CN102400007A - 一种增强共晶强化的Cu-Ag合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种增强共晶强化的Cu-Ag合金制备方法，其中Ag含量按重量百分比为15%～30%，余量为Cu。该方法采用磁场下定向凝固控制Cu-Ag合金凝固过程中共晶体的分布、体积分数等，增强共晶强化作用，获得低形变下的高强度Cu-Ag合金。通过实施以上发明内容，制备的Cu-Ag合金导电率为75～85%IACS、抗拉强度为750～1050MPa，比现有技术制备的相同Ag含量Cu-Ag合金在相同减面率时的强度提高5～10%。

Description

一种增强共晶强化的Cu-Ag合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，具体涉及一种增强共晶强化的Cu-Ag合金及其制备方法。 
背景技术
Cu-Ag合金是一种高强度、高导电率的结构功能材料，广泛应用于大规模集成电路引线框架和高频磁场绕组线圈及其它电力、电子、冶金和机械等国民经济发展的重要领域，为国家高科技综合竞争力的关键性结构功能材料。随着更高脉冲强磁体的设计研发，对作为中心绕组导线的Cu-Ag合金性能提出更高的要求。但由于Cu、Ag两元素均为面心立方结构，大塑性变形时强化作用有限，因此，提高Cu-Ag合金的强度是研究的重点。
Cu-Ag合金为典型的二元共晶合金系，大变形时强化机制主要为固溶强化、析出强化、晶界强化、加工硬化和共晶体强化。申请号为CN200810059076.6的中国发明专利公开了一种改善Cu-Ag合金性能的固溶时效工艺，利用了Cu-Ag合金大变形时的固溶强化和析出强化作用；申请号为CN200810060775.2和CN200710069099.0的中国发明专利分别公开了一种配合Cu-Ag合金冷拉拔加工的固溶及时效处理方法和一种双相纤维织构强度的应变控制方法，目的是提高Cu-Ag合金大变形时的晶界强化、加工硬化等强化作用效果。申请号为CN201010563335.6的中国发明专利公开了一种利用磁场制备原位形变Cu-Ag复合材料的方法，在Cu-Ag合金凝固过程中施加稳恒磁场或交流磁场，获得较优的铸态Cu-Ag合金。虽然有大量的文献研究中(Acta Materialia, 2003, 51: 767-780; Acta Materialia, 2011, 59: 2783-2796.)都提及共晶体的强化作用，并指出Cu-Ag合金的强度由下式决定：σ Cu-Ag=(1-f E) σ Matrix+f E σ Eutectic，其中，f E为共晶体体积分数，σ Cu-Ag、σ Matrix、σ Eutectic分别为Cu-Ag合金、基体及共晶体的强度；但并没有具体地利用共晶体强化增强Cu-Ag合金性能的技术报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种增强共晶强化的Cu-Ag合金及其制备方法。
本发明的增强共晶强化的Cu-Ag合金其组分按重量百分比为Ag:15%～30%，余量为Cu; 该增强共晶强化的Cu-Ag合金导电率为75～85%IACS、抗拉强度为750～1050 MPa；采用磁场下定向凝固控制Cu-Ag合金凝固过程中共晶体的分布、取向等，增强共晶强化作用，获得低形变下的高强度Cu-Ag合金，比无磁场定向凝固制备的等Ag含量的Cu-Ag合金共晶体体积分数增加5%～30%，共晶层片间距降低20%～50%。
本发明的一种增强共晶强化的Cu-Ag合金制备方法，按如下步骤进行：
(1) 以纯度≥99.9wt%的电解铜和纯度≥99.9wt%的Ag为原料，Ag按重量百分比为15%～30%，余量为Cu，在真空感应熔炼炉中浇铸或熔炼工艺制备铸态Cu-Ag合金；
(2) 将制备的铸态Cu-Ag合金，切割和酸洗后置于定向凝固炉中，在0.01～20 T磁场作用下，加热至1050～1100℃，保温1～2小时后，以5～50℃/mm的温度梯度和0.01～10mm/s的抽拉速率制备Cu-Ag定向凝固合金；
(3) 将制备的Cu-Ag定向凝固合金进行减面率为75%～99%的室温大塑性变形获得增强共晶强化的Cu-Ag合金;
所述的中铸态Cu-Ag合金的制备是采用真空感应熔炼炉在0.25～0.75标准大气压和氩气保护下在铜模中浇铸而成，或采用电阻加热炉结合淬火制备而成;
所述的步骤（2）中将铸态Cu-Ag合金切割成定向凝固炉所需样品尺寸，酸洗采用浓度为4～6%的稀盐酸或稀硝酸，去除铸态合金表面的氧化皮;
所述的对制备的Cu-Ag定向凝固合金进行大塑性变形是采用拉拔或轧制。
本发明的有益效果是： 
以定向凝固单向冷却效果，影响亚共晶Cu-Ag合金凝固时初生Cu枝晶的取向，控制在发生共晶转变时共晶体的初始取向关系；施加磁场后，磁场与Cu-Ag合金导电熔体间交互作用形成的热电磁对流会影响溶质分布及凝固界面前沿稳定性等，通过调整磁场的强度、方向等作用方式，可以控制Cu-Ag亚共晶合金中共晶相体积分数、共晶层片间距等，制备获得共晶体体积分数增加5%～30%，共晶层片间距降低20%～50%的Cu-Ag合金，比现有技术制备的相同Ag含量Cu-Ag合金在相同减面率时的强度提高5～10%。
附图说明
图1是实施例1有、无磁场定向凝固时Cu-Ag合金的微观组织,其中（a）中磁场强度为0T，(b)中磁场强度为 0.1T；
图2是实施例1有、无磁场凝固时Cu-Ag合金的微观组织及共晶体体积分数和层片间距变化规律，其中(a) 是磁场强度为0T时的合金微观组织; (b)是磁场强度为12T的合金微观组织; (c) 为共晶体体积分数对比; (d)为共晶体层片间距对比；
图3是实施例2中Cu-Ag合金的应力-应变曲线。
具体实施方式
本发明实施例中采用型号为TG100A-25的真空感应熔炼炉；
本发明实施例中采用型号为YGZC-100×1.0T的直流稳恒磁体；
本发明实施例采用JMTD-12T100超导磁体；
本发明实施例中采用JSD-20T52超导磁体；
本发明实施例中采用VHT-II型真空热处理炉；
本发明实施例中采用SANS-CMT5105电子万能试验机进行应力—应变曲线测试并获得抗拉强度；
本发明实施例中采用ZY9858 型数字微欧计测量室温电阻并根据国际退火铜标准换算为相对导电率，即%IACS。
实施例1：
将99.97wt%的Cu （牌号为TU1）与99.9wt%的电解Ag按85:15配比，在真空感应炉中加热熔炼，在0.5标准大气压,氩气保护下浇铸在铜模中获得母合金，采用线切割机将母合金切割成直径6mm高度150mm，并采用4wt%稀盐酸酸洗处理后，放置于布里奇曼定向凝固炉中，定向凝固炉放置在直流稳恒磁体中，调整样品的底部初始位置位于磁体均一区内，在0.01 T磁场作用下，加热至1100℃，保温2小时后，以50℃/mm的温度梯度和0.5mm/s的抽拉速率制备获得Cu-Ag定向凝固合金（微观组织见附图1），进行减面率为75%的室温拉拔大塑性变形获得导电率为85%IACS、抗拉强度为750 MPa的Cu-Ag复合材料。
实施例2：
将99.9wt%的电解Cu与99.99wt%的金属Ag按75:25配比，在真空感应炉中加热熔炼，在0.25标准大气压氩气保护下浇铸在铜模中获得母合金，采用线切割机将母合金切割成直径为10mm高度为120mm的样品，采用5wt%稀硝酸酸洗处理后，放置于冷坩埚定向凝固炉中，定向凝固炉放置在超导磁体中，调整样品的底部初始位置位于磁体均一区内，在12 T磁场作用下，加热至1080℃，保温1小时后，以10℃/mm的温度梯度和10mm/s的抽拉速率制备获得Cu-Ag定向凝固合金（微观组织及共晶体参数定量分析见附图2），进行减面率为99%的室温拉拔大塑性变形获得导电率为80%IACS、抗拉强度为1050 MPa的Cu-Ag复合材料（应力-应变曲线见附图3）。
实施例3：
将99.9wt%的电解Cu与99.99wt%的金属Ag按70:30配比，在真空电阻炉中加热到1100℃，保温1小时后淬油获得母合金，采用线切割机将母合金切割成直径为8mm高度为160mm的样品，采用6wt%稀硝酸酸洗处理后，放置于布里奇曼定向凝固炉，定向凝固炉放置在超导磁体中，调整样品的底部初始位置位于磁体均一区内，在20 T磁场作用下，加热至1050℃，保温1.5小时后，以5℃/mm的温度梯度和0.01mm/s的抽拉速率制备获得Cu-Ag定向凝固合金，进行减面率为90%的室温轧制大塑性变形获得导电率为75%IACS、抗拉强度为825 MPa的复合材料。

