CN103540788B

CN103540788B - 一种Cr纳米结构晶粒铜的制备方法

Info

Publication number: CN103540788B
Application number: CN201310477158.3A
Authority: CN
Inventors: 王自东; 侯彬; 陈晓华; 刘松; 康乐; 戴斯海
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-10-14
Also published as: CN103540788A

Abstract

一种Cr纳米结构晶粒铜的制备方法，属于金属材料领域，各组分的重量百分比：铬0.2～0.5%、锆0.1～0.3%、镁0.05～0.2%、铈0.01～0.02%，通过控制离心速率和离心时间，铸造出含有纳米颗粒的铜合金。这种纳米颗粒在熔融态时作为形核核心，晶粒尺寸显著减小。由于第二相纳米颗粒对位错运动的阻碍以及细小的晶粒，铸态下铜合金的强度得到一定程度的提高。通过后续形变强化和固溶时效，以及与基体保持共格或半共格的Cr纳米颗粒的作用下合金的强度比同等合金显著提高，时效后导电率也得到了很好地保持，强度和导电率分别达到：560MPa～640MPa，70%IACS～83%IACS。

Description

一种Cr纳米结构晶粒铜的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，可以适用于引线框架、电车线、电气工程开关触桥、发电机等需要高强度和高导电率铜合金的领域。

背景技术

随着电子行业及其高速列车事业的迅猛发展，对铜合金的性能提出了更高的要求。不仅需要强度指标而且对导电性能也提出了较高的要求，高强高导是铜合金发展的趋势。目前国内高强高导铜合金技术比较落后，还严重依赖进口。因此发展具有自主知识产权的高强高导铜合金，不仅具有巨大的经济效益，而且具有良好的社会效益。

国内外大量的研究表明，通过在铜中添加多种固溶强化型合金元素（Cr、Ag、Sn、Zr、Mg、Si等）或者增加合金元素的质量百分比，然后经过固溶-轧制-时效工艺可以显著提高合金的强度，但随着合金元素种类和含量的增加，导电率迅速降低。我们知道，通过传统的方法制备高强高导铜合金的难点就是合金强度和导电性的反函数关系，即通过传统方法提高强度往往是以牺牲导电率为代价，或者为改善导电率往往损失了强度。因此通过特殊的工艺方法制备的铜合金，在提高强度的同时，又不损害导电率是高性能铜合金研制的重点和难点。

发明内容

为了提高铜合金的强度和导电率，本发明提供了一种Cr纳米结构晶粒铜的制备方法。

一种Cr纳米结构晶粒铜的制备方法，合金成分质量百分比为(0.2～0.5%)Cr，(0.1～0.3%)Zr，(0.05～0.2%)Mg，（0.01～0.02%)Ce，其余为Cu，该方法的步骤如下：

1）真空感应熔炼，采用木炭保护，感应炉升温至1150℃熔化电解Cu,，再添加Cu-Cr、Cu-Mg和Cu-Zr中间合金；

2）升温至1250～1350℃保温20～25min，利用电磁感应的搅拌作用混合均匀；

3）迅速降温至1080℃～1100℃，然后升温至1150℃～1200℃，进行离心浇铸100r/min～120r/min,离心10min～15min；

4）对合金进行固溶水淬；

5）对合金进行冷轧

6）对合金退火。

通过合金元素一定的配比和离心真空铸造，铸造出含有纳米颗粒的铸造铜合金，这种纳米级的颗粒作为形核核心可以明显的起到细化晶粒的作用，使铸态的铜合金由有常规铸造的树枝晶和柱状晶转变为等轴晶，Cr纳米颗粒与铜基体保持共格或半共格关系，铜合金性能显著提高。通过后续的固溶（温度为960℃～980℃，时间为2h～4h）、冷轧（变形量40%、60%、80%）、退火（温度为450℃～480℃，时间为2h～8h）进一步提高综合性能，强度和导电率分别达到：560MPa～640MPa，70%IACS～83%IACS。

