CN107287468B

CN107287468B - 一种高强高导耐热的铜合金材料及其制备方法

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Publication number: CN107287468B
Application number: CN201710693335.XA
Authority: CN
Inventors: 李周; 肖柱; 赵子谦; 龚深; 赵郅磊
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: CN107287468A

Abstract

本发明公开了一种高强高导耐热的铜合金材料及其制备方法，所述高强高导耐热的铜合金由以下成分组成：Cr 0.2～1.0wt％、Mg 0.05～0.2wt％、Si 0.03～0.2wt％、Ni 0～0.1wt％、Ce0～0.15wt％、余量为Cu；所述的铜合金的制备方法包括熔炼‑铸造‑均匀化‑热轧‑固溶‑组合形变热处理几个步骤。本发明的铜合金在成分设计上，采用了廉价、易添加、不易烧损的元素代替易烧损元素，通过合金元素成分设计改变了析出相析出序列和形核长大机制，使得该体系合金具有优良的耐高温性能和抗软化能力；并通过组合形变热处理大幅度提高合金的力学性能和电学性能，使得合金的抗拉强度达到了530～620MPa，电导率达到了75～87％IACS。本发明制备的高强高导耐热的铜合金材料适合非真空大规模产业化制造。

Description

一种高强高导耐热的铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金加工技术领域，具体涉及一种高强高导耐热的铜合金材料及其制备方法。

背景技术

随着电子产业和高速铁路快速升级换代，高强高导铜合金需求量日益增加，特别是随着电子器件的微型化和列车提速到350km/h以上，要求铜合金应具有更高的额轻度和电导率，同时要求高强高导铜合金须拥有更优的耐高温使用性能和抗软化性能。

铜铬合金是典型的时效强化铜合金，是较为理想的高强高导铜合金，但该合金的缺点是极易过时效，即抗软化性能较差。国内外通过添加Zr，Ag，Nb和In等元素改善铜铬系合金性能取得了较为理想的效果，但Zr元素极易烧损，熔炼难度大，成分稳定化控制难，导致性能一致化变差，解决的方法主要是采用真空熔炼，但这种熔炼方法不仅难以产业化，而且会造成成本增加；其次其他Ag，Nb和In等添加元素属于贵金属，它们的添加进一步使生产成本剧增。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产成本低、抗软化性能好的高强高导耐热的铜合金材料及其制备方法。

本发明提供的这种高强高导耐热的铜合金材料，由以下成分组成：Cr 0.2～1.0wt％、Mg 0.05～0.2wt％、Si 0.03～0.2wt％、Ni 0～0.1wt％、Ce 0～0.15wt％、余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％。

作为优选，高强高导耐热的铜合金材料由以下成分组成：Cr 0.25～0.55wt％、Mg0.05～0.2wt％、Si 0.03～0.1wt％、Ni 0.03～0.06wt％、Ce 0.05～0.15wt％、余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％。

本发明中的高强高导耐热的铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)熔炼：根据铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入感应熔炼炉中，加入覆盖剂在大气氛围下进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，接着进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；

(2)铸造：将铜合金溶液在设定温度下进行铸造，空冷后，得到铜合金铸锭；

(3)均匀化：将铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化退火处理，得到均匀化的铸锭；

(4)热轧：将均匀化后的铸锭随炉冷却，在二辊轧机上热轧，得到铜合金板材；

(5)固溶：将铜合金板材在保护气氛下进行固溶处理，得到固溶后的板材；

(6)组合形变热处理：将固溶后的板材进行初次冷轧，接着在保护气氛下进行主时效处理，再接着进行第二次冷轧，然后在保护气氛下进行二级时效处理，再然后进行第三次冷轧，最后在设定温度下进行去应力退火处理，并随炉冷却，得铜合金样件。

