CN102899521A

CN102899521A - 铜-铬-锆合金材料及其制备方法

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Publication number: CN102899521A
Application number: CN2012104470505A
Authority: CN
Inventors: 张修庆; 陈舸; 陈小娜
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一种铜-铬-锆合金材料及其制备方法。所述合金材料以单质铜、单质铬和单质锆为原料，主要经熔炼法或球磨法制得；所制得的铜合金材料在室温下的拉伸强度大于或等于达到800MPa，电导率大于或等于60％IACS，软化温度大于或等于500℃；其中，以单质铜、单质铬和单质锆的总重量为100％计，单质铬的用量为0.5wt％～9.0wt％，单质锆的用量为0.5wt％～9.0wt％，单质铜的用量为90wt％～99wt％。本发明提供的铜-铬-锆合金材料可用于电子封装、电接触触头、高速铁路接触导线等领域。

Description

铜-铬-锆合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜合金材料及其制备方法，具体地说，涉及一种铜-铬-锆(Cu-Cr-Zr)合金材料及其制备方法。

技术背景

高性能铜合金材料是一类具有优良综合性能的功能材料，其既具有高的强度和优良的导电导热性，又具有优越的高温性能。在电力电子、机械和航空航天等领域有着广泛的用途。随着科学技术和现代工业的迅猛发展，对铜合金材料的性能提出了更高的要求。上世纪60、70年代以来，为满足现代工业发展的需要，国内外学者相继开发出一系列高强高导的铜合金。

王庆娟等在2007年第7期《(功能材料》杂志上发表学术论文，称她们制备了Cu-0.2Cr合金，其抗拉强度为360.3MPa，其电导率为91.0％IACS；钟建伟等制备了Cu-1.0Cr-0.2Zr合金，并随后进行了合金固溶处理、冷轧以及随后的时效处理，在最佳的形变热处理工艺条件下其合金的抗拉强度和屈服强度分别达到了527.0MPa和487.0MPa，伸长率为12.3％，电导率为82.0％IACS(《中国有色金属学报》，2008，18(6))；刘强等制备了不同成分的Cu-Cr-Zr系合金，并进行了变形、固溶和时效处理，合金最佳性能为抗拉强度及导电率分别可达599MPa和82％IACS(《沈阳化工大学学报》，2010，24(1))；陆月娇等制备了Cu-Fe原位复合材料，其冷变形后的最高抗拉强度可达970.3MPa，但其导电率只有40.85％IACS，对材料进行退火处理后，其导电率增加到47.22％IACS，但其抗拉强度却降低到695.3Mpa(《中国有色金属学报》，2009，19(8))。

从目前的公开的文献可以看出，现有的高强高导的铜合金材料尚不能完全满足技术发展对其性能要求。有的合金材料的导电率可以达到使用要求，但其抗拉强度还是低于技术发展对合金性能的要求，即合金的抗拉强度要大于600MPa。有些合金材料的抗拉强度可以满足技术发展对材料性能的需要，但其导电率却又低于技术发展的要求。

鉴于此，提供一种新型铜合金就成为本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种新型铜合金材料，克服现有技术中存在的缺陷。

本发明所提供的铜合金材料，其以单质铜(Cu)、单质铬(Cr)和单质锆(Zr)为原料，主要经熔炼法或球磨法制得；所制得的铜合金材料在室温(20℃～25℃，下同)下的拉伸强度大于或等于达到800MPa，电导率大于或等于60％IACS，软化温度大于或等于500℃；

其中，以所用单质铜(Cu)、单质铬(Cr)和单质锆(Zr)的总重量为100％计，单质铬(Cr)的用量为0.5wt％～9.0wt％，单质锆(Zr)的用量为0.5wt％～9.0wt％，单质铜(Cu)的用量为90wt％～99wt％。

