CN102676868B - 一种超高强度铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合金技术领域，具体公开了一种超高强度铜合金及其制备方法。超高强度铜合金为Cu-Zr合金，由Cu、Zr组成，Zr的重量百分含量为4.25％～11.23％，余量为Cu，超高强度铜合金中的Cu为合金基体，Zr以Cu9Zr2第二相的形式存在于超高强度铜合金中，Cu9Zr2的形状为平行于拉拔方向的大部分纤维和分布在Cu合金基体上的微量细小弥散颗粒。本发明提供的超高强度铜合金抗拉强度达1000-1710MPa，导电率25-60％IACS，软化温度450-550℃，可用于大功率电真空管、微电子器件管脚、集成电路、微波通信等领域，在国防工业和电子信息产业具有广泛应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种超高强度铜合金及其制备方法。
背景技术
大规模集成电路与电子器件的高度集成化与小型化，以及长脉冲强磁场技术发展，对高强度和高导电电子封装关键材料和磁场线圈材料的性能提出了新的要求，需要有高强度、高导电性和高导热性的结合，从而能承受更高的封装和使用强度和硬度、洛仑兹力和焦耳热。同时，还应具有高的抗软化温度，使用温度在300℃时的抗拉强度下降率在10％以下。常用高强度铜合金如Cu-Be、Cu-Cr和Cu-Ag等合金已不能满足要求，如Cu-Be合金导电性不足，而其它合金则强度较低。例如，对于40T的磁场要求线圈强度不低于1000MPa，而100T的磁场，要求线圈强度达到1500MPa以上。大量研究表明形变Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-Ag、Cu-Ag-Nb、Cu-Ag-Cr等铜基复合材料具有高强度和良好的导电性，且Cu-Nb、Cu-Ag形变材料已用作长脉冲磁场导体材料处在试用阶段，这种形变铜基合金由于具有复合材料的组织和性能特点，所以称之为形变铜基原位复合材料，是一种新型的高性能铜基功能材料。
但是由于铜合金的抗拉强度和导电率是一对相互矛盾的性能指标，采用常规冶金方法制备的材料很难满足上述要求。目前获得高强度高导电铜基复合材料的方法有四种：高熔点金属纤维增强铜基复合材料法，如Cu-W；原位共晶纤维复合材料法，如Cu-1.56％Cr；形变原位复合材料法，如Cu-20％Nb，Cu-15vol.％Cr；累积叠层轧制法，如Cu/Zr。原位共晶纤维复合材料法虽然可以获得理想的高强度和高导电的结合，但由于受共晶成分和结晶规律的限制，性能的进一步提高和工业化的应用受到制约。高熔点金属纤维增强铜基复合材料法因W、Mo金属纤维本身成本高和难加工性，使其制造技术复杂、工艺要求高、质量控制难度大。
目前对高强高导电铜合金研发主要集中在：Cu-Ag、Cu-Nb、Cu-Cr和Cu-Fe二元合金系，以及Cu-Ag-Nb、Cu-Ag-Cr、Cu-Fe-Cr等三元合金系。铸态下基本上是由纯铜相和纯过渡族金属所组成，且第二相以树枝状或颗粒状存在基体中，经形变后，过渡族金属相形成了平行于线拉方向的纤维，导致合金具有高的强度和导电性。但是，其最大拉伸强度一般不超过1000MPa。这与增强纤维相均为大变形纯金属有关，众所周知，纯金属的强度通常较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强度铜合金。
本发明的目的还在于提供一种超高强度铜合金的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种超高强度铜合金，所述超高强度铜合金为Cu-Zr合金，由Cu、Zr组成，Zr的重量百分含量为4.25％～11.23％，余量为Cu。所述超高强度铜合金中的Cu为合金基体，Zr以Cu9Zr2(或Cu5Zr)第二相的形式存在于超高强度铜合金中，Cu9Zr2(或Cu5Zr)的形状为平行于拉拔方向的大部分纤维和分布在Cu合金基体上的微量细小弥散颗粒。
