CN106191725B - 高强度高导电铜合金纳米相析出工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铜合金加工技术领域，特别是涉及一种高强度高导电铜合金纳米相析出的工艺方法。包括如下步骤：毛坯准备，感应加热，热挤压，余热固溶，冷加工，时效处理，冷加工，时效处理，冷加工，时效处理，后续加工。该工艺技术将加工率和热处理参数进行阶梯型分配设计，使铜合金二次析出相沿不同路径析出，提高了铜合金基体强度，有利于铜合金相晶粒细化，减小应力集中，提高导电能力。

Description

高强度高导电铜合金纳米相析出工艺方法

技术领域

本发明属于铜合金加工技术领域，特别是涉及一种高强度高导电铜合金纳米相析出的工艺方法。

背景技术

高强度高导电铜合金在航空航天、高速列车、电子信息等行业有着广泛的应用，是高端铜合金的主要发展方向之一，因其良好的综合性能广泛应用于电子电路、高压输电、新武器研究等领域。目前高强度高导电铜合金材料的应用集中在高速列车接触线、集成线路用引线框架等多个方面，未来在核电用端环、电磁发射用导轨、航空发动机等方面有着巨大的应用潜力。随着我国高速铁路、远程输电等行业的发展，国内对高强度高导电铜合金的需求也会越来越多。目前国内对高强度高导电铜合金的需求主要依赖进口。

高强度高导电铜合金抗拉强度在500～600MPa之间，导电率一般≥50％IACS，是一种良好的物理性能和力学性能同时兼具的功能性材料。随着铜合金强度提高，其导电率会有所下降，该类铜合金的强度和导电率两者是一对矛盾的存在，在制造技术上有很大难度。研发高强度高导电铜合金需要从铜合金成分设计、制造工艺设计等多方面进行技术研究创新。通过一定的工艺技术方法，是铜合金内的合金相细化，呈纳米相状态析出，可起到细化基体晶粒、减小机体内应力集中、提高基体强度的作用。因此开展铜合金纳米想析出工艺研究，是高强度高导电铜合金研发主要工作之一。

一般情况下铜合金的基体强度与导电率存在着相互矛盾关系，这与传统的铜合金成分及制造工艺过程有关。传统的制式铜合金无论是成分设计还是制造工艺设计，几乎都是以提高强度为主，并没有注重铜合金导电能力的提高，而用户对铜合金导电能力也没有过高的需求(抗拉强度R_m 350MPa，导电率50％IACS)。市场上常见的导电用铜型材虽有高的导电率需求(导电率≥90％IACS)，其抗拉强度要求却很低(300MPa)，一般的纯铜材料或高纯度的铜合金材料就能满足要求。目前高端的高强度高导电铜合金要求其强度大于550MPa的同时，其基体导电率大于≥80％IACS。传统的铜合金加工工艺，冷加工变形量较大，能够提高铜合金强度，但容易造成铜合金基体内部形成大量的位错，产生内应力。变形量越大、产生位错越多，内应力也越大，而位错和内应力的增多会增加铜合金基体导电时的电阻，降低导电能力，根本无法同时满足高强度和高导电的性能要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的提供一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺。

一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，包括如下步骤；

1)毛坯准备：

制备毛坯的原料，以熔炼100kg铜合金计，包括：纯铜块100-105kg、金属铬1-1.2kg、金属镍0.2-0.3kg、金属锌0.1-0.2kg、金属银2.0-2.5kg、CuBe(Be10％)合金1-1.2kg、CuSi(Si10％)合金0.6-1.0kg；

制备毛坯的工艺：按上述比例分别称取原料重量的80-90％，混合后放入中频感应炉内，在1200℃下熔炼，经精炼、除渣后取样做炉前分析，根据分析结果，利用剩余的原料调整化学成分，直至成分合格为止。然后在1130℃下静置除气5min，浇铸，锯切断料，制成长度为600mm、车外圆为的铜合金毛坯；

