CN106350698A - 抗软化铜合金、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗软化铜合金、制备方法及其应用，其中抗软化铜合金的组成为：Cr：0.1‑1.0wt％，Zr：0.01‑0.2wt％，Si：0.01‑0.10wt％,Fe：≤0.10wt％，其余为铜和不可避免的杂质，该铜合金微观结构由单质Cr相、Cu₅Zr相和Cr₃Si相组成。本发明铜合金采用添加适量硅元素形成Cr₃Si化合物提升材料抗高温软化效果，同时以单质Cr相和Cu₅Zr相强化铜合金基体，并利用Cr₃Si相和单质Cr相的协同作用，并通过控制Fe杂质的含量，进一步提升材料的强度和抗高温软化性能。发明铜合金可在接触线、连接器、焊接材料上应用，提升材料的使用寿命。

Description

抗软化铜合金、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及铜合金制造领域，尤其涉及一种抗软化铜合金、制备方法及其应用，属于合金新材料技术领域。

背景技术

焊接是一种以加热、高温或高压的方式接合金属或其他材料的制造工艺技术。目前主要有三种方式完成接合材料的目的：熔焊、压焊和钎焊。焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。19世纪末之前，唯一的焊接工艺是铁匠沿用了数百年的金属锻焊。最早的现代焊接技术出现在19世纪末，先是弧焊和氧燃气焊，稍后出现了电阻焊。20世纪早期，随着第一次和第二次世界大战开战，对军用器材廉价可靠的连接方法需求极大，故促进了焊接技术的发展。随着焊接机器人在工业应用中的广泛应用，研究人员仍在深入研究焊接的本质，继续开发新的焊接方法，以进一步提高焊接质量。

纵观现代焊接技术装备的发展，焊接设备自动化及提升生产效率是焊接技术发展的主要驱动力。因铜合金具有良好的强度及电性能，故而在焊接设备中有许多耗材使用铜及其合金，如电阻焊中的电极帽、钎焊中的导电嘴等。随着现代自动化装备尤其是焊接机器人的使用，对导电嘴、电极帽等铜合金的要求日益提高，尤其是其抗高温软化的能力。焊接过程中，由于需加热、高温或高压，因此实际铜合金耗材的使用环境经常是在很高的温度下，所以对铜合金的要求也越来越高。在其他领域内，也存在材料在高温环境下使用的例子，比如电气化铁路接触线，其也需在比较高的温度下长时间使用。因此，开发一款抗高温软化性能更加优良的铜合金便成了迫切的要求。

目前,实际推广的焊接装备导电嘴、电极帽以及电气化铁路接触线等产品多采用传统的铜铬锆合金(如美标C18150)，因其具有优良的强度与导电性能，在上述领域内被广泛应用。但随着机械自动化水平的逐步提高，焊接等行业基本开始采用机器代人策略，以提升生产效率。这种改变就将对其零部件的原材料性能提出新的要求，首当其冲的就是抗高温软化性能，因为抗高温软化性能好，零部件的耗损就小，导致零部件的使用寿命提高，并且焊接过程中的精度也会随之提高。目前传统的铜铬锆合金(如美标C18150)其抗高温软化性能为在580℃下，其硬度损失值在15％以上，这已不能满足相关行业的发展要求，因此，提高材料的抗高温软化性能成了目前迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗高温软化性能更加优异的铜合金，解决了目前铬锆铜合金的抗高温软化性能待提升的问题。

为解决上述问题，通过下面所述技术方案实现：一种抗软化铜合金，所述合金的组成为：Cr：0.1-1.0wt％，Zr：0.01-0.2wt％，Si：0.01-0.10wt％,Fe：≤0.10wt％，其余为铜和不可避免的杂质，该铜合金微观结构由单质Cr相、Cu₅Zr相和Cr₃Si相组成。本发明铜合金采用添加适量硅元素形成Cr₃Si化合物提升材料抗高温软化效果，同时以单质Cr相和Cu₅Zr相强化铜合金基体，并利用Cr₃Si相和单质Cr相的协同作用，并通过控制Fe杂质的含量，进一步提升材料的强度和抗高温软化性能。