所述步骤(1)中，熔炼温度为1300～1350℃；步骤(2)中，铸造温度为1230～1280℃；步骤(3)中，均匀化退火处理温度为900～980℃；步骤(4)中，随炉冷却至温度为850～900℃；步骤(5)中，固溶处理温度为940～1000℃；步骤(6)中，主时效处理温度为400～500℃，二级时效处理温度为400～550℃，去应力退火处理温度为150～200℃。

所述步骤(1)中，覆盖剂为冰晶石、工业纯碱、萤石和木炭的混合物。

所述步骤(3)中，均匀化退火处理时间为2～8h；步骤(6)中，去应力退火处理时间为2～6h。

所述步骤(5)中，固溶处理时间为0.5～1h。

所述步骤(6)中，主时效处理时间为0.5～4h；二级时效处理时间为5～60min。

所述步骤(4)中，热轧变形量为50～90％。

所述步骤(6)中，初次冷轧变形量为40～90％；第二次冷轧变形量为50～80％；第三次冷轧变形量为40～60％。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用Mg,Si等元素，这些元素属于廉价的常见元素，在大气气氛下熔炼时烧损易控制，收得率均超过80％，因而无需采用真空熔炼；而且多种微量合金元素的添加减少了树枝晶的形成，促进了时效析出，缩短了热处理时间，节省了能源消耗，降低了生产成本。

(2)本发明中镁元素的添加，净化了合金基体，镁元素可与在晶界偏聚的杂质元素形成化合物提高了晶界强度和改善了普通铜铬合金中温脆性，而且其可促进其他合金元素普遍析出，提高了析出相的密度和减小析出相的尺寸，在电导率未明显降低的前提，有效的提高了铜铬合金的力学性能。

(3)本发明利用合金元素钉扎位错运动，使形变强化效果更易保持，减弱了时效回复软化作用；同时在时效过程中合金元素偏聚于析出相周围，拖曳析出相界面移动，极大的减缓了析出相粗化速率；因而与普通铜铬高强高导铜合金相比，本发明中的铜合金软化温度可提高35℃以上，达到了550℃；而且相较于普通铜铬合金在400℃服役时保持峰时效硬度小于2h，本发明制备的铜铬合金保持峰时效硬度时间大幅提升至16h以上。

(4)本发明利用了合金元素镁可使铜合金获得很高加工硬化率特性，通过组合形变热处理方式，在牺牲了极小电导率的情况下极大提升合金的力学性能。本发明通过组合形变热处理方式，得到的铜合金性能为抗拉强度为530～620MPa，硬度为170～190HV，延伸率为8～18％，电导率75～87％IACS。

附图说明

图1为制备高强高导铜合金的工艺流程；

图2为实施例1中铸态微观组织；

图3为实施例1中450℃等温时效2小时后微观组织；

图4为实施例1中460℃等温时效硬度曲线；

图5为实施例3中终态析出相及其周围元素分布；

图6为实施例5中420℃等温时效硬度曲线。

具体实施方式

图1为本发明工艺流程图，本发明的工艺是在成分组成为Cr 0.2～1.0wt％、Mg0.05～0.2wt％、Si 0.03～0.2wt％、Ni 0～0.1wt％、Ce 0～0.15wt％，余量为Cu的范围内进行配料，接着在大气氛围下进行熔炼，再接着进行铸造和均匀化处理，并通过热轧得到铜合金板材，然后通过固溶和组合形变热处理，最终得到铜合金样件。

实施例1

按照合金组成成分为Cr 0.36wt％、Mg 0.05wt％、Si 0.09wt％、Ni 0.05wt％、Cu99.45wt％进行配料，并加入覆盖剂，混合均匀后放入感应熔炼炉，接着在大气氛围和1300℃的温度条件下，进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，并进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金熔体。

铜合金熔体在温度为1250℃的条件下进行铸造，空冷后，在保护气氛和980℃的温度条件下，进行均匀化退火处理8h，得到均匀化的铜铬合金铸锭，其微观组织结构如图2所示。由图可知，铸锭内部组织均匀，无明显第二相。

将均匀化的铜铬合金铸锭随炉冷却至900℃，然后在普通二辊轧机上进行热轧，变形量为50％，空冷后，得热轧板材。将热轧板材在980℃炉中进行固溶处理1h，并进行常温水淬，得到固溶处理板材。

板材在室温条件下进行第一次冷轧，其变形量60％；接着将冷轧板在460℃炉中进行主时效处理2h；接着进行第二次冷轧，变形量为50％；而后在440℃炉中进行二级时效处理30min；在接着进行第三次冷轧，变形量为50％；然后在150℃～200℃下进行去应力退火处理4h，随炉冷却后，得到铜合金样件。

板材主时效2h后的微观结构和析出相如图3所示，由图可知，大量位错缠结和半共格析出相分布在合金内部。

所得铜合金样件抗拉强度605MPa，硬度182HV，电导率81％IACS，将样件在440℃持续保温16h，样件抗拉强度545MPa，硬度170HV，电导率85％IACS。本发明与普通Cu-0.5Cr合金在460℃等温时效硬度曲线如图4所示，由图可知，其抗高温软化能力远优于普通铜铬合金。

实施例2

按照合金组成成分为Cr 0.26wt％、Mg 0.17wt％、Si 0.03wt％、Ni 0.03wt％、Ce0.1wt％，Cu 99.41wt％进行配料，并加入覆盖剂，混合均匀后放入感应熔炼炉，接着在大气氛围和1300℃的温度条件下，进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，并进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金熔体。

铜合金熔体在温度为1280℃的条件下进行铸造，空冷后，在保护气氛和920℃的温度条件下，进行均匀化退火处理4h，得到均匀化的铜铬合金铸锭。

将均匀化的铜铬合金铸锭随炉冷却至850℃，然后在普通二辊轧机上进行热轧，变形量为50％，空冷后，得热轧板材。将热轧板材在940℃炉中进行固溶处理1h，并进行常温水淬，得到固溶处理板材。

板材在室温条件下进行第一次冷轧，其变形量90％；接着将冷轧板在400℃炉中进行主时效处理4h；接着进行第二次冷轧，变形量为50％；而后在550℃炉中进行二级时效处理，处理时间为15min，30min和60min；在接着进行第三次冷轧，变形量为60％；然后在150℃～200℃下进行去应力退火处理4h，随炉冷却后，得到铜合金样件。

二级时效处理时间为15min时，铜合金样件抗拉强度530MPa，电导率82.1％IACS；二级时效处理时间为30min时，铜合金样件抗拉强度485MPa，电导率83.3％IACS；二级时效处理时间为60min时，抗拉强度435MPa，电导率84％IACS。

实施例3

按照合金组成成分为Cr 0.46wt％、Mg 0.11wt％、Si 0.04wt％、Ni 0.05wt％、Ce0.05wt％，Cu 99.29wt％进行配料，并加入覆盖剂，混合均匀后放入感应熔炼炉，接着在大气氛围和1320℃的温度条件下，进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，并进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金熔体。

铜合金熔体在温度为1280℃的条件下进行铸造，空冷后，在保护气氛和950℃的温度条件下，进行均匀化退火处理3h，得到均匀化的铜铬合金铸锭。

将均匀化的铜铬合金铸锭随炉冷却至880℃，然后在普通二辊轧机上进行热轧，变形量为70％，空冷后，得热轧板材。将热轧板材在950℃炉中进行固溶处理1h，并进行常温水淬，得到固溶处理板材。

板材在室温条件下进行第一次冷轧，其变形量70％；接着将冷轧板在500℃炉中进行主时效处理0.5h；接着进行第二次冷轧，变形量为80％；而后在450℃炉中进行二级时效处理15min；在接着进行第三次冷轧，变形量为40％；然后在150℃～200℃下进行去应力退火处理4h，随炉冷却后，得到铜合金样件。