一种超高强度铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金制备
母合金制备原料为2号标准电解铜和海绵锆；熔炼过程为：采用真空非自耗电极电弧炉熔炼，抽真空至5×10-2Pa，再充氩气至0.06MPa，开始起弧熔炼，所述原料完全熔化后关闭电弧，冷却后180°翻面；重复所述熔炼过程三次，之后冷却，得到母合金，然后将所述母合金破碎至不大于10mm的小块状备用；
(2)真空熔炼和快速凝固
在高频真空熔炼炉中将破碎后的母合金放入石英管中，对高频真空熔炼炉抽真空至5×10-2Pa，炉膛充氩气至0.06MPa，熔化破碎后的母合金，之后再精炼20分钟，然后在石英管内加0.5Mpa的氩气，将石英管中的熔融金属液体浇注入纯铜铸模内，浇注成直径3.2～5.2mm的圆柱形铸锭，冷却10分钟，从纯铜铸模中取出；
(3)连续冷拉拔变形
将直径3.2～5.2mm的圆柱形铸锭车去外皮至直径为3.0～5.0mm，然后在冷拉拔机上分次连续拉拔变形至直径为0.10mm～1.0mm的合金丝；
(4)最终退火
合金丝在电阻炉中于300～400℃、氩气保护下加热0.5～1小时，之后缓冷，制得超高强度铜合金。
优选的，所述2号标准电解铜为Cu-CATH-2，其纯度为Cu的重量百分含量≥99.95％。
优选的，所述海绵锆为HZr-1，其纯度为Zr的重量百分含量≥99.4％。
Zr作为铜合金和形变铜基复合材料的重要合金元素，通常添加量很低，属微量添加，一般为0.05％左右，用来通过时效析出形成弥散分布的Cu-Zr金属间化合物，显著提高铜系合金或形变铜基复合材料的组织热稳定性和抗软化温度。根据Cu-Zr二元合金相图，随Zr含量的增加，在Cu-Zr系中相继出现Cu9Zr2(Cu5Zr)、Cu4Zr(Cu51Zr14)、Cu8Zr3、Cu10Zr7、CuZr和CuZr2，因此Cu-Zr合金成为研发形变原位金属间化合物纤维增强铜合金的最佳合金体系，但是，当合金中Zr含量高于11.23％wt，合金脆性增大，强度急剧下降。
本发明提供的超高强度铜合金是在形变原位金属纤维增强铜合金的基础上，通过真空熔炼和快速凝固制得了亚共晶和共晶Cu-Zr合金，通过多道次冷拉拔，之后辅以最终退火，最终获得以原位超细Cu9Zr2(Cu5Zr)金属间化合物线状纤维增强的超高强度铜合金。同时，由于铜基体中的合金元素以弥散分布第二相的形式大部分析出，使铜基体的导电率大副度提高，再结晶抗力显著提高，从而使合金在具有超高强度的同时，保持较高的导电性和高温组织稳定性。
本发明提供的超高强度铜合金抗拉强度达1000-1710MPa，导电率25-60％IACS，软化温度450-550℃，具有超高强度、中等导电性、高抗软化温度，具有高热稳定的优点，而且具有性能控制便捷的优点。本发明提供的超高强度铜合金可用于大功率电真空管、微电子器件管脚、集成电路、微波通信等领域，在国防工业和电子信息产业具有广泛应用前景。
具体实施方式
实施例1
本实施例超高强度铜合金由Cu、Zr组成，Zr的重量百分含量为5.64％，余量为Cu。其中Cu为合金基体，Zr以Cu9Zr2(Cu5Zr)第二相的形式存在，Cu9Zr2(Cu5Zr)的形状为平行于拉拔方向的大部分纤维和分布在铜基体上的微量细小弥散颗粒。
本实施例超高强度铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金制备
母合金制备原料为2号标准电解铜Cu-CATH-2和海绵锆HZr-1，Zr的添加量为5.64％；熔炼过程为：采用0.5kg真空非自耗电极电弧炉熔炼，抽真空至5×10-2Pa，充氩气至0.06MPa，开始起弧熔炼，完全熔化后关闭电弧，冷却后180°翻面；重复熔炼过程三次，之后冷却，制得母合金，破碎至不大于10mm的小块状备用；
(2)真空熔炼和快速凝固
