CN103526067B - 一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，由熔炼合金步骤、铸造步骤和热处理步骤所组成。通过掺杂稀土元素La和Pr，结合热处理工艺，使铜合金明显改善并提高了导电性能和拉伸性能，显著提高了合金抗拉强度、延伸率和导电率。

Description

一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法
技术领域
本发明涉及高强高导铜合金领域，具体的说，是涉及一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法。
背景技术
高性能铜合金是国民经济的重要材料。纯铜具有优良的导电性，但是它的抗拉强度，通常最高只能达到350MPa，不能满足高速发展的航空航天、电子工业、交通运输、国防工业等部门的需求。因此，需要研究开发高性能铜合金材料，满足不断发展的国民经济新需求。高性能铜合金材料的研究主要集中在电工铜合金、无铅环保型铜合金、高强耐磨铜合金、高纯化铜和铜基复合材料等方面，发展方向是研发高强、高导、耐磨、耐蚀、低成本的高性能铜合金。虽然我国已经成为世界铜合金生产和消费的第一大国，但在高性能铜合金材料开发和熔炼技术等方面与世界先进水平还存在较大的差距。
而目前，在保证材料具有优良工艺性能、实用性能和低成本生产的前提下，解决铜合金高导电与高强度之间的矛盾，是各国研究开发的重中之重。材料的合金成分设计是获得材料的高强、高导、高性能的第一步，合金成分的设计不仅包括加入合金元素的种类和加入量，同时需要考虑加入合金元素的相互搭配，即加入合金元素的相互比例。为了对掺杂元素进一步选择，使其更好地发挥出改善铜合金性能的作用，尚需要很多工作和努力。
有研究表明，适量混合稀土的加入可以使合金的金相形态发生明显变化，同时由于相形态的改变也引起了合金内元素的偏析方式出现新的特征，具体表现在各相的浓度差及其方向性的变化。由上述微观组织带来的变化，使铜合金能够显著提高各方面的性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，使用该方法能够明显增强铜合金的强度和电性能。
本发明采用的技术方案是：一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，其特征在于：所述铜合金含有下述重量百分比的组分：0.1~1.0%的La，0.1~1.0%的Pr，1.0~3.0%的Mg，4.0~8.0%的Zr，0.5~1.0%的Al，0.01~0.1%的Fe，0.001~0.005%的Zn，0.001~0.005%的Mn，0.001~0.005%的Ti，以及不可避免的杂质，余量为铜，所述的处理方法由熔炼合金步骤、铸造步骤和热处理步骤所组成；具体为，熔炼合金步骤：采用电解铜作为铜原料，按配比向熔炼设备中加入各合金元素，使合金熔炼成熔融态；铸造步骤：将所述熔融态的合金，缓慢浇注，获得铸锭；热处理步骤：将所述铸锭冷却至室温后，加热进行退火，保温之后空冷，再将铸锭加热回火，保温，最后再次空冷至室温。
所述合金制备步骤中，采用电解铜作为铜原料，按配比加入其它合金元素，熔炼设备为中频真空感应炉，熔炼时的真空度为30~40Pa，熔炼最高温度为1100~1300℃，熔炼时间为10~30分钟，使合金成熔融态。
所述铸造步骤中，将所述熔融态的合金，在300~350r/min的离心速度下缓慢浇注，浇注温度为1200℃，浇注时向所述熔炼设备中充入氩气充入氩气至0.5MPa，获得铸锭。
所述热处理步骤中，将所述铸锭冷却至室温后，加热到800~850℃进行退火，并保温2~4小时，之后空冷，将空冷至300℃的铸锭再加热到500~600℃回火，并保温1~2小时，最后再次空冷至室温。
所述热处理步骤后所得到铜合金产品的常温抗拉强度为600~800MPa，延伸率为8~10%，导电率为85~90% IACS。
本发明的优点是：通过稀土元素的选择和添加，使铜合金在掺杂后经过热处理，明显改善并提高了合金的抗拉强度、延伸率和导电率，获得了目前市场上需求的高强、高导、低成本的高性能铜合金。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
所采用的铜合金含有下述重量百分比的组分：0.5%的Yb，0.8%的Nd，3.0%的Mg，8.0%的Zr，1.0%的Al，0.08%的Fe，0.001%的Zn，0.001%的Mn，0.005%的Ti，以及不可避免的杂质，余量为铜。首先，采用电解铜作为铜原料，按配比向熔炼设备中加入各合金元素，熔炼设备为中频真空感应炉，熔炼时的真空度为30Pa，熔炼最高温度为1300℃，熔炼时间为10分钟，使合金成熔融态。将所述熔融态的合金，在300r/min的离心速度下缓慢浇注，浇注温度为1200℃，浇注时向所述熔炼设备中充入氩气0.5MPa，获得铸锭。然后，将所述铸锭冷却至室温后，加热到800℃进行退火，并保温4小时，之后空冷，将空冷至300℃的铸锭再加热到550℃回火，并保温2小时，最后再次空冷至室温所得到铜合金产品的常温抗拉强度为600MPa，延伸率为10%，导电率为85% IACS。