各合金元素及相关析出相在铜中的作用如下：

铬常温下在铜中的固溶度很小，只有不到0.5％，但在高温时固溶度相对较大，可达0.65％，因此可实现析出强化，是本发明铜合金中的主要强化元素。在铜合金中，利用热处理可得到单质Cr的弥散强化相粒子，对铜基体形成强化效果。在强化铜基体的同时，Cr还会与铜基体中固溶的Si形成Cr₃Si化合物，经研究发现Cr₃Si化合物为高温稳定化合物相，即使在800℃高温下也不会发生溶解，因此其抗高温软化能力极强。本发明青铜合金铬含量为0.1-1.0％，若铬含量小于此范围，Cr与Si很难形成Cr₃Si，即使形成，数量也不多，不能起到应有的作用，而若铬含量大于此范围，铬将大量析出形成强化相，导致铬在晶界处大量积聚，破坏材料的塑性。

锆在铜合金中有一定的溶解度。锆加入可提高铜基体的再结晶温度，提升铜合金的耐高温软化能力。而且锆会与铜形成Cu₃Zr中间化合物，对铜基体起到强化作用，同时提升铜合金的电性能。本发明铜合金锆含量在0.01-0.2％，若低于此范围，则起不到作用，而高于此范围，虽对合金能够起到强化作用，但会大大降低合金的导电性，影响合金的综合性能。

硅在铜中有一定的固溶度，可强化铜合金基体，但对铜的导电性影响较大，可大幅降低铜合金的导电率。但当铜合金中有适量的铬时，其可形成Cr₃Si相化合物,Cr₃Si为析出相，析出后可大幅提升材料的导电性，因此对铜合金综合性能有好的影响。本发明铜合金硅含量在0.01-0.1％，若低于此范围，则铜合金中形成的Cr₃Si相不足，无法起到作用，而若高于此范围，虽可形成足够的Cr₃Si相，但会大大降低Cr的析出量，影响合金的综合性能。

在本发明中，Fe作为杂质元素而控制，少量的Fe有利于强度的提高，但过高的Fe会影响导电率，因此，在本发明中将Fe含量控制在0.10wt％以下。

本发明铜合金的微观相组成由单质Cr相、Cu₅Zr相和Cr₃Si相组成，各相的作用如下：

Cr₃Si相为合金初生相，在合金液态及结晶过程中产生，其在高温下具有稳定的结构和性能，在800℃下依旧可保持原始结构而不溶解，因此可大幅度提升合金的抗高温软化能力。Cu₅Zr相为本发明铜合金中主要析出强化相之一，其在合金固溶处理后全部溶入铜基体形成过饱和固溶体，在随后的时效过程中从铜基体中析出，弥散分布于合金中。Cu₅Zr相析出后，对位错起到钉扎作用，从而提升铜基体的强度和硬度，同时由于其析出，使得铜基体变得纯净，对电子的阻碍作用减小，电阻率减小而导电率得以大幅度提升。本发明铜合金中的另外一种强化相是单质Cr相，其生成原理与Cu₅Zr相类似，都产生于合金的热处理中，固溶处理后全部溶入铜基体形成过饱和固溶体，在随后的时效过程中从铜基体中析出，弥散分布于合金中。单质Cr相是本发明合金中最重要的强化相，对合金的强度提升起到至关重要的作用。

本发明合金的3个主要强化相既独立存在，又有一定的依存关系，通过添加合适的合金元素比列，形成合理比例的相，对合金的性能有重要作用。单质Cr相是合金中的主要强化相，对合金强化起主要作用，Cr₃Si相为高温相，对合金抗高温软化起主要作用，而Cu₅Zr相是另一中强化相，不仅可以强化合金，同时可以增加形核质点，细化单质Cr相和Cr₃Si相，并使其弥散分布，进而提升强度和抗高温软化效果。

可选的，单质Cr相、Cu₅Zr相、Cr₃Si相，满足如下关系：

设单质Cr相数量为X，Cr₃Si相数量为Y，则：0<X/Y<20。

当强化相达到该比例要求时，该铜合金的抗高温软化性能及强度将得到大幅度的提升。当强化相比例大于20时，合金中的Cr₃Si相数量极少，则合金的抗高温软化性能达不到要求。

可选的，该铜合金含有，Mg：0.0001-0.10wt％。设置该比例的镁，可固溶于铜基体中，对铜合金起到强化的效果，并对铜合金的导电性能影响较小；同时可以有效的清除铜合金中的氧，降低铜合金的氧含量，提升材料品质。