2)感应加热：

将步骤1)制备的毛坯置于感应器内部，接通中频感应电源和感应器，加热到固溶温度950℃-1000℃，并保温10-12min；(感应加热使毛坯内部产生涡流，实现对毛坯的加热，目的是让合金元素在高温下充分溶解到铜晶格中，为余热固溶打好基础。)

3)热挤压：

将步骤2)经感应加热后的毛坯放入热挤压机的模腔内，挤压机从模腔一端施加压力2500t，毛坯料从另一端按模具形状挤出，制成铜合金半制品；

4)余热固溶：

将步骤3)的铜合金半制品立即投入冷却水中快速冷却，完成铜合金的固溶处理。(通过余热固溶，使合金元素来不及从铜晶格中析出，在铜合金基体内部形成过饱和的固溶体，为步骤5)时效处理时合金元素呈纳米状态析出做好组织准备。)

5)分梯次冷加工和时效处理：

第一次冷加工和时效处理：进行加工率为8-12％的冷加工，后在450-510℃温度下，进行4h±2min的时效处理；第二次冷加工和时效处理：进行加工率为3-6％的冷加工，后在450-510℃温度下，进行3h±2min的时效处理；第三次冷加工和时效处理：进行加工率为3-6％的冷加工，后在450-510℃温度范围内，进行3h±2min的时效处理；(第一次冷加工和时效处理，使小部分合金元素以纳米状态沿晶界析出；第二次冷加工和时效处理使剩余的小部分合金元素再以纳米状态沿晶界析出，但析出位置与前次析出不同，不会形成大的合金相聚集；第三次冷加工和时效处理，使剩余的小部分合金元素再以纳米状态沿晶界析出，但析出位置与前两次析出不同，不会形成大的合金相聚集。)

6)后续加工：

对步骤5)成品进行机械切削、表面处理，检验检测，合格后入库。

进一步，步骤3)中，热挤压后的铜合金半制品是细长状的异形截面型材。

进一步，步骤4)中，冷却水是室温状态的流动水，一般温度不超过40℃；余热固溶后铜合金半制品的温度与冷却水温度相同。

进一步，步骤5)中，冷加工指采用冷拔方式进行整体加工。

进一步，步骤5)中，采用车底炉对铜合金进行时效处理。

本发明的工艺原理：一般情况下，提高铜合金强度的途径有冷加工硬化、固溶强化和沉淀强化等多种，当采用冷加工硬化为主要方法提高基体强度时，需加大变形加工率，铜合金的变形主要以晶内变形为主，会在铜合金晶粒内部产生大量的晶格畸变，大量的晶格畸变会降低铜基体导电能力，因此，铜合金的基体强度与导电率存在着相互矛盾关系”。针对此本发明采用如下技术手段：(1)向铜合金中加入合金元素，且加入的合金元素均是在低含量时对铜导电能力影响很小的元素，如，CuBe(Be10％)合金(中间合金，目的是加入Be元素)、CuSi(Si10％)合金(中间合金，目的是加入Si元素)，这些合金元素在提高铜合金基体强度的同时，只是稍微降低铜合金的导电能力(降低1％IACS)，从而使铜合金仍能保持高的导电能力；(2)减小冷加工变形量，同时增加固溶强化和沉淀硬化所占比重。固溶强化，合金元素固溶于铜晶粒内部，合金元素产生的晶格畸变主要集中在合金原子周围，晶格畸变的分布相对于冷加工硬化比较分散，均匀性差，对导电能能力影响较小；沉淀硬化，合金强化相沿晶界析出，可以提高基体强度，同时产生的晶格畸变相对薄弱，对导电能力的影响也很小。因此，在强化途径的选择上要以固溶强化和沉淀硬化为主，以冷加工硬化为辅助手段，以此实现铜合金拥有高强度时，仍能保持较高的导电能力。

与现有技术相比较，本发明具有如下技术创新点：

(1)本发明采用阶梯型分配加工率和热处理参数，使铜合金元素在沉淀析出时沿不同的路径析出，使沉淀合金元素在铜基体晶界上以纳米颗粒呈弥散均匀分布。在提高铜合金基体强度的同时，有利于铜合金相晶粒细化，减小应力集中，提高导电能力。有效解决了高强度高导电铜合金基体强度与导电率的矛盾。