铜合金样件最终态析出相元素分布如图5所示，由图可知，镁元素偏聚于析出相界面，阻碍其长大。铜合金样件抗拉强度610MPa，硬度185HV，电导率82％IACS，将铜合金样件在450℃持续保温10小时，样件抗拉强度580MPa，硬度175HV，电导率86％IACS。

实施例4

按照合金组成成分为Cr 0.5wt％、Mg 0.1wt％、Si 0.03wt％、Ni 0.04wt％、Cu99.33wt％进行配料，并加入覆盖剂，混合均匀后放入感应熔炼炉，接着在大气氛围和1300℃的温度条件下，进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，并进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金熔体。

铜合金熔体在温度为1280℃的条件下进行铸造，空冷后，在保护气氛和920℃的温度条件下，进行均匀化退火处理6h，得到均匀化的铜铬合金铸锭。

将均匀化的铜铬合金铸锭随炉冷却至850℃，然后在普通二辊轧机上进行热轧，变形量为60％，空冷后，得热轧板材。将热轧板材在1000℃炉中进行固溶处理0.5h，并进行常温水淬，得到固溶处理板材。

板材在室温条件下进行第一次冷轧，其变形量40％；接着将冷轧板在420℃炉中进行主时效处理1h；接着进行第二次冷轧，变形量为70％；而后在400℃炉中进行二级时效处理15min；在接着进行第三次冷轧，变形量为60％；然后在150℃～200℃下进行去应力退火处理4h，随炉冷却后，得到铜合金样件。

铜合金样件的抗拉强度615MPa，硬度187HV，电导率82％IACS。本发明与普通Cu-0.5Cr合金在420℃等温时效曲线如图6所示，由图可知，其抗时效软化能力远优于普通铜铬合金。

实施例5

按照合金组成成分为Cr 0.5wt％、Mg 0.1wt％、Si 0.03wt％、Ni 0.04wt％、Cu99.33wt％进行配料，并加入覆盖剂，混合均匀后放入感应熔炼炉，接着在大气氛围和1380℃的温度条件下，进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，并进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金熔体。

铜合金熔体在温度为1280℃的条件下进行铸造，空冷后，在保护气氛和930℃的温度条件下，进行均匀化退火处理4h，得到均匀化的铜铬合金铸锭。

将均匀化的铜铬合金铸锭随炉冷却至880℃，然后在普通二辊轧机上进行热轧，变形量为60％，空冷后，得热轧板材。将热轧板材在980℃炉中进行固溶处理1h，并进行常温水淬，得到固溶处理板材。

板材在室温条件下进行第一次冷轧，其变形量90％；接着将冷轧板在420℃炉中进行主时效处理1h；接着进行第二次冷轧，变形量为50％；而后在530℃炉中进行二级时效处理，处理时间为15min，30min和60min；在接着进行第三次冷轧，变形量为60％；然后在150℃～200℃下进行去应力退火处理6h，随炉冷却后，得到铜合金样件。

二级时效处理时间为15min时，铜合金样件抗拉强度545MPa，电导率82.1％IACS；二级时效处理时间为30min时，铜合金样件抗拉强度510MPa，电导率84.2％IACS；二级时效处理时间为60min时，抗拉强度465MPa，电导率85.7％IACS。

实施例6

按照合金组成成分为Cr 1.0wt％、Mg 0.11wt％、Si 0.2wt％、Ni 0.1wt％、Ce0.15wt％、Cu 98.44wt％进行配料，并加入覆盖剂，混合均匀后放入感应熔炼炉，接着在大气氛围和1380℃的温度条件下，进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，并进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金熔体。