在30kg高频真空熔炼炉中进行，将破碎后的母合金放入石英管中，石英管内径15mm，石英管底端有直径1.5mm喷嘴，石英管顶端与氩气通过管道相连，对高频真空熔炼炉抽真空至5×10-2Pa，炉膛充氩气至0.06MPa，熔化母合金，之后精炼20分钟，在石英管内加0.5MPa氩气，将石英管中的金属合金液体直接浇注入纯铜铸模内，浇注成直径3.2mm的圆柱形铸锭，冷却10分钟，取出；
(3)连续冷拉拔变形
将直径3.2mm的圆柱形铸锭车去外皮至3.0mm，在冷拉拔机上经多道次连续拉拔至直径0.5mm的合金丝，拉拔模具为硬质合金模具；
(4)最终退火
将直径0.5mm的合金丝在管式气氛保护电阻炉中于400℃氩气保护下加热1小时，之后缓冷，制得本实施例超高强度铜合金。
本实施例提供的超高强度铜合金的性能指标为：拉伸强度为1000MPa，导电率60％IACS，软化温度500℃。
实施例2
本实施例超高强度铜合金由Cu、Zr组成，Zr的重量百分含量为4.25％，余量为Cu。其中Cu为合金基体，Zr以Cu9Zr2(Cu5Zr)第二相的形式存在，Cu9Zr2(Cu5Zr)的形状为平行于拉拔方向的大部分纤维和分布在铜基体上的微量细小弥散颗粒。
本实施例超高强度铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金制备
母合金制备原料为2号标准电解铜Cu-CATH-2和海绵锆HZr-1，Zr的添加量为4.25％；熔炼过程为：采用0.5kg真空非自耗电极电弧炉熔炼，抽真空至5×10-2Pa，充氩气至0.06MPa，开始起弧熔炼，完全熔化后关闭电弧，冷却后180°翻面；重复熔炼过程三次，之后冷却，制得母合金，破碎至不大于10mm的小块状备用；
(2)真空熔炼和快速凝固
在1kg高频真空熔炼炉中进行，将破碎后的母合金放入石英管中，石英管内径15mm，石英管底端有直径1.2mm喷嘴，石英管顶端与氩气通过管道相连，对高频真空熔炼炉抽真空至5×10-2Pa，炉膛充氩气至0.06MPa，熔化母合金，之后精炼20分钟，在石英管内加0.5MPa氩气，将石英管中的金属合金液体直接浇注入纯铜铸模内，浇注成直径4.15mm的圆柱形铸锭，冷却10分钟，取出；
(3)连续冷拉拔变形
将直径4.15mm的圆柱形铸锭车去外皮至4.0mm，在冷拉拔机上经多道次连续拉拔至直径0.28mm的合金丝，拉拔模具为硬质合金模具；
(4)最终退火
将直径0.28mm的合金丝在气氛保护箱式电阻炉中于300℃氩气保护下加热0.5小时，之后缓冷，制得本实施例超高强度铜合金。
本实施例提供的超高强度铜合金的性能指标为：拉伸强度为1280MPa，导电率41％IACS，软化温度450℃。
实施例3
本实施例超高强度铜合金由Cu、Zr组成，Zr的重量百分含量为11.23％，余量为Cu。其中Cu为合金基体，Zr以Cu9Zr2(Cu5Zr)第二相的形式存在，Cu9Zr2(Cu5Zr)的形状为平行于拉拔方向的大部分纤维和分布在铜基体上的微量细小弥散颗粒。
本实施例超高强度铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金制备
母合金制备原料为2号标准电解铜Cu-CATH-2和海绵锆HZr-1，Zr的添加量为11.23％；熔炼过程为：采用1kg真空非自耗电极电弧炉熔炼，抽真空至5×10-2Pa，充氩气至0.06MPa，开始起弧熔炼，完全熔化后关闭电弧，冷却后180°翻面；重复熔炼过程三次，之后冷却，制得母合金，破碎至不大于10mm的小块状备用；
(2)真空熔炼和快速凝固
在1kg高频真空熔炼炉中进行，将破碎后的母合金放入石英管中，石英管内径20mm，石英管底端有直径2.5mm喷嘴，石英管顶端与氩气通过管道相连，对高频真空熔炼炉抽真空至5×10-2Pa，炉膛充氩气至0.06MPa，熔化母合金，之后精炼20分钟，在石英管内加0.5MPa氩气，将石英管中的金属合金液体直接浇注入纯铜铸模内，浇注成直径5.2mm的圆柱形铸锭，冷却10分钟，取出；
(3)连续冷拉拔变形