本发明的目的之二在于，提供一种制备上述铜合金材料的方法，其包括如下步骤(熔炼法)：

(1)由单质铬(Cr)和单质锆(Zr)熔炼制得Cr-Zr合金的步骤；

(2)由Cr-Zr合金和单质铜(Cu)熔炼制得Cu-Cr-Zr合金的步骤；

(3)Cu-Cr-Zr合金经热处理及轧制处理制得目标物(本发明所述的铜合金材料)的步骤。或(球磨法)：

(1)在惰性气体气氛中，以金属铬粉末和金属锆粉末为原料，通过球磨法制备铬/锆合金粉末的步骤；

(2)在惰性气体气氛中，以铬/锆合金粉末(由步骤(1)制得)和金属铜粉末为原料，通过球磨法制备铜/铬/锆合金粉末的步骤；

(3)将铜/铬/锆合金粉末(由步骤(2)制得)依次经压坯、烧结及冷加工(如挤压、轧制或者拉拔等)步骤制得到目标物(本发明所述的铜合金材料)的步骤。

在本发明所提供的铜合金(Cu-Cr-Zr合金)材料中，不但有Cr-Zr化合物的弥散强化，还有Cr的固溶强化和Zr的析出强化，这样可以大大提高Cu-Cr-Zr合金材料的强度；而由于Cr和Zr主要形成了Cr-Zr化合物，其固溶在基体中的量很少，对导电率的影响不大，所以本发明所提供的铜合金(Cu-Cr-Zr合金)材料还保持着高的电导率。此外，本发明提供的铜合金(Cu-Cr-Zr合金)材料还具有良好的热稳定性，可以广泛应用于电子封装、电接触触头、高速铁路接触导线等领域。

附图说明

图1Cu-5wt％Cr₂Zr合金材料的X射线衍射图(900℃烧结)

具体实施方式

在本发明一个优选的技术方案中，以本发明所用原料(单质铜、单质铬和单质锆)的总重量为100％计，单质铬(Cr)的用量为0.5wt％～4.5wt％，单质锆(Zr)用量0.5wt％～4.5wt％，单质铜(Cu)用量为95wt％～99wt％。

本发明所述的通过球磨法制备本发明所述合金的方法，其包括如下步骤：

(1)在惰性气体(如氮气或氩气等)气氛中，将金属铬粉末(Cr，纯度99.9％以上)和金属锆(Zr，纯度99.9％以上)粉末按重量比1∶1的比例混合，得混合物A，将混合物A放入球磨机中，球与混合物A的重量比为4∶1，在惰性气体气氛中球磨2小时～20小时，得到Cr-Zr合金粉末；

(2)在惰性气体(如氮气或氩气等)气氛中，将由步骤(1)所得的Cr-Zr合金粉末与金属铜粉末(Cu，纯度为99.0％或以上)按比例混合，得混合物B，将混合物B放入球磨机中，球与混合物B的重量比为4∶1，在惰性气体气氛中球磨2小时～20小时，得到Cu-Cr-Zr合金粉末；

(3)首先，将由步骤(2)所得的Cu-Cr-Zr合金粉末在200MPa-400MPa条件下，压制成压坯；然后，将该压坯于800℃～900℃烧结；再经冷加工(如挤压、轧制或者拉拔等)得到目标物(本发明所述的铜合金材料)。

而当采用熔炼法制备时，

步骤(A)是在真空电弧炉中进行：即将单质Cr和单质Zr置于真空电弧炉中，抽真空，然后用惰性气体(如氩气等)保护，引弧后电极电流调到400A～600A，将电弧对准单质Cr和单质Zr，进行熔炼，得到Cr-Zr合金；

步骤(B)在真空中频感应炉中进行：即先将单质铜熔化，继续精炼至少8分钟，在惰性气体(如氩气等)保护下，加入Cr-Zr合金(由步骤(A)制得)，搅拌、浇铸(约1200℃)，冷却，得到Cu-Cr-Zr合金；

步骤(C)中所述的Cu-Cr-Zr合金的热处理是：将Cu-Cr-Zr合金在800℃～850℃状态保持至少1小时；所述的轧制处理是将经热处理后的合金在轧机上进行轧制成型。

按上述方法(熔炼法或球磨法)所制得的铜合金材料，其具有高强度与高导电性兼顾的特点(这是因为：在本发明所提供的Cu-Cr-Zr合金材料中，Cr和Zr主要形成了Cr-Zr化合物(参见附图1)，Cr和Zr固溶在基体中的量很少，对导电率的影响不大)，克服了现有铜合金材料中高强度与高导电间存在难于调和矛盾的缺陷。

此外，本发明所提供的铜合金材料的使用寿命比现有的铜合金材料提高4～5倍，特别适和用于引线框架封装、电接触材料和大功率异步牵引电动转子等领域。

实施例1

(1)将纯度99.9％以上的Cr和Zr粉末按重量比为1∶1比例混合，放入高能球磨机中制备Cr-Zr合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cr和Zr粉末混合料之间的重量比为4∶1，球磨时间10小时，得到Cr-Zr合金粉末；

(2)将Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(99wt％)Cu-(Cr-Zr)1.0wt％的比例混合，然后放入高能球磨机中混合合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cu-Cr-Zr混合料的重量比为4∶1，球磨时间2小时，得Cu-Cr-Zr合金粉末；

(3)Cu-Cr-Zr合金粉末依次在200MPa条件下，压制成坯；在800℃条件下，烧结所得的压坯；在800℃条件下，进行挤压(得到半成品)；及冷加工等步骤，得到成品A。