可选的，该铜合金还包括0.01％-2.5wt％的Co，Zn，Mn，Sn，Nb元素的任意一种或两种以上，其总和不超过3.5wt％。上述合金元素加入铜合金中，都可以起到固溶强化、提高材料再结晶温度，进而提升材料软化温度的作用。但上述合金元素加入量不宜太大，否则会大大降低材料的导电性能。

可选的，该铜合金的软化温度≥580℃。当铜合金的软化温度≥580℃时，可大幅提升材料对各类焊接工艺的需求，提升焊接材料的使用寿命。

铜合金的软化温度通过实验测定。一般情况下，当材料在某一温度下保温2小时，然后入水冷却，测试处理后的材料硬度，如处理后的材料硬度损失量在15％以内，则认为此温度下材料未软化，反之认为材料软化。传统铜铬锆合金其软化温度在550℃左右，其在550℃下保温2小时，然后入水冷却，其处理后的材料硬度损失量约为13-15％左右，如果是580℃，则其硬度损失量远大于15％。因此传统的铜铬锆合金其软化温度为550℃。而本发明铜合金在上述实验条件下，550℃时材料硬度损失量在4-8％，580℃时材料硬度损失量也不超过10％，因此本发明铜合金的软化温度≥580℃。

本发明还公开了一种抗软化铜合金的制备方法，包括下述步骤：合金化处理精炼——浇注铸锭——锯锭加热挤压——固溶热处理——拉伸及拉拔——时效热处理——矫直精整；

其中所述合金化处理和覆盖保护精炼的熔铸温度为1150℃-1350℃；所述热挤压温度为850℃-950℃；所述固溶处理温度为850℃-1000℃，冷却介质为水，冷却速度为10℃/min-150℃/s；冷拉拔加工率为20％-60％；所述的时效热处理温度为450℃-520℃，保温时间为2h-4h。利用该生产工艺可使生产出来的材料，其单质Cr相、Cu₅Zr相、Cr₃Si相尺寸合理，分布更弥散，提高了发明铜合金的各项性能。

本发明公开抗软化铜合金在接触线、连接器、焊接材料上的应用。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：

1、本发明铜合金采用添加适量硅元素形成Cr₃Si化合物提升材料抗高温软化效果，同时以单质Cr相和Cu₅Zr相强化铜合金基体，并利用Cr₃Si相和单质Cr相的协同作用，并通过控制Fe杂质的含量，进一步提升材料的强度和抗高温软化性能；

2、本发明铜合金的软化温度≥580℃，更好地满足焊接和接触线领域对铜合金各项性能的要求。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

为避免重复，现将本具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下，实施例中不再赘述：

wt％：重量百分比。

％IACS：用来表征金属或合金的导电率(参比于标准退火纯铜)。一般定义标准退火纯铜的导电率为100％IACS，即是5.80E+7(1/Ω·m)或58(m/Ω·mm²)。其值为国际退火铜标准规定的电阻率(不管是体积和质量的)对相同单位试样电阻率之比乘以100。

HR:洛氏硬度。

Rem.:余量。

实施例1-20

表1：本发明抗软化铜合金的成份组成实例(重量％)：

分别按表1实施例1-20中所述的抗软化铜合金的成份及其质量百分比配料，然后经熔炼、铸锭、加工成型，最后以1-30℃/min的平均升温速度升温至450℃-520℃，保温时间为2h-4h，得本发明实施例21-40的抗软化铜合金成品(得到成品的实施例21-40，其分别对应实施例1-20中所述的抗软化铜合金的成份及其质量百分比配料)。

对实施例21-40中抗软化铜合金成品的微观组织结构进行分析，结果如表2所示。

本发明实施例21-40中抗软化铜合金主要通过所添加的各种合金元素以及特定的时效处理，形成不同性质的微观中间相及单质，这些微观相弥散的分布于铜基体中，使得铜合金的各种性能得到有效改善，本发明实施例21-40抗软化铜合金的相关相及其含量见表2。