(2)一般情况下，铜合金时效处理的保温时间是10h，本发明将铜合金的时效处理设计成“冷加工--时效处理”三次循环的形变热处理工艺。由于在时效处理过程中，部分固溶的合金元素要析出形成沉淀相，当一次时效处理时间足够长时，析出的合金相就会聚集长大，若将时效处理时间分多次进行，每次时效处理时间很短，每次形成的合金相就会变小；同时，由于两次时效处理之间增加了冷加工工序，改变了合金元素析出的路径，避免了合金元素在同一位置析出聚集，由此形成颗粒直径很小的合金相---纳米相。即颗粒直径很小(小于100nm)的合金相，使合金相呈弥散分布，可大幅度减小应力集中，减小了冷加工变形中开裂可能性。此种阶梯型“冷加工--时效处理”三次循环的形变热处理工艺，使铜合金元素在沉淀析出时沿不同的路径析出，使沉淀合金元素在铜基体晶界上成弥散均匀分布。在提高铜合金基体强度的同时，有利于铜合金相晶粒细化，减小应力集中，提高导电能力。有效解决了高强度高导电铜合金基体强度与导电率的矛盾。

(3)本发明是进行高强高导铜合金加工工艺设计的有益性尝试和探索，有利于培养国内高端铜合金制造核心关键技术。

具体实施方式

下面提供几个具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，包括如下步骤；

1)毛坯准备：

制备毛坯的原料，以熔炼100kg铜合金计，包括：纯铜块100kg、金属铬1.2kg、金属镍0.2kg、金属锌0.2kg、金属银2.0kg、CuBe(Be10％)合金1.2kg、CuSi(Si10％)合金1.0kg；

制备毛坯的工艺：按上述比例分别称取原料重量的80-90％，混合后放入中频感应炉内，在1200℃下熔炼，经精炼、除渣后取样做炉前分析，根据分析结果，利用剩余的原料调整化学成分，直至成分合格为止。然后在1050℃下静置除气5min，浇铸，锯切断料，制成长度为600mm、车外圆为的铜合金毛坯。

2)感应加热：

将步骤1)制备的毛坯置于感应器内部，接通中频感应电源和感应器，加热到固溶温度950℃-960℃，并保温12min；

3)热挤压：

将步骤2)经感应加热后的毛坯放入热挤压机模腔内，挤压机从模腔一端施加压力2500t，毛坯料从另一端按模具形状挤出，制成铜合金半制品；

4)余热固溶：

将步骤3)的铜合金半制品立即投入冷却水中快速冷却，完成铜合金的固溶处理；

5)分梯次冷加工和时效处理：

第一次冷加工(加工率8％)；第一次时效处理460±10℃，保温4h±2min；第二次冷加工(加工率6％)，第二次时效处理(460±10℃，保温3h±2min)；第三次冷加工(加工率3％)；第三次时效处理(480±10℃，保温3h±2min)；

6)后续加工：

对步骤5)成品进行机械切削、表面处理，检验检测，合格后入库。

实施例2

一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，包括如下步骤；

1)毛坯准备：

制备毛坯的原料，以熔炼100kg铜合金计，包括：纯铜块101kg、金属铬1.1kg、金属镍0.25kg、金属锌0.15kg、金属银2.25kg、CuBe(Be10％)合金1.1kg、CuSi(Si10％)合金0.7kg；

制备毛坯的工艺：按上述比例分别称取原料重量的80-90％，混合后放入中频感应炉内，在1200℃下熔炼，经精炼、除渣后取样做炉前分析，根据分析结果，利用剩余的原料调整化学成分，直至成分合格为止。然后在1050℃下静置除气5min，浇铸，锯切断料，制成长度为600mm、车外圆为的铜合金毛坯。

