CN106191506A - 一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，将金属铜和金属铝进行配比熔炼，熔炼炉温度为1250～1300℃，将熔炼好的铜铝合金进行连续铸造，并控制铸造结晶器的冷却水温度以得到含氧合金铜杆；利用连续挤压机将含氧合金铜杆在密闭的挤压腔内重复连续挤压，得到成分均匀的合金铜杆；然后进行高温时效处理，在保护气体下充分发生置换反应，确保Al2O3的生成，经冷拉处理，得到弥散强化铜合金，淘汰不合格产品，得到成品Al2O3弥散强化铜合金。本发明缩短了弥散强化铜合金的制备工艺流程，成本低，所得铜合金产品质量稳定，性能优异，满足了社会对高强高导弥散强化铜合金的需求，便于在更多领域推广使用，经济效益好，实用性强。

Description

一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺
技术领域
本发明属于有色金属行业铜合金加工的技术领域，具体是一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺。
背景技术
目前生产氧化铝弥散强化铜合金采用最多的两种方法分别为内氧化法和机械合金化法两种工艺，其中，内氧化法工艺的流程为：铜铝合金熔炼→雾化制粉→氧原制备→配氧混料→等静压→内氧化→还原→封套→热挤压→拉拔→检测→成品。其代表专利为：《一种Al2O3弥散强化铜合金及其制备方法》，申请号为：CN200610128421.8。机械合金化法工艺的流程为：铜粉+氧化铝粉→混粉→等静压→还原→热挤压→拉拔→检测→产品。其代表专利为：《弥散强化铜合金材料生产工艺方法》，专利申请号为:CN200610031607.1。
以上两种方法均为粉末冶金法，其工艺流程长，且在合金制粉和混料过程中对环境质量要求苛刻，稍有不慎就会对合金粉沫造成污染，影响下步工艺和成品质量。工艺路线长，造成了管理要素多，加工难度大，而且成品率低，质量不稳定，难以大批供货，所以至今市场化程度不高。
发明内容
本发明的目的是为了抛弃了传统的粉末冶金生产路线，提供一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，缩短弥散强化铜合金的制备工艺流程，降低设备投资和生产成本，达到产品质量的可控性，实现规模化生产。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其包括以下步骤：(1)、将金属铜和金属铝进行配比熔炼，控制原材料中Cu含量为99.93～99.3wt％，Al含量为0.07～0.7wt％，熔炼炉温度控制在1250～1300℃，炉子功能选择要确保合金成份混合搅拌均匀；
(2)、将熔炼好的铜铝合金进行上引式或水平式或轮带式连续铸造，并控制铸造结晶器的冷却水温度以得到含氧合金铜杆；
(3)、利用连续挤压机将含氧合金铜杆在密闭的挤压腔内重复连续挤压，通过重复连续的挤压过程，得到成分均匀的合金铜杆；
(4)、将步骤(3)得到的合金铜杆进行高温时效处理，在保护气体的保护下充分发生置换反应，确保Al2O3的生成，使Al2O3成为合金中的强化项弥散在铜合金中；
(5)、将步骤(4)所得合金经过冷拉加工处理，得到弥散强化铜合金，再经检测，淘汰不合格产品，得到成品Al2O3弥散强化铜合金。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，成品Al2O3弥散强化铜合金中Al2O3占铜合金的质量分数为0.1％～2％。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，步骤(2)的铸造温度控制在1150～1200℃。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，步骤(2)含氧合金铜杆的含氧量控制在550～6000PPm。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，步骤(4)高温时效处理的温度为500～900℃，时间为2～10h。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，步骤(4)的保护气体为H2和N2的混合气体，其中，H2的体积含量为15～30％，N2的体积含量为70～85％。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，所述的金属铜为阴极铜或含铜量等同于阴极铜的废旧料，所述的金属铝为电解铝锭或含铝量等同于电解铝锭的废旧料。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，步骤(2)将熔炼好的铜铝合金进行上引式或水平式或轮带式连续铸造，先得到无氧合金铜杆，然后通过高温氧化获得含氧合金铜杆。
前述的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其中，以金属锆、金属镁中的一种或两种代替金属铝或与金属铝混合，采用同样的工艺方法得到弥散强化铜合金，其强化项为ZrO2、MgO中的一种或者是ZrO2、MgO、Al2O3中的两种或三种，该强化项占铜合金的质量分数为0.1％～2％。
本发明的技术原理是这样的，纯净的Al2O3微粒属于陶瓷粒子，熔点高，密度小，是无法通过熔炼进入铜合金的。所以原工艺一直都是通过粉末冶金的方法将铜粉和氧化铝粉混合后先压铸成粉锭，经加热后挤压成型。
本发明的技术按牌号不同直接将铜铝按照铜铝的质量比为99.3～99.93％：0.07～0.7％的比例将铜铝熔化配制成合金。在引铸时通过控制冷却水的冷却强度实现控氧氧化，达到置换反应所需要的氧含量。此时的氧大多以氧化亚铜的形式产生在铜杆表面。
铜杆通过连续挤压机的挤压使内外成分充分混匀，为了使此混匀过程更加充分，重复连续挤压过程以确保挤压后获得的产品成分均匀。此时氧化亚铜被均匀的分布在合金中，与合金中均匀分布的铝形成接触，发生如下置换反应：
3Cu2O+2Al＝6Cu+Al2O3
此置换反应在连续挤压产生的高温下得以迅速实现。但由于挤压过程时间短，反应来不及完全实现(虽然经过重复挤压)。因此需要采用高温时效的办法，在保护气体的保护下让置换反应有充分的时间得以实现。
置换反应完全实现后合金中的氧化亚铜被还原为金属铜。合金中的铝被氧化为Al2O3，Al2O3成为合金中的强化项弥散在铜合金中，经过拉拔的冷加工处理得到弥散强化铜合金。
具体实施时，原材料可以是金属铝、金属锆、金属镁中的一种或几种与金属铜进行配比熔炼，相应地，合金中的强化项可以是Al2O3、ZrO2、MgO中的一种或几种混合，最终得到的强化弥散铜合金中强化项占铜合金的质量分数为0.1％～2％。利用本发明的工艺方法均可实现这些氧化物的弥散强化铜合金。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，借由上述技术方案，本发明一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
(1)、与原工艺相比，本发明省略了繁琐的制粉和粉料处理过程，采用直接铸造合金的方法保证了合金成分的均匀，所选用的熔铸设备、连续挤压设备等均是通过能力大、性能稳定的基础设备，稳妥可靠。
(2)、本发明有效解决了粉末冶金法生产弥散强化铜合金质量不稳定，大量使用仍需进口的局面，所得弥散强化铜合金产品质量稳定；其各项性能指标随铝含量的不同而不同。弥散强化铜合金产品的导电率(20℃)％IACS为：80～90％，抗拉强度Rm/MPa(室温)500～620、软化温度≥900℃。其优异的力学性能和高温抗氧化性，满足了社会对高强高导弥散强化铜合金的需求，便于在更多领域推广使用，可以推动航空航天以及超高压配送电等高科技行业的发展。
(3)、本发明工艺流程短，设备简单可靠，通过能力大，提高了工作效率，易于大规模组织生产，能够实现市场化生产，产品质量稳定，生产成本低，经济效益好，实用性强。
综上所述，本发明一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
【主要元件符号说明】
无
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
本发明的工艺方法具体如下：
(1)、将铜和铝按照合金牌号的不同进行配比熔炼，控制Cu含量99.93～99.3wt％，Al含量0.07～0.7wt％，熔炼炉温度控制在1250～1300℃，炉子功能选择要确保合金成份混合搅拌均匀；
(2)、将熔炼好的铜铝合金进行上引式或水平式或轮带式连续铸造，铸造温度控制在1150～1200℃，并控制铸造结晶器冷却水的温度以得到含氧合金铜杆，亦可先得到无氧合金铜杆后通过高温氧化获得含氧合金铜杆；含氧合金铜杆的含氧量控制在550～6000PPm；
(3)、利用连续挤压机技术将含氧合金铜杆在密闭的挤压腔内重复连续挤压，通过两次以上重复的连续挤压过程，得到成分均匀的合金铜杆；
(4)、将步骤(3)得到的合金铜杆在500～900℃的状态下进行高温时效处理2～10小时，在含H2 15～30％(体积百分含量)、N2 70～85％(体积百分含量)保护气体的保护下充分发生置换反应，确保Al2O3的生成。
(5)、将步骤(4)所得合金经过冷拉加工处理，得到弥散强化铜合金，再经检测，淘汰不合格产品，得到成品Al2O3弥散强化铜合金。
所述的金属铜通常为阴极铜或含铜量等同于阴极铜的废旧料，金属铝为电解铝锭或含铝量等同于电解铝锭的废旧料。
本发明抛弃了传统的粉末冶金路线，直接铸造铜铝合金杆，保证了合金成分的均匀度。并控制表面氧化量以达到标准配氧的目的。利用连续挤压机技术将铜杆表面的氧化亚铜与铜铝合金在密闭的挤压腔内充分接触，由于连续挤压是个再结晶过程，故此温度较高，使得合金中的氧化亚铜和铝有充足的接触和发生置换的反应条件，从而获得合金中氧化铝的颗粒成分。为了保证混料均匀采取重复连续挤压过程。该工艺过程无论是铸杆、控氧氧化或连续挤压均为成熟的标准设备。设备通过能力大，生产成本低，并可以大规模连续生产。便于产品在国内外市场的推广和普及。
实际应用中，也可以用金属铝、金属锆、金属镁中的一种或几种与金属铜进行配比熔炼，其工艺方法同Al2O3弥散强化铜合金的制备工艺相同，得到的强化铜合金中，强化项可以是Al2O3、ZrO2、MgO中的一种或几种混合，最终得到的强化弥散铜合金中强化项占铜合金的质量分数为0.1％～2％。利用本发明的工艺方法均可实现这些氧化物的弥散强化铜合金。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种外氧化弥散强化铜合金的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将金属铜和金属铝进行配比熔炼，控制原材料中Cu含量为99.93～99.3wt％，Al含量为0.07～0.7wt％，熔炼炉温度控制在1250～1300℃，炉子功能选择要确保合金成份混合搅拌均匀；
(2)、将熔炼好的铜铝合金进行上引式或水平式或轮带式连续铸造，并控制铸造结晶器的冷却水温度以得到含氧合金铜杆；
(3)、利用连续挤压机将含氧合金铜杆在密闭的挤压腔内重复连续挤压，通过重复连续的挤压过程，得到成分均匀的合金铜杆；
(4)、将步骤(3)得到的合金铜杆进行高温时效处理，在保护气体的保护下充分发生置换反应，确保Al2O3的生成，使Al2O3成为合金中的强化项弥散在铜合金中；
(5)、将步骤(4)所得合金经过冷拉加工处理，得到弥散强化铜合金，再经检测，淘汰不合格产品，得到成品Al2O3弥散强化铜合金。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于成品Al2O3弥散强化铜合金中Al2O3占铜合金的质量分数为0.1％～2％。
3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于步骤(2)的铸造温度控制在1150～1200℃。
4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于步骤(2)含氧合金铜杆的含氧量控制在550～6000PPm。
5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于步骤(4)高温时效处理的温度为500～900℃，时间为2～10h。
6.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于步骤(4)的保护气体为H2和N2的混合气体，其中，H2的体积含量为15～30％，N2的体积含量为70～85％。
7.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于所述的金属铜为阴极铜或含铜量等同于阴极铜的废旧料，所述的金属铝为电解铝锭或含铝量等同于电解铝锭的废旧料。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的制备工艺，其特征在于步骤(2)将熔炼好的铜铝合金进行上引式或水平式或轮带式连续铸造，先得到无氧合金铜杆，然后通过高温氧化获得含氧合金铜杆。
9.根据权利要求1-8任一权利要求所述的制备工艺，其特征在于以金属锆、金属镁中的一种或两种代替金属铝或者与金属铝混合，采用同样的工艺方法得到弥散强化铜合金，其强化项为ZrO2、MgO中的一种或者是ZrO2、MgO、Al2O3中的两种或三种，该强化项占铜合金的质量分数为0.1％～2％。
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