Claims (5)

1.一种增强共晶强化的Cu-Ag合金，其特征在于，合金中Ag含量按重量百分比为15%～30%，余量为Cu，其导电率为75～85%IACS、抗拉强度为750～1050 MPa。
2.根据权利要求1所述的一种增强共晶强化的Cu-Ag合金的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(1) 以纯度≥99.9wt%的电解铜和纯度≥99.9wt%的Ag为原料，Ag按重量百分比为15%～30%，余量为Cu，在真空感应熔炼炉中浇铸或熔炼工艺制备铸态Cu-Ag合金；
(2) 将制备的铸态Cu-Ag合金，切割和酸洗后置于定向凝固炉中，在0.01～20 T磁场作用下，加热至1050～1100℃，保温1～2小时后，以5～50℃/mm的温度梯度和0.01～10mm/s的抽拉速率制备Cu-Ag定向凝固合金；
(3) 将制备的Cu-Ag定向凝固合金进行减面率为75%～99%的室温大塑性变形获得增强共晶强化的Cu-Ag合金。
3.根据权利要求2所述的一种增强共晶强化的Cu-Ag合金的制备方法，其特征在于所述的中铸态Cu-Ag合金的制备是采用真空感应熔炼炉在0.25～0.75标准大气压和氩气保护下在铜模中浇铸而成，或采用电阻加热炉结合淬火制备而成。
4.根据权利要求2所述的一种增强共晶强化的Cu-Ag合金的制备方法，其特征在于所述的步骤（2）中将铸态Cu-Ag合金切割成定向凝固炉所需样品尺寸，酸洗采用浓度为4～6%的稀盐酸或稀硝酸，去除铸态合金表面的氧化皮。
5.根据权利要求2所述的一种增强共晶强化的Cu-Ag合金的制备方法，其特征在于所述的对制备的Cu-Ag定向凝固合金进行大塑性变形是采用拉拔或轧制。
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