2)感应加热：

将步骤1)制备的毛坯置于感应器内部，接通中频感应电源和感应器，加热到固溶温度960-970℃，并保温11.5min；

3)热挤压：

将步骤2)经感应加热后的毛坯放入热挤压机模腔内，挤压机从模腔一端施加压力2500t，毛坯料从另一端按模具形状挤出，制成铜合金半制品；

4)余热固溶：

将步骤3)的铜合金半制品立即投入冷却水中快速冷却，完成铜合金的固溶处理；

5)分梯次冷加工和时效处理：

第一次冷加工(加工率9％)；第一次时效处理470±10℃，保温4h±2min；第二次冷加工(加工率3％)，第二次时效处理(480±10℃，保温3h±2min)；第三次冷加工(加工率6％)；第三次时效处理(490±10℃，保温3h±2min)；

6)后续加工：

对步骤5)成品进行机械切削、表面处理，检验检测，合格后入库。

实施例3

一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，包括如下步骤；

1)毛坯准备：

制备毛坯的原料，以熔炼100kg铜合金计，包括：纯铜块103kg、金属铬1kg、金属镍0.2kg、金属锌0.2kg、金属银2.3kg、CuBe(Be10％)合金1.2kg、CuSi(Si10％)合金0.8kg；

制备毛坯的工艺：按上述比例分别称取原料重量的80-90％，混合后放入中频感应炉内，在1200℃下熔炼，经精炼、除渣后取样做炉前分析，根据分析结果，利用剩余的原料调整化学成分，直至成分合格为止。然后在1050℃下静置除气5min，浇铸，锯切断料，制成长度为600mm、车外圆为的铜合金毛坯。

2)感应加热：

将步骤1)制备的毛坯置于感应器内部，接通中频感应电源和感应器，加热到固溶温度970-980℃，并保温11min；

3)热挤压：

将步骤2)经感应加热后的毛坯放入热挤压机模腔内，挤压机从模腔一端施加压力2500t，毛坯料从另一端按模具形状挤出，制成铜合金半制品；

4)余热固溶：

将步骤3)的铜合金半制品立即投入冷却水中快速冷却，完成铜合金的固溶处理；

5)分梯次冷加工和时效处理：

第一次冷加工(加工率10％)；第一次时效处理480±10℃，保温4h±2min；第二次冷加工(加工率5％)，第二次时效处理(470±10℃，保温3h±2min)；第三次冷加工(加工率5％)；第三次时效处理(500±10℃，保温3h±2min)；

6)后续加工：

对步骤5)成品进行机械切削、表面处理，检验检测，合格后入库。

实施例4

一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，包括如下步骤；

1)毛坯准备：

制备毛坯的原料，以熔炼100kg铜合金计，包括：纯铜块104kg、金属铬1.2kg、金属镍0.3kg、金属锌0.2kg、金属银2.4kg、CuBe(Be10％)合金1.2kg、CuSi(Si10％)合金0.9kg；

制备毛坯的工艺：按上述比例分别称取原料重量的80-90％，混合后放入中频感应炉内，在1200℃下熔炼，经精炼、除渣后取样做炉前分析，根据分析结果，利用剩余的原料调整化学成分，直至成分合格为止。然后在1050℃下静置除气5min，浇铸，锯切断料，制成长度为600mm、车外圆为的铜合金毛坯。

2)感应加热：

将步骤1)制备的毛坯置于感应器内部，接通中频感应电源和感应器，加热到固溶温度980-990℃，并保温10.5min；

3)热挤压：

将步骤2)经感应加热后的毛坯放入热挤压机模腔内，挤压机从模腔一端施加压力2500t，毛坯料从另一端按模具形状挤出，制成铜合金半制品；

4)余热固溶：

将步骤3)的铜合金半制品立即投入冷却水中快速冷却，完成铜合金的固溶处理；

5)分梯次冷加工和时效处理：

第一次冷加工(加工率11％)；第一次时效处理490±10℃，保温4h±2min；第二次冷加工(加工率4％)，第二次时效处理(500±10℃，保温3h±2min)；第三次冷加工(加工率5％)；第三次时效处理(460±10℃，保温3h±2min)；