将直径5.2mm的圆柱形铸锭车去外皮至5.0mm，在冷拉拔机上经多道次连续拉拔至直径0.27mm的合金丝，拉拔模具为硬质合金模具；
(4)最终退火
将直径0.27mm的合金丝在真空气氛保护管式电阻炉中于300℃氩气保护下加热0.5小时，之后缓冷，制得本实施例超高强度铜合金。
本实施例提供的超高强度铜合金的性能指标为：拉伸强度为1710MPa，导电率25％IACS，软化温度550℃。
Claims (5)
1.一种超高强度铜合金，其特征在于，所述超高强度铜合金为Cu-Zr合金，由Cu、Zr组成，Zr的重量百分含量为4.25％～11.23％，余量为Cu；
所述的超高强度铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)母合金制备
母合金制备原料为2号标准电解铜和海绵锆；熔炼过程为：采用真空非自耗电极电弧炉熔炼，抽真空至5×10-2Pa，再充氩气至0.06MPa，开始起弧熔炼，所述原料完全熔化后关闭电弧，冷却后180°翻面；重复所述熔炼过程三次，之后冷却，得到母合金，然后将所述母合金破碎至不大于10mm的小块状备用；
(2)真空熔炼和快速凝固
在高频真空熔炼炉中将破碎后的母合金放入石英管中，对高频真空熔炼炉抽真空至5×10-2Pa，炉膛充氩气至0.06MPa，熔化破碎后的母合金，之后再精炼20分钟，然后在石英管内加0.5Mpa的氩气，将石英管中的熔融金属液体浇注入纯铜铸模内，浇注成直径3.2～5.2mm的圆柱形铸锭，冷却10分钟，从纯铜铸模中取出；
(3)连续冷拉拔变形
将直径3.2～5.2mm的圆柱形铸锭车去外皮至直径为3.0～5.0mm，然后在冷拉拔机上分次连续拉拔变形至直径为0.10mm～1.0mm的合金丝；
(4)最终退火
合金丝在电阻炉中于300～400℃、氩气保护下加热0.5～1小时，之后缓冷，制得超高强度铜合金。
2.根据权利要求1所述的超高强度铜合金，其特征在于，所述超高强度铜合金中的Cu为合金基体，Zr以Cu9Zr2第二相的形式存在于超高强度铜合金中，Cu9Zr2的形状为平行于拉拔方向的大部分纤维和分布在Cu合金基体上的微量细小弥散颗粒。
3.一种权利要求1或2所述的超高强度铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)母合金制备
母合金制备原料为2号标准电解铜和海绵锆；熔炼过程为：采用真空非自耗电极电弧炉熔炼，抽真空至5×10-2Pa，再充氩气至0.06MPa，开始起弧熔炼，所述原料完全熔化后关闭电弧，冷却后180°翻面；重复所述熔炼过程三次，之后冷却，得到母合金，然后将所述母合金破碎至不大于10mm的小块状备用；
(2)真空熔炼和快速凝固
在高频真空熔炼炉中将破碎后的母合金放入石英管中，对高频真空熔炼炉抽真空至5×10-2Pa，炉膛充氩气至0.06MPa，熔化破碎后的母合金，之后再精炼20分钟，然后在石英管内加0.5Mpa的氩气，将石英管中的熔融金属液体浇注入纯铜铸模内，浇注成直径3.2～5.2mm的圆柱形铸锭，冷却10分钟，从纯铜铸模中取出；
(3)连续冷拉拔变形
将直径3.2～5.2mm的圆柱形铸锭车去外皮至直径为3.0～5.0mm，然后在冷拉拔机上分次连续拉拔变形至直径为0.10mm～1.0mm的合金丝；
(4)最终退火
合金丝在电阻炉中于300～400℃、氩气保护下加热0.5～1小时，之后缓冷，制得超高强度铜合金。
4.根据权利要求3所述的超高强度铜合金的制备方法，其特征在于，所述2号标准电解铜为Cu-CATH-2，其纯度为Cu的重量百分含量≥99.95％。
5.根据权利要求3所述的超高强度铜合金的制备方法，其特征在于，所述海绵锆为HZr-1，其纯度为Zr的重量百分含量≥99.4％。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131120 Termination date: 20150110 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |