce，他们的混合的重量比为1∶1。实施例2的实测性能见表3。

(1)、应用真空感应电炉，真空度为0.1Pa，将电解铜板在坩锅中熔化后，添加Cr。熔炼30分钟后添加Mg，Zr，稀土，并通入Ar气保护，压强为80Pa。缓慢降低熔体温度至1200±50℃时，进行浇注。

(2)、将合金铸锭加热至980℃，保温0.5h，然后热挤或热轧成棒坯；

(3)、将合金坯料加热到980℃，保温0.5h后，水淬处理；

(4)、将棒坯冷轧或冷拔加工，变形量控制为35％；

(5)、合金在550℃保温4h，以获得充分的析出相，并释放变形能，恢复塑性；

(6)、合金经过时效处理后，终拔成形，加工率45％。

表2

表3

实施例1、2得到的铜合金均具有良好的综合机械性能和导电性能，其强度＞600Mpa；电导率＞80％IACS；塑性＞8％；软化温度＞550℃。

Claims

1. 一种高强度高导铜合金，其特征在于，该铜合金配方成分范围如下：0.65～1.2wt.％Cr，0.065～0.12wt.％Zr，其中Cr与Zr的重量比为8～12，以及0.01～0.05wt.％Mg和0.01～0.03wt.％的稀土元素，其中，稀土元素为Y、Ce和混合稀土中的一种，混合稀土为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc和Y中的两种或两种以上的混合物，其余为铜。

2. 根据权利要求1所述的高强度高导铜合金，其特征在于，所述的稀土元素为Y。

3. 制备权利要求1所述的高强度高导铜合金的制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列加工步骤：

(1)按照权利要求1所述的铜合金配方成分备料，铜合金配方成分中的合金元素以中间合金或者纯元素形式为原料；

(5)将棒坯冷拔加工，变形量为20～40％；

(6)将冷拔加工后的合金在450～550℃保温2～4h；

(7)合金经时效处理后，终拔成形，加工率45～65％。

4. 根据权利要求3所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，Cr和Zr是以纯元素形式为原料，Cr和Zr纯元素分别为颗粒状或片状，颗粒状直径或者片状厚度分别＜3mm。

5. 根据权利要求3或4所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在于，在所述的步骤(4)中，固溶温度为950～980℃。

6. 根据权利要求5所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，采用真空熔炼的真空度为0.1Pa。

7. 根据权利要求6所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，所述的保护气氛为Ar气，压强为50～100Pa。