表2本发明实施例21-40中抗软化铜合金的中间相及其含量

分别按表1实施例1-20中所述抗软化铜合金的成份及其质量百分比配料，然后采用合金化处理和覆盖保护精炼的熔铸温度为1150℃-1350℃；所述热挤压温度为850℃-950℃；所述固溶处理温度为850℃-1000℃，冷却介质为水，冷却速度为10℃/min-150℃/s；冷拉拔加工率为20％-60％；所述的时效热处理温度为450℃-520℃，保温时间为2h-4h，最后精整成Ф8的与实施例1-20中所述抗软化铜合金的成份及其质量百分比配料相对应的实施例41-60的抗软化铜合金棒材成品。

按相关国家及行业标准规定方法检测本发明实施例41-60抗软化铜合金棒材的抗拉强度、硬度、导电率、软化温度，试验结果见表3。其中，室温拉伸试验按照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，试样采用比例系数为5.65的圆形横截面比例试样。导电率测试按照《GB/T3048-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本试验仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品长度为1000mm，用％IACS表示。硬度测试按照《GB/T 230.1-2009金属材料洛氏硬度试验》方法在硬度计上进行测试。

表3：本发明实施例41-60中抗软化铜合金棒材的性能试验结果

本发明的抗拉强度≥470MPa，洛氏硬度在75以上，导电率在75％IACS以上。

实施例61-80

实施例61-80中抗软化铜合金的成份及其质量百分比与实施例41-60中的相同，即分别按表1实施例1-20中所述抗软化铜合金的成份及其质量百分比配料，然后采用合金化处理和覆盖保护精炼的熔铸温度为1150℃-1350℃；所述热挤压温度为850℃-1000℃；所述固溶处理温度为850℃-950℃，冷却介质为水，冷却速度为10℃/min-150℃/s；冷拉拔加工率为20％-60％；所述的时效热处理温度为450℃-520℃，保温时间为2h-4h，最后精整成Ф8的抗软化铜合金棒材成品。

按照《HB5420-89电阻焊电极及辅助装置用铜及铜合金》要求方法进行软化温度测试。测试温度选择为580℃，结果列于表4。

表4：本发明实施例61-80中抗软化铜合金棒材的软化温度试验结果

通过上述实施例，可以看出，本发明铜合金按标准实验方法，在580℃下，硬度损失值都在8％以下，而对比例的传统铜铬锆合金，其硬度损失值大于18％，证明本发明铜合金的抗高温软化性能有较大提升。

应用实施例

任选实施例41-60中的抗软化铜合金棒材制成焊接用器材。

任选实施例41-60中的抗软化铜合金棒材制成连接器材。

任选实施例41-60中的抗软化铜合金棒材制成电气化铁路用接触线。

综上所述，本发明抗软化铜合金不仅具有高强度、良好的电性能，还具有优异的抗高温软化性能，特别适合用于焊接器械、连接器和电气化铁路用接触线等工业领域。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种抗软化铜合金，其特征在于，所述合金的组成为：Cr：0.1-1.0wt％，Zr：0.01-0.2wt％，Si：0.01-0.10wt％,Fe：≤0.10wt％，其余为铜和不可避免的杂质，该铜合金微观结构由单质Cr相、Cu₅Zr相和Cr₃Si相组成。

2.根据权利要求1所述的抗软化铜合金，其特征在于，所述单质Cr相、Cu₅Zr相、Cr₃Si相，满足如下关系：

设单质Cr相数量为X，Cr₃Si相数量为Y，则：0<X/Y<20。

3.根据权利要求1所述的抗软化铜合金，其特征在于，该铜合金含有，Mg：0.0001-0.10wt％。

4.根据权利要求1或3所述的抗软化铜合金，其特征在于，该铜合金还包括0.01％-2.5wt％的Co，Zn，Mn，Sn，Nb元素的任意一种或多种，其中总和不超过3.5wt％。

5.根据权利要求1所述的抗软化铜合金，其特征在于，该铜合金的软化温度≥580℃。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的抗软化铜合金的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：合金化处理精炼——浇注铸锭——锯锭加热挤压——固溶热处理——拉伸及拉拔——时效热处理——矫直精整；

其中所述合金化处理和覆盖保护精炼的熔铸温度为1150℃-1350℃；所述热挤压温度为850℃-950℃；所述固溶处理温度为850℃-1000℃，冷却介质为水，冷却速度为10℃/min-150℃/s；冷拉拔加工率为20％-60％；所述的时效热处理温度为420℃-520℃，保温时间为2h-4h。

7.权利要求1至5中任意一项所述的抗软化铜合金在接触线、连接器和焊接材料上应用。