室温下，成品A的抗拉强度为810MPa，电导率为68％IACS。

实施例2

(1)将纯度99.9％以上的Cr和Zr粉末按重量比为1∶1比例混合，放入高能球磨机中制备Cr-Zr合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cr和Zr粉末混合料的重量比为4∶1，球磨时间10小时，得到Cr-Zr合金粉末；

(2)将Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(99.5wt％)Cu-(Cr-Zr)0.5wt％的比例混合，然后放入高能球磨机中混合合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cu-Cr-Zr混合料的重量比为4∶1，球磨时间5小时，得Cu-Cr-Zr合金粉末；

(3)Cu-Cr-Zr合金粉末依次在300MPa条件下，压制成坯；在850℃条件下，烧结所得的压坯；在800℃条件下，进行挤压(得到半成品)；及冷加工等步骤，得到成品B。

室温下，成品B的抗拉强度为800MPa，电导率为69.2％IACS。

实施例3

(1)将纯度99.9％以上的Cr和Zr粉末按重量比为1∶1比例混合，放入高能球磨机中制备Cr-Zr合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cr和Zr粉末混合料的重量比为4∶1，球磨时间20小时，得到Cr-Zr合金粉末；

(2)将Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(90wt％)Cu-(Cr-Zr)10wt％的比例混合，然后放入高能球磨机中混合合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cu-Cr-Zr混合料的重量比为4∶1，球磨时间10小时，得Cu-Cr-Zr合金粉末；

(3)Cu-Cr-Zr合金粉末依次在400MPa条件下，压制成坯；在900℃条件下，烧结所得的压坯；在800℃条件下，进行挤压(得到半成品)；及冷加工等步骤，得到成品C。

室温下，成品C的抗拉强度为910MPa，电导率为62％IACS。

实施例4

(1)将纯度99.9％以上的Cr和Zr粉末按重量比为1∶1比例混合，放入高能球磨机中制备Cr-Zr合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cr和Zr粉末混合料的重量比为4∶1，球磨时间2小时，得到Cr-Zr合金粉末；

(2)将Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(99wt％)Cu-(Cr-Zr)1.0wt％的比例混合，然后放入高能球磨机中混合合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cu-Cr-Zr混合料的重量比为4∶1，球磨时间10小时，得Cu-Cr-Zr合金粉末；

(3)Cu-Cr-Zr合金粉末依次在200MPa条件下，压制成坯；在900℃条件下，烧结所得的压坯；在800℃条件下，进行挤压(得到半成品)；及冷加工等步骤，得到成品D。

室温下，成品D的抗拉强度为815MPa，电导率为67.5％IACS。

实施例5

(2)将Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(95.0wt％)Cu-(Cr-Zr)5.0wt％的比例混合，然后放入高能球磨机中混合合金粉末，球磨气氛为氮气，研磨球与Cu-Cr-Zr混合料的重量比为4∶1，球磨时间10小时，得Cu-Cr-Zr合金粉末；

(3)Cu-Cr-Zr合金粉末依次在400MPa条件下，压制成坯；在900℃条件下，烧结所得的压坯；在800℃条件下，进行挤压(得到半成品)；及冷加工等步骤，得到成品E。

室温下，成品E的抗拉强度为852MPa，电导率为65.8％IACS。

实施例6

(A)将单质Cr和单质Zr置于真空电弧炉中，抽真空，然后氩气保护。引弧后电极电流调到400A，然后将电弧对准单质Cr和单质Zr，进行熔炼。Cr和Zr熔化后等其冷却再重熔一次。然后待炉冷后，进气并打开炉门，取出Cu-Zr合金。

(B)然后用真空中频感应炉熔炼Cu-Cr-Zr合金，先将高纯阴极铜(纯度99.95％)熔化后，继续精炼8分钟以上，在氩气的保护下，加入2.0wt％的Cr-Zr合金，进行搅拌后，浇铸(浇铸温度大约为1200℃)，冷却约五分钟后出炉，得到Cu-Cr-Zr合金。

(C)将Cu-Cr-Zr合金放入箱式炉中进行热处理，热处理温度为800℃，保温时间为1小时。然后将Cu-Cr-Zr合金置于轧机上进行轧制成型，得到成品F。

室温下，成品F的抗拉强度为825MPa，电导率为65.8％IACS。

实施例7

(A)将单质Cr和单质Zr置于真空电弧炉中，抽真空，然后氩气保护。引弧后电极电流调到500A，然后将电弧对准单质Cr和单质Zr，进行熔炼。Cr和Zr熔化后等其冷却再重熔一次。然后待炉冷后，进气并打开炉门，取出Cu-Zr合金。

