CN102534291A - 一种高强高导CuCrZr合金及其制备和加工方法 - Google Patents

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黄国杰
肖翔鹏
谢水生
程磊
米绪军
付垚
熊柏青
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Abstract

本发明涉及到一种高强高导CuCrZr合金及其制备和加工方法，该合金按照质量百分比，其基础成分为：Cr：0.3％～1.4％，Zr：0.02％～0.25％，其余为Cu，所述铜合金中的成分需要满足：(a)1.9≤Cr/Zr≤5；(b)0.4％≤Cr+Zr≤1.5％。它的制备和加工方法包括a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.铣面，c.热轧，d.固溶处理，e.一次冷轧，f.一次时效，g.二次冷轧，h.二次时效。本发明铜合金的抗拉强度σb为600～700MPa，塑性延伸率δ为4～10％，电导率为＞80％IACS，可以广泛的应用于制备电阻焊电极、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架等高强高导场合。

Description

一种高强高导CuCrZr合金及其制备和加工方法
技术领域
本发明涉及一种高强高导CuCrZr合金及其制备和加工方法，特别涉及一种具备高强度和高导电等性能的铜合金材料的制备及其板带的加工工艺，属于合金材料技术领域。可被广泛应用于高强、高导领域，如制备电阻焊电极、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、电车及电力机车架空导线排及夹头材料、触头材料和炼铁高炉的风口小套等。
本发明涉及一种金属熔炼技术，尤其是涉及一种高强高导CuCrZr合金板带材的非真空熔炼技术；本发明涉及有色金属铸造加工技术领域，特别涉及高强高导CuCrZr合金板带材加工方法；本发明还属于摩擦接触材料技术领域，主要涉及的是一种高强高导CuCrZr合金板带材的热处理工艺。
背景技术
高强高导铜合金是指具有优良的导电、导热性能的同时兼顾高的强度和优异的高温性能的合金，其主要要求是在不损失电导率的原则下，使合金的强度提高。其主要用作汽车、电工电子、电力等行业中的电阻焊电极、引线框架、导电桥等材料，还可以替代有毒的铍青铜等制作继电器支座和接插件元件等。目前，国内外这类合金按其化学成分、强度、电导率主要分为四类：(1)高强高导铜合金，抗拉强度为500～600MPa，电导率为80～90％ACS，如Cu-Cr-Zr，Cu-Ag-Cr等。(2)中强高导铜合金，抗拉强度为350～550MPa，电导率为70～90％ACS，如Cu-Ag，Cu-Cr，Cu-Zr等。(3)高强中导合金，抗拉强度为700～800MPa，电导率为40～50％ACS，如Cu-Be，Cu-Ni-Sn，Cu-Ni-Co等。(4)超高强低导合金，抗拉强度≥900MPa，电导率为10～30％ACS，如Cu-Ti，Cu-Be-Co等。
近年来，随着高强高导材料的相关行业的发展，对高强高导铜合金的要求不断提高，如：在室温和高温保持高的导电，强度，具有良好的抗变形能力及加工性能等。目前，国外铜合金引线框架材料研究开发的铜合金体系主要有中强高导型Cu-Fe-P系、高强中导型Cu-Ni-Si系和高强高导型Cu-Cr-Zr系等，推出的合金品种仅日本就有110余种之多。其中Cu-Cr-Zr系是最具魅力的高强高导型合金，是世界工业国为满足大规模集成电路的发展而竞相研究和开发的重点，但仍未达到强度＞600MPa，导电率＞80％IACS的理想目标。
检索国内相关专利，性能上均未能达到强度＞600MPa，导电率＞80％IACS。为此，本专利通过熔炼及热处理的控制，提供了一种性能达到上述高强高导的铜合金及其制备和加工方法。
发明内容
本发明的目的之一是解决现有技术生产CuCrZr合金的不足，提供一种强度＞600MPa，导电率＞80％IACS的CuCrZr合金。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种高强高导CuCrZr合金，按照质量百分比，其基础成分为：Cr 0.3％～1.4％，Zr 0.02％～0.25％，其余为Cu，所述铜合金中的成分需要满足：(a)1.9≤Cr/Zr≤5；(b)0.4％≤Cr+Zr≤1.5％。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述铜合金中还包含0.01％～0.05％的Mg。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述铜合金中还包含选自Si、Ag、Sn和RE(稀土元素)中的至少一种微合金化附带元素，其含量为Si 0.01％～0.1％，Ag0.01％～0.1％，Sn 0.01％～0.1％，RE 0.01％～0.1％，总量应满足0.01％≤Si+Ag+Sn+RE≤0.5％。
本发明的另一目的是提供一种上述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法。
为实现上述目的，采取以下技术方案：
一种高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，包括以下工艺流程：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.铣面，c.热轧，d.固溶处理，e.一次冷轧，f.一次时效，g.二次冷轧，h.二次时效。
步骤a中，所述投料的具体顺序为：先加入Cu，熔化后，加入CuCr中间合金和CuZr中间合金。
步骤a中，投料时，还加入Mg、Si、Ag、Sn和/或RE，Si、Ag和/或Sn在Cu熔化后加入，Mg和/或RE在出炉前加入。
步骤a中，所述熔炼的温度为1250～1300℃，所述浇铸的温度控制在1150～1200℃。
步骤c中，所述热轧的温度为800～1000℃，时间为0.5～5h。
步骤d中，所述的固溶处理的温度为900～1000℃，时间为0.5～5h。
步骤f中，所述一次时效的温度为400～600℃，时间为0.5～10h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
步骤h中，步骤h中，所述二次时效的温度为300～500℃，时间为0.5～10h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
本发明的优点在于：与其他高性能铜合金相比，本发明的CuCrZr铜合金通过控制Cr、Zr比及Cr、Zr总量，并对合金进行二次时效来提高合金的电导率，使合金更具有优异的综合性能。该合金材料的制备过程比较简单，工艺流程短，解决了熔炼铸造过程中的极易吸气从而导致铸锭内部存在大量的气孔的问题和铸锭在压力加工过程中易开裂不利于后续加工处理的问题等。可广泛应用于制备电阻焊电极、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、电车及电力机车架空导线、触头材料和炼铁高炉的风口小套等高强高导场合。
本发明的高强高导铜合金的抗拉强度σb可达到600～700MPa，塑性延伸率δ为4～10％，电导率为＞80％IACS。该铜合金具有高强度、耐热性好，同时兼备了高导电性的优点。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
本发明中所述的高强高导CuCrZr铜合金的制备和加工方法为：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.铣面，c.热轧，d.固溶处理，e.一次冷轧，f.一次时效，g.二次冷轧，h.二次时效。
其中，具体的投料顺序为：先加入Cu，熔化后，加入CuCr中间合金和CuZr中间合金，还可以选择加入Mg、Si、Ag、Sn和/或RE，Si、Ag和/或Sn在Cu熔化后加入，Mg和/或RE在出炉前加入。熔炼的温度为1250～1300℃，浇铸的温度控制在1150～1200℃；热轧温度为800～1000℃，时间为0.5～5h；固溶处理的温度为900～1000℃，时间为0.5～5h；第一次时效的温度为400～600℃，时间为0.5～10h，冷却方式为空冷或随炉冷却；第二次时效的温度为300～500℃，时间为0.5～10h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
实施例1
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例1。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCr中间合金和CuZr中间合金，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。熔炼的温度为1250℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1200℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为900℃，保温时间为1h，热轧总加工率为70％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为900℃，保温时间为1h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行60％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为520℃，保温时间2.5h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在60％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为450℃，保温时间为2.5h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例1。
实施例2
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镁、纯硅、铜-铈或铜-镧中间合金、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例2。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCe或CuLa中间合金、CuCr中间合金和CuZr中间合金、纯Si、纯Mg，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。最后加入纯镁，熔炼的温度为1300℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1150℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为900℃，保温时间为1h。热轧总加工率为75％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为900℃，保温时间为1h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行70％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为600℃，保温时间1.5h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在50％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为450℃，保温时间为2.5h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例2。