铜合金熔体在温度为1280℃的条件下进行铸造，空冷后，在保护气氛和980℃的温度条件下，进行均匀化退火处理8h，得到均匀化的铜铬合金铸锭。

将均匀化的铜铬合金铸锭随炉冷却至850℃，然后在普通二辊轧机上进行热轧，变形量为70％，空冷后，得热轧板材。将热轧板材在950℃炉中进行固溶处理1h，并进行常温水淬，得到固溶处理板材。

板材在室温条件下进行第一次冷轧，其变形量60％；接着将冷轧板在450℃炉中进行主时效处理2h；接着进行第二次冷轧，变形量为60％；而后在420℃炉中进行二级时效处理30min；在接着进行第三次冷轧，变形量为60％；然后在150℃～200℃下进行去应力退火处理3h，随炉冷却后，得到铜合金样件。

所得铜合金样件抗拉强度580MPa，硬度180HV，电导率83％IACS。

Claims

1. 一种高强高导耐热的铜合金材料，由以下成分组成：Cr 0.2~1.0 wt%、Mg 0.05~0.2wt%、Si 0.03~0.2 wt%、Ni 0.03~0.1 wt%、Ce 0~0.15 wt%，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100%；

所述铜合金的制备方法，包括以下步骤：

(1) 熔炼：根据铜合金材料的成分组成进行配料，混合后放入感应熔炼炉，加入覆盖剂在大气氛围下进行熔炼，在金属开始熔化时再次加入覆盖剂，接着进行机械搅拌，熔炼完成并除渣后，得到成分均匀稳定的铜合金溶液；

(2) 铸造：将铜合金溶液在设定温度下进行铸造，空冷后，得到铜合金铸锭；

(3) 均匀化：将铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化退火处理，得到均匀化的铸锭；

(4) 热轧：将均匀化后的铸锭随炉冷却，在二辊轧机上进行热轧，得到铜合金板材；

(5) 固溶：将铜合金板材在保护气氛下进行固溶处理，得到固溶后的板材；

(6) 组合形变热处理：将固溶后的板材进行初次冷轧，接着在保护气氛下进行主时效处理，再接着进行第二次冷轧，然后在保护气氛下进行二级时效处理，再然后将进行第三次冷轧，最后在设定温度下进行去应力退火处理，并随炉冷却，得铜合金样件；

所述步骤（6）中，主时效处理温度为 400~500℃，二级时效处理温度为 400~550℃，去应力退火处理温度为150~200℃；主时效处理时间为0.5~4h，二级时效处理时间为5~60min，去应力退火处理时间为2~6h；初次冷轧变形量为 40~90%，第二次冷轧变形量为50~80%，第三次冷轧变形量为40~60%。

2. 根据权利要求1所述的高强高导耐热的铜合金材料，其特征是，所述高强高导铜耐热的合金材料由以下成分组成：Cr 0.25~0.55 wt%、Mg 0.05~0.2 wt%、Si 0.03~0.1 wt%、Ni 0.03~0.06 wt%、Ce 0.05~0.15 wt%、余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100%。

3.根据权利要求1所述的高强高导耐热的铜合金材料，其特征是，所述步骤（1）中，熔炼温度为1300~1350℃；步骤（2）中，铸造温度为1230~1280℃；步骤（3）中，均匀化退火处理温度为900~980℃；步骤（4）中，随炉冷却至温度为850~900℃；步骤（5）中，固溶处理温度为940~1000℃。

4.根据权利要求1或3所述的高强高导耐热的铜合金材料，其特征是，所述步骤（1）中，覆盖剂为冰晶石、工业纯碱、萤石和木炭的混合物。

5.根据权利要求1或3所述的高强高导耐热的铜合金材料，其特征是，所述步骤（3）中，均匀化退火处理时间为2~8h。

6.据权利要求1所述的高强高导耐热的铜合金材料，其特征是，所述步骤（5）中，固溶处理时间为0.5~1h。

7.根据权利要求1所述的高强高导耐热的铜合金材料，其特征是，所述步骤（4）中，热轧变形量为50~90%。