CN102051501B - 一种高强高导Cu-Ni-Al导体材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备高强度高电导率的Cu-Ni-Al导体材料及制备方法。材料成分的重量百分比Ni为0.1％～3％、Al为0.1％～2％，其余为Cu。先将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000～1200℃下静置除气后向炉内充Ar至50～60kPa，再加入Ni并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经950～1000℃热处理1～2h后淬水冷却，随即进行200～500℃时效处理0.5～12h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％～99％。采用本发明制备的Cu-Ni-Al合金强度可达400～800MPa，电导率可达60％～95％IACS。本合金仅含Cu、Ni和Al三种储量丰富的金属元素，具有明显的价格优势。同时合金性能范围广，可通过调节制备工艺获得多种强度与电导率的匹配，满足各方面应用的实际需求。
Description
技术领域
本发明属Cu合金领域，涉及一种具有高强高导特性的Cu-Ni-Al导体材料及制备方法。
背景技术
科学技术的进步对导体材料性能的要求越来越高。例如，高科技领域中强磁场技术应用的导体线圈和高速电气化铁路使用的牵引线，要求能够承受较高载荷的同时仍具有良好的导电性。常规导体材料已不能胜任，必须开发出兼有高强度和高电导率的新材料来满足此类科学技术领域的发展需要。
然而导体材料的强度和电导率往往是一对矛盾，即提高强度的措施往往以牺牲电导率为代价。因此努力使合金保持高电导率而同时能够显著提高强度，是目前研制新型导体材料的焦点。通过在Cu基体中加入互不相溶的合金元素产生第二相并辅以一定程度的冷变形被认为是制备高强高导材料最有前途的方法之一。属于这一类的代表性合金有Cu-Cr-Zr和Cu-Ag等。其中Cu-Ag合金由于需要用到贵金属Ag，合金成本较高限制其大量应用。Cu-Cr-Zr合金则由于Zr元素过于活泼在熔炼时极易烧损而难于工业化生产。Cu-Ni合金属于另外一类中强高导合金。由于Ni能够在Cu基体中无限固溶无法类似于Cu-Ag合金以产生第二相强化。如果在Cu-Ni基础上添加适量的Al元素，则可能在Cu基体中产生NiAl3金属间化合物粒子。NiAl3金属间化合物粒子具有很高的硬度，当通过适当的制备工艺使得适当尺寸的NiAl3粒子均匀分布在Cu基体中能有效阻碍位错运动，提高合金强度。同时NiAl3具有很高的热稳定性，能显著提高合金的再结晶温度，改善合金高温使用性能。Ni和Al的添加量对于NiAl3含量以及Cu合金中最终相组成有很大影响。过多的Al将使得Cu基体中除了NiAl3还有CuAl化合物，虽然对合金强化有利但将损害电导性能。控制适当比例和适当尺寸的第二相对获得高强高导性质具有决定性作用，然而至今仍无关于高强高导Cu-Ni-Al合金的成分设计以及制备方法的报导。
发明内容
本发明针对前述高强高导材料存在的问题，提供一种仅包含Cu、Ni、Al三种常见金属元素且制备工艺相对简单的Cu-Ni-Al合金及制备方法。
本发明之所以选择在Cu基体中添加Ni和Al元素不仅仅因为Ni和Al元素廉价丰富，而是通过在Cu基体中产生NiAl3析出相粒子，充分发挥NiAl3粒子强化作用提高合金强度，同时通过Al把固溶在Cu基体中的Ni原子“吸”出，避免固溶的Ni原子对合金电导率造成的损害作用。本发明的Cu-Ni-Al合金与已有的Cu-Ag和Cu-5％Cr合金强化思路完全不同，本发明的材料依靠NiAl3粒子强化来提高合金强度，而Cu-Ag和Cu-5％Cr则通过大变形产生纳米纤维实现强化目的。
本发明通过如下步骤实现：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000～1200℃下静置除气后向炉内充Ar至50～60kPa，再加入Ni并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经950～1000℃固溶热处理1～2h后淬水冷却，随即进行200～500℃时效处理0.5～12h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％～99％。
本发明具有的有益效果
本发明所述的Cu-Ni-Al合金仅包含Cu、Ni和Al三种常见金属，材料成本低。同时本发明公开的制备方法所需的加工变形量较小(截面收缩率90％～99％)，远低于Cu-5％Cr等(截面收缩率大于99.9％)，生产周期短，适合大规模工业生产。合金性能范围广，可通过控制成分和制备工艺获得多种强度与电导率匹配。
具体实施方式
实施例1：
成分：0.4％Ni，0.3％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1200℃下静置除气后向炉内充Ar至60kPa，再加入Ni并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经1000℃固溶热处理2h后淬水冷却，随即进行200℃时效处理12h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为99％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为625MPa，根据四点法测得合金室温电导率为86％IACS。
实施例2：
成分：0.1％Ni，0.1％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1200℃下静置除气后向炉内充Ar至50kPa，再加入Ni并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经1000℃固溶热处理1h后淬水冷却，随即进行400℃时效处理6h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为430MPa，根据四点法测得合金室温电导率为94％IACS。
实施例3：
成分：3％Ni，2％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000℃下静置除气后向炉内充Ar至50kPa，再加入Ni并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经950℃固溶热处理2h后淬水冷却，随即进行500℃时效处理0.5h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为795MPa，根据四点法测得合金室温电导率为61％IACS。
实施例4：
成分：1.5％Ni，1.0％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1100℃下静置除气后向炉内充Ar至50kPa，再加入Ni并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经980℃固溶热处理1.5h后淬水冷却，随即进行300℃时效处理1h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为95％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为700MPa，根据四点法测得合金室温电导率为76％IACS。
上述具体实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有高强度高电导率的Cu-Ni-Al合金的制备方法，其特征在于合金成分的重量百分比Ni为0.1％～3％、Al为0.1％～2％，其余为Cu；制备时将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000～1200℃下静置除气后向炉内充Ar至50～60kPa，再加入Ni并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭，铸锭经980～1000℃固溶热处理1～2h后淬水冷却，随即进行200～500℃时效处理0.5～12h，之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％～99％。
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