实施例3
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镁、纯硅、纯银、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例3。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，再加入Si，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCr中间合金和CuZr中间合金、纯Si、纯Ag，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。最后加入纯镁，熔炼的温度为1260℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1200℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为800℃，保温时间为5h。热轧总加工率为80％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为1000℃，保温时间为0.5h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行70％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为450℃，保温时间4h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在60％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为300℃，保温时间为10h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例3。
实施例4
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镁、纯锡、纯硅、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例4。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCr中间合金、CuZr中间合金、纯Si、纯Sn、纯Mg，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。最后加入纯镁，熔炼的温度为1280℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1150℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为1000℃，保温时间为0.5h。热轧总加工率为70％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为900℃，保温时间为5h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行70％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为500℃，保温时间2.5h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在50％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为450℃，保温时间为4h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例4。
实施例5
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镁、纯银、纯锡、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例5。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCr中间合金、CuZr中间合金、纯Sn、纯Ag，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。最后加入纯镁，熔炼的温度为1250℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1160℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为950℃，保温时间为2h。热轧总加工率为75％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为920℃，保温时间为2h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行50％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为400℃，保温时间10h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在50％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为500℃，保温时间为0.5h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例5。
实施例6
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镁、纯硅、铜-铈或铜-镧中间合金、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例6。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCe或CuLa中间合金、CuCr中间合金、CuZr中间合金、纯Si、纯Mg，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。最后加入纯镁，熔炼的温度为1300℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1180℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为950℃，保温时间为3h。热轧总加工率为75％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间为3h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行70％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为600℃，保温时间0.5h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在70％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为400℃，保温时间为1.5h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例6。
实施例7
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镁、纯锡、铜-铈或铜-镧中间合金、纯锡、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例7。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCe或CuLa中间合金、CuCr中间合金、CuZr中间合金、纯Sn、纯Mg，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。最后加入纯镁，熔炼的温度为1280℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1200℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为900℃，保温时间为2h。热轧总加工率为75％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间为3h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行70％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为550℃，保温时间2h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在70％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为300℃，保温时间为4h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例7。
实施例8
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镁、纯银、纯锡、铜-铈或铜-镧中间合金、铜-铬中间合金、铜-锆中间合金。合金的成分见表1的实施例8。
1.熔炼：采用非真空感应电炉进行熔炼。合金的加入顺序为：先加入Cu，熔化后，加覆盖剂(木炭)保温5～10min，加CuCe或CuLa中间合金、CuCr中间合金、CuZr中间合金、纯Si、纯Ag、纯Mg，经充分除气、除杂后，再覆盖10mm左右厚的灼烧木炭。最后加入纯镁，熔炼的温度为1250℃，保温10min后静置5～10min后出炉浇铸，浇铸温度为1180℃。
2.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣1mm)。
3.热轧：对合金进行加热，加热温度为960℃，保温时间为3h。热轧总加工率为75％。
4.固溶处理：铸锭在加热炉中进行固溶处理，固溶温度为930℃，保温时间为1h，冷却方式为水冷。
5.一次冷轧：将经过固溶处理的合金板材进行50％的变形处理。
6.一次时效：将冷轧后的板材装入热处理炉中，进行时效处理，温度为450℃，保温时间4h，冷却方式为随炉冷却。
7.二次冷轧：将一次时效后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在50％。
8.二次时效：二次冷轧后的板材进行时效处理，时效温度为350℃，保温时间为6h，冷却方式为空冷。
经过以上熔炼、铣面、热轧、固溶、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例5。
表1、实施例1-8的合金成分配方(wt％)
注“---”标记为未添加合金量。
Figure BSA00000389703200091
表2、实施例1-8的合金性能表
Figure BSA00000389703200092