本设计发明Cr纳米结构晶粒铜的主要原则是：

（1）通过合金元素合适的配比和离心，使铜合金在熔融状态下生成Cr纳米级颗粒，这种颗粒弥散分布于熔体中，作为形核的核心大量形核。一定的离心速率使晶粒受到剪切力的作用，长大的晶粒被分割成细小的晶粒，因此铸态下晶粒比较细小。

（2）铬、锆、镁这些合金元素，在铜中高温和低温的溶解度差别很大，固溶处理效果明显，可以形成过饱和的固溶体。为后续的时效处理奠定基础。

（3）时效后析出相能弥散的分布在基体里，并与基体保持着共格或半共格的关系，强度得到大幅度提高，导电率也得到很好保持。

本发明Cr纳米结构晶粒铜，通过精确控制熔体流场流动、浓度场和温度场分布，在Cu合金熔体的凝固过程中直接产生与基体界面共格或半共格的原位纳米颗粒，这些纳米颗粒受到电磁搅拌等作用均匀的分布在基体内，作为Cu合金的形核核心显著地细化凝固微结构组织，得到强化的基体组织，这些Cr颗粒能阻碍位错的运动，大幅度提高了材料的强度，同时由于与基体保持共格或半共格的关系，大大减小了对电子的散射作用，导电性能得到很好保持。

附图说明

图1为铸态所得Cr纳米结构晶粒铜的TEM照片及衍射斑点；

图2为铸态所得Cr纳米颗粒的HRTEM照片；

图3时效态Cr纳米结构晶粒铜的光学显微镜照片（a）和TEM照片（b）。

具体实施方案

本实验铜合金材料为Cu-(0.2～0.5%)Cr-(0.1～0.3%)Zr-(0.05～0.2%)Mg-（0.01～0.02%)Ce

（1）采用真空熔炼技术，Cr、Mg和Zr采用Cu-Cr、Cu-Mg和Cu-Zr中间合金的形式加入；

（2）真空中纯铜和Cu-Cr一起熔炼，待升温至1150℃，充入氩气并加入Cu-Mg和Cu-Zr中间合金。Cr、Zr、Mg的烧损率分别按5%、20%、10%来计算；

（3）温度达1250℃～1350℃左右保温20min～25min，迅速降温至1080℃～1100℃，然后升温至1150℃～1200℃，开始浇铸同时打开离心机，设定转速为100r/min～120r/min，10min～15min后停止离心；

（4）抽真空，然后充入氩气至一个大气压。30min后破真空，空冷至室温；

（5）待冷却后固溶，温度为960℃～980℃，时间为2～3h；

（6）冷轧变形量为70%～80%

（7）时效处理温度450℃～480℃，时间为5h～8h。

Claims

1.一种Cr纳米结构晶粒铜的制备方法，其特征在于，合金成分质量百分比为：(0.2～0.5％)Cr，(0.1～0.3％)Zr，(0.05～0.2％)Mg，(0.01～0.02％)Ce，其余为Cu，制备步骤如下：

1)真空感应熔炼，采用木炭保护，感应炉升温至1150℃熔化电解Cu,，再添加Cu-Cr、Cu-Mg和Cu-Zr中间合金；

2)升温至1250℃～1350℃，保温20min～25min，利用电磁感应的搅拌作用混合均匀；

3)迅速降温至1080℃～1100℃，然后升温至1150℃～1200℃，进行离心浇铸100r/min～120r/min,离心10min-15min；

4)对合金进行固溶水淬；

5)对合金进行冷轧；

6)对合金退火；

所采用的中间合金为Cu-5％Cr、Cu-20％Zr、Cu-10％Mg，并进行降温除气，熔体中含有的高熔点析出相Cr，在离心力的作用下形成纳米级的析出相，形成离心浇铸；

步骤4)所述的固溶温度为960℃～980℃，时间为2h～4h；步骤5)所述的冷轧变形量为40％、60％、80％，即冷轧分为3步，第一步冷轧变形量为合金总体积的40％，第二步冷轧变形量为总体积的60％，冷轧变形量为总体积的80％；步骤6)所述的退火温度为450℃～480℃，时间为2h～8h。