(B)然后用真空中频感应炉熔炼Cu-Cr-Zr合金，先将高纯阴极铜(纯度99.95％)熔化后，继续精炼8分钟以上，在氩气的保护下，加入5.0wt％的Cr-Zr合金，进行搅拌后，浇铸(浇铸温度大约为1200℃)，冷却约五分钟后出炉，得到Cu-Cr-Zr合金

(C)将Cu-Cr-Zr合金放入箱式炉中进行热处理，热处理温度为850℃，保温时间为1小时。然后将Cu-Cr-Zr合金置于轧机上进行轧制成型，得到成品G。

室温下，成品G的抗拉强度为848MPa，电导率为64.3％IACS。

实施例8

(A)将单质Cr和单质Zr置于真空电弧炉中，抽真空，然后氩气保护。引弧后电极电流调到600A，然后将电弧对准单质Cr和单质Zr，进行熔炼。Cr和Zr熔化后等其冷却再重熔一次。然后待炉冷后，进气并打开炉门，取出Cu-Zr合金。

(B)然后用真空中频感应炉熔炼Cu-Cr-Zr合金，先将高纯阴极铜(纯度99.95％)熔化后，继续精炼8分钟以上，在氩气的保护下，加入10.0wt％的Cr-Zr合金，进行搅拌后，浇铸(浇铸温度大约为1200℃)，冷却约五分钟后出炉，得到Cu-Cr-Zr合金

(C)将Cu-Cr-Zr合金放入箱式炉中进行热处理，热处理温度为850℃，保温时间为2小时。然后将Cu-Cr-Zr合金置于轧机上进行轧制成型，得到成品H。

室温下，成品H的抗拉强度为908MPa，电导率为61.5％IACS。

以上所述实施例仅表达本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的时，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种铜合金材料，其以单质铜、单质铬和单质锆为原料，主要经熔炼法或球磨法制得；所制得的铜合金材料在20℃～25℃条件下的拉伸强度大于或等于达到800MPa，电导率大于或等于60％IACS，软化温度大于或等于500℃；

其中，以单质铜、单质铬和单质锆的总重量为100％计，单质铬的用量为0.5wt％～9.0wt％，单质锆的用量为0.5wt％～9.0wt％，单质铜的用量为90wt％～99wt％。

2.如权利要求1所述的铜合金材料，其特征在于，其中单质铬的用量为0.5wt％～4.5wt％，单质锆的用量为0.5wt％～4.5wt％，单质铜的用量为95wt％～99wt％。

3.一种制备如权利要求1或2所述的铜合金材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在在惰性气体气氛中，以金属铬粉末和金属锆粉末为原料，通过球磨法制备铬/锆合金粉末的步骤；

(2)在在惰性气体气氛中，以铬/锆合金粉末和金属铜粉末为原料，通过球磨法制备铜/铬/锆合金粉末的步骤；

(3)将铜/铬/锆合金粉末依次经压坯、烧结及冷加工步骤制得到目标物的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，研磨球与由金属铬粉末和金属锆粉末组成的混合物的重量比为4∶1。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，研磨球与锆/铬合金粉末和金属铜粉末组成的混合物的重量比为4∶1。

6.如权利要求3、4或5所述的方法，其特征在于，步骤(1)及步骤(2)中，球磨时间均为2小时～20小时。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，压坯的压力为200MPa-400MPa。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，烧结的温度为800℃～900℃。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，挤压或轧制的温度为800℃。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，压坯的压力为200MPa-400MPa；烧结的温度为800℃～900℃；挤压或轧制的温度为800℃。

11.一种制备如权利要求1或2所述的铜合金材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(A)由单质铬和单质锆熔炼制得铬-锆合金的步骤；

(B)由铬-锆合金和单质铜熔炼制得铜-铬-锆合金的步骤；

(C)铜-铬-锆合金经热处理及轧制处理制得目标物的步骤。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中步骤(A)是在真空电弧炉中进行，即将单质铬和单质锆置于真空电弧炉中，抽真空，然后用惰性气体保护，引弧后电极电流调到400A～600A，将电弧对准单质铬和单质锆，进行熔炼，得到铬-锆合金。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，其中步骤(B)在真空中频感应炉中进行：即先将单质铜熔化，继续精炼至少8分钟，在惰性气体保护下，加入铬-锆合金，搅拌、浇铸，冷却，得到铜-铬-锆合金。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中浇铸温度为1200℃。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(C)中所述的铜-铬-锆合金的热处理是：将铜-铬-锆合金在800℃～850℃状态保持至少1小时。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(C)中所述的轧制处理是：将经热处理后的合金在轧机上进行轧制成型。