Claims (10)

1.一种高强高导CuCrZr合金，按照质量百分比，其基础成分为：Cr 0.3％～1.4％，Zr 0.02％～0.25％，其余为Cu，所述铜合金中的成分需要满足：(a)1.9≤Cr/Zr≤5；(b)0.4％≤Cr+Zr≤1.5％。
2.根据权利要求1所述的高强高导CuCrZr合金，其特征在于：所述铜合金中还包含0.01％～0.05％的Mg。
3.根据权利要求2所述的高强高导CuCrZr合金，其特征在于：所述铜合金中还包含选自Si、Ag、Sn和RE(稀土元素)中的至少一种微合金化附带元素，其含量为Si 0.01％～0.1％，Ag 0.01％～0.1％，Sn 0.01％～0.1％，RE 0.01％～0.1％，总量应满足0.01％≤Si+Ag+Sn+RE≤0.5％。
4.权利要求1-3中任一项所述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，包括以下工艺流程：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.铣面，c.热轧，d.固溶处理，e.一次冷轧，f.一次时效，g.二次冷轧，h.二次时效。
5.根据权利要求4所述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，其特征在于：步骤a中，所述投料的具体顺序为：先加入Cu，熔化后，加入CuCr中间合金和CuZr中间合金；所述熔炼的温度为1250～1300℃，所述浇铸的温度控制在1150～1200℃。
6.根据权利要求5所述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，其特征在于：步骤a中，投料时还加入Mg、Si、Ag、Sn和/或RE，Si、Ag和/或Sn在Cu熔化后加入，Mg和/或RE在出炉前加入。
7.根据权利要求6所述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，其特征在于：步骤c中，所述热轧的温度为800～1000℃，时间为0.5～5h。
8.根据权利要求7所述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，其特征在于：步骤d中，所述的固溶处理的温度为900～1000℃，时间为0.5～5h。
9.根据权利要求8所述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，其特征在于：步骤f中，所述一次时效的温度为400～600℃，时间为0.5～10h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
10.根据权利要求9所述的高强高导CuCrZr合金的制备和加工方法，其特征在于：步骤h中，所述二次时效的温度为300～500℃，时间为0.5～10h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
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