实施例2：
所采用的铜合金含有下述重量百分比的组分：0.8%的Yb，1.0%的Nd，2.0%的Mg，5.0%的Zr，0.5%的Al，0.05%的Fe，0.005%的Zn，0.005%的Mn，0.005%的Ti，以及不可避免的杂质，余量为铜。首先，采用电解铜作为铜原料，按配比向熔炼设备中加入各合金元素，熔炼设备为中频真空感应炉，熔炼时的真空度为35Pa，熔炼最高温度为1200℃，熔炼时间为15分钟，使合金成熔融态。将所述熔融态的合金，在350r/min的离心速度下缓慢浇注，浇注温度为1200℃，浇注时向所述熔炼设备中充入氩气至0.5MPa，获得铸锭。然后，将所述铸锭冷却至室温后，加热到850℃进行退火，并保温3小时，之后空冷，将空冷至300℃的铸锭再加热到600℃回火，并保温1小时，最后再次空冷至室温所得到铜合金产品的常温抗拉强度为700MPa，延伸率为10%，导电率为90% IACS。
实施例3：
所采用的铜合金含有下述重量百分比的组分：1.0%的Yb，1.0%的Nd，1.0%的Mg，6.0%的Zr，0.8%的Al，0.03%的Fe，0.001%的Zn，0.005%的Mn，0.001%的Ti，以及不可避免的杂质，余量为铜。首先，采用电解铜作为铜原料，按配比向熔炼设备中加入各合金元素，熔炼设备为中频真空感应炉，熔炼时的真空度为40Pa，熔炼最高温度为1100℃，熔炼时间为30分钟，使合金成熔融态。将所述熔融态的合金，在350r/min的离心速度下缓慢浇注，浇注温度为1200℃，浇注时向所述熔炼设备中充入氩气至0.5MPa，获得铸锭。然后，将所述铸锭冷却至室温后，加热到850℃进行退火，并保温2小时，之后空冷，将空冷至300℃的铸锭再加热到500℃回火，并保温1小时，最后再次空冷至室温所得到铜合金产品的常温抗拉强度为800MPa，延伸率为8%，导电率为90% IACS。
对比例1：
将不掺杂稀土元素La和Pr，其他元素含量与实施例1相同的铜合金，采用同样熔炼、铸造和热处理步骤制备后，所得到的铜合金产品的常温抗拉强度仅为400MPa，导电率为60%IACS。
对比例2：
将元素成分和含量与实施例1相同的铜合金，采用同样熔炼和铸造步骤，但改变热处理过程，在退火后不再进行回火，或改变退火和回火温度，则所得到的铜合金产品的常温抗拉强度同样只有400~500MPa，导电率为50~70%。
由实施例1-3和对比例1和2可以看出，通过利用根据本发明实施例的一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，选择特定的稀土元素La和Pr并严格控制其含量，结合热处理工艺步骤及参数，明显改善并提高了合金的抗拉强度、延伸率和导电率，获得了目前市场上需求的高强、高导、低成本的高性能铜合金。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，其特征在于：所述铜合金含有下述重量百分比的组分：0.1~1.0 %的La，0.1~1.0 %的Pr，1.0~3.0 %的Mg，4.0~8.0 %的Zr，0.5~1.0 %的Al，0.01~0.1 %的Fe，0.001~0.005 %的Zn，0.001~0.005 %的Mn，0.001~0.005%的Ti，以及不可避免的杂质，余量为铜，所述的制备方法由熔炼合金步骤、铸造步骤和热处理步骤所组成；具体为，
熔炼合金步骤：采用电解铜作为铜原料，按配比向熔炼设备中加入各合金元素，使合金熔炼成熔融态；
铸造步骤：将所述熔融态的合金，缓慢浇注，获得铸锭；
热处理步骤：将所述铸锭冷却至室温后，加热进行退火，保温之后空冷，再将铸锭加热回火，保温，最后再次空冷至室温。
2.如权利要求1所述的一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，其特征在于：所述熔炼合金步骤中，采用电解铜作为铜原料，按配比加入各合金元素，所述熔炼设备为中频真空感应炉，熔炼时的真空度为30~40Pa，熔炼最高温度为1100~1300℃，熔炼时间为10~30分钟，使合金成熔融态。
3.如权利要求1所述的一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，其特征在于：所述铸造步骤中，将所述熔融态的合金，在300~350r/min的离心速度下缓慢浇注，浇注温度为1200℃，浇注时向所述熔炼设备中充入氩气至0.5MPa，获得铸锭。
4.如权利要求1所述的一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，其特征在于：所述热处理步骤中，将所述铸锭冷却至室温后，加热到800~850℃进行退火，并保温2~4小时，之后空冷，将空冷至300℃的铸锭再加热到500~600℃回火，并保温1~2小时，最后再次空冷至室温。
5.如权利要求1所述的一种高强度稀土掺杂铜合金的制备方法，其特征在于：所述热处理步骤后所得到铜合金产品的常温抗拉强度为600~800MPa，延伸率为8~10%，导电率为85~90% IACS。
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