6)后续加工：

对步骤5)成品进行机械切削、表面处理，检验检测，合格后入库。

实施例5

一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，包括如下步骤；

1)毛坯准备：

制备毛坯的原料，以熔炼100kg铜合金计，包括：纯铜块105kg、金属铬1kg、金属镍0.3kg、金属锌0.1kg、金属银2.5kg、CuBe(Be10％)合金1kg、CuSi(Si10％)合金0.6kg；

制备毛坯的工艺：按上述比例分别称取原料重量的80-90％，混合后放入中频感应炉内，在1200℃下熔炼，经精炼、除渣后取样做炉前分析，根据分析结果，利用剩余的原料调整化学成分，直至成分合格为止。然后在1050℃下静置除气5min，浇铸，锯切断料，制成长度为600mm、车外圆为的铜合金毛坯。

2)感应加热：

将步骤1)制备的毛坯置于感应器内部，接通中频感应电源和感应器，加热到固溶温度990-1000℃，并保温10min；

3)热挤压：

将步骤2)经感应加热后的毛坯放入热挤压机模腔内，挤压机从模腔一端施加压力2500t，毛坯料从另一端按模具形状挤出，制成铜合金半制品；

4)余热固溶：

将步骤3)的铜合金半制品立即投入冷却水中快速冷却，完成铜合金的固溶处理；

5)分梯次冷加工和时效处理：

第一次冷加工(加工率12％)；第一次时效处理500±10℃，保温4h±2min；第二次冷加工(加工率4％)，第二次时效处理(480±10℃，保温3h±2min)；第三次冷加工(加工率4％)；第三次时效处理(490±10℃，保温3h±2min)；

6)后续加工：

对步骤5)成品进行机械切削、表面处理，检验检测，合格后入库。

实施例1-5铜合金的物理机械性能，列于表1中。

表1实施例1-5铜合金的物理机械性能

Claims (4)

1.一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，包括如下步骤;

1）毛坯准备：

制备毛坯的原料，以熔炼100kg铜合金计，包括：纯铜块100-105kg、金属铬1-1.2kg、金属镍0.2-0.3kg、金属锌0.1-0.2kg、金属银2.0-2.5kg、Cu-10wt.%Be合金1-1.2kg、Cu-10wt.%Si合金0.6-1.0kg；

制备毛坯的工艺：按上述比例分别称取原料重量的80-90%，混合后放入中频感应炉内，在1200℃下熔炼，经精炼、除渣，取样做炉前分析，根据分析结果，利用剩余的原料调整化学成分，直至成分合格为止，然后在1130℃下静置除气5min，浇铸，锯切断料，制成长度为600mm、车外圆为φ250mm的铜合金毛坯；

2）感应加热：

将步骤1）制备的毛坯置于感应器内部，接通中频感应电源和感应器，加热到固溶温度950℃-1000℃，并保温10-12min；

3）热挤压：

将步骤2）经感应加热后的毛坯放入热挤压机的模腔内，挤压机从模腔一端施加压力2500t，毛坯料从另一端按模具形状挤出，制成铜合金半制品；

4）余热固溶：

将步骤3）的铜合金半制品立即投入冷却水中快速冷却，完成铜合金的固溶处理；

5）分梯次冷加工和时效处理：

第一次冷加工和时效处理：进行加工率为8-12%的冷加工，后在450-510℃温度下，进行4h±2min的时效处理；第二次冷加工和时效处理：进行加工率为3-6%的冷加工，后在450-510℃温度下，进行3h±2min的时效处理；第三次冷加工和时效处理：进行加工率为3-6%的冷加工，后在450-510℃温度范围内，进行3h±2min的时效处理；其中，所述冷加工指采用冷拔方式进行整体加工；

6）后续加工：

对步骤5）成品进行机械切削、表面处理，检验检测，合格后入库。

2.根据权利要求1所述的一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，步骤3)中，热挤压后的铜合金半制品是细长状的异形截面型材。

3.根据权利要求1所述的一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，步骤4)中，冷却水是室温状态的流动水，一般温度不超过40℃；余热固溶后铜合金半制品的温度与冷却水温度相同。

4.根据权利要求1所述的一种高强度高导电铜合金纳米相析出工艺，步骤5)中，采用车底炉对铜合金进行时效处理。