CN107586980B - 一种多元稀土合金化高导电铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种导电率高、力学性能良好的多元稀土合金化高导电铜合金，并提供一种生产成本低和高温性能稳定的多元稀土合金化高导电铜合金的制造方法，其步骤包括：首先按照摩尔百分比对电解铜、铜锌中间合金、铜锰中间合金以及铜镧中间合金进行配料准备熔炼将配好的原料置于坩埚中采用真空电阻炉进行熔炼，熔炼过程中控制真空度和温度，使熔炼出的合金兼具兼有高导电和良好的力学性能。该合金相对于其他导电铜合金来说，在晶界处形成兼有高导电和力学性能良好的纳米尺寸三元铜锌镧中间相，在保持铜合金的力学性能同时提高了其导电性能，使合金具有高导电率的同时兼具良好的力学性能，大大的拓宽了该类合金的使用范围。
Description
技术领域
本发明属于高性能铜合金领域，涉及一种多元稀土合金化高导电铜合金的制造方法。
背景技术
人类在很久以前就学会了炼铜，使用铜制品进行工作和生活，大量的铜制品直接影响了人类的发展，更是影响了后人的生活。现如今铜也有着重要的影响力，无论是在生活方面，还是在生产方面都有实际意义。铜及铜合金的导电性和导热性十分优异，同时同还有着较为不错的耐腐蚀性，铸造性和可焊接性，所以铜及铜合金广泛应用于各行各业的领域之中。但是纯铜的强度较低，平常状态下只有230-290MPa，虽然可以通过冷加工的方式提高其强度到400MPa，然而相应的，原本良好的延展性会降低很多。但是可以通过后续冷加工的回火，得到失去的强度。由于高强度和塑性之间的矛盾关系，使得铜很难达到不同实际工程中的使用要求，目前一般性能的铜及铜合金很难适应多种多样的应用场合。所以高强高导铜合金的研发对工程应用有着改革性的影响。
高强高导电铜合金一般指强度大于550 MPa，电导率大于80%IACS的铜基合金材料。铜基合金的传导性和强度往往是一对矛盾，即传导性高则强度低，强度提高则传导性下降。导电、导热性优异的铜，无论在工业还是在尖端科学领域，其需求量仍日趋增多，在尽可能不牺牲其导电、导热的前提下，谋求强度的提高以及其它工艺特性的改善。自从上世纪中期，尤其是进入70年代以后，随着电子工业的飞速发展，国外发达国家对高强高导铜合金材料进行了大量的研究和开发，使这类材料得到迅速的发展。我国自80年代以来才有一些单位对这类材料进行了研究报道，但仍处于实验阶段。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种导电率高、力学性能良好、生产成本低和高温性能稳定的多元稀土合金化高导电铜合金的制造方法，制造出来的铜合金能够满足工业应用中对导电铜合金导电性和力学性能的要求。
本发明的技术方案为：一种多元稀土合金化高导电铜合金的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）.首先按照质量百分比对阴极铜、铜锌中间合金、铜镍中间合金、铜铈中间合金以及铜镧中间合金进行配料准备熔炼；
（2）.将配好重量的阴极铜置于工频感应炉中，加热温度到1300~1450℃进行熔炼并搅拌；
（3）.待电解铜熔炼完全后，在熔体表面覆盖厚度为20cm的木炭层，然后向液态溶体中加入铜锌中间合金和铜镍中间合金，并保持温度为1300~1450℃的条件下继续熔炼并搅拌；
（4）.待加入的铜锌中间合金和铜镍中间合金熔炼完全后，向液态熔体中加入铜铈中间合金和铜镧中间合金，并保持温度为1300~1450℃的条件下继续进行熔炼并搅拌；
（5）.待上述合金充分熔炼后，在工频感应炉底部采用石墨内套结晶器对液态熔体进行连续铸造，得到矩形铜合金锭；
（6）将上述得到的矩形合金锭放入连续热处理炉中加热至850~950℃并保温4~6小时，出炉后即得到多元稀土合金化高导电铜合金。
进一步地，上述的多元稀土合金化高导电铜合金主要成分及其原子百分比含量为：
碳 0.11~0.36；
锌 10.89~25.74；
镍 8.72~12.88；
铈 3.76~6.95
镧 4.38~8.67；
铜 余量；
其他不可避免杂质 ≤0.03。
进一步地，由上述方法制备出的多元稀土合金化高导电铜合金的微观组织在晶界处析出纳米尺寸的Cu6CeLa金属间化合物。
进一步地，上述步骤（1）中，铜锌中间合金中锌的摩尔分数占50%以上；铜镍中间合金中镍的摩尔分数占40%以上；铜铈中间合金和铜镧中间合金中铈和镧的摩尔分数占20%以上。
进一步地，（2）、（3）、（4）中合金熔炼时间t按合金的质量进行估算，换算公式为：t=K·m1/2，式中，铜-锌-镍-铈-镧体系系数K=1400~1600 s/( kg1/2)；m为合金的质量，单位为kg。
进一步地，（3）、（4）中合金原料铜锌中间合金、铜镍中间合金、铜铈中间合金以及铜镧中间合金的加入方式均是以纯铜箔密封投入液态熔体的形式加入。
本发明所达到的有益效果：
本发明提出了一种多元稀土合金化高导电铜合金，该合金相对于其他导电铜合金来说，在晶界处形成兼有高导电和力学性能良好的纳米尺寸的Cu6CeLa金属间化合物，在保持铜合金的力学性能同时提高了其导电性能，使合金具有高导电率的同时兼具良好的力学性能，大大的拓宽了该类合金的使用范围。
1.熔炼选取阴极铜、铜锌中间合金、铜镍中间合金、铜铈中间合金以及铜镧中间合金为原料，熔炼方法采用先熔炼阴极铜，再加入铜锌中间合金和铜镍中间合金继续熔炼，最后加入铜铈中间合金和铜镧中间合金熔炼得到铜合金锭，随后进行热处理得到最终产品的制备工艺。合金在熔炼初期液态金属中的铜-锌-镍-铈-镧元素能够充分扩散，均匀分布，使得凝固后金属成分均匀，且原料以中间合金形式添加，元素烧损少。在凝固过程中，由于铜合金晶粒表面能不断扩张，且合金中锌-镍-铈-镧元素占比较多，无法完全固溶于铜基体内，会造成锌-镍-铈-镧在合金的晶界处偏聚并析出热力学稳定的金属间化合物，降低晶界的表面能。同时，在晶界的表面能作用下，阻碍了金属间化合物形核后的长大，造成相尺寸仅达到纳米级别。
2. 本发明的铜合金在晶界处形成兼有高导电和力学性能良好的纳米尺寸的Cu6CeLa金属间化合物。由于Cu6CeLa金属间化合物尺寸为纳米级别，具有优异的力学性能，其存在于晶界处能够对合金的力学性能起到强化作用。另一方面，Cu6CeLa金属间化合物属于多电子层相，具有较多的自由电子，其存在于合金晶界处对合金的导电性能有者大幅度增强效果。因此，使得合金兼具良好的力学性能和导电性能。
3. 本发明在得到矩形合金锭后采用850~950℃保温4~6小时的热处理工艺，可以使部分长得较大的Cu6CeLa金属间化合物中铈和镧元素向基体相内扩散，使得部分长到微米级别的金属间化合物相进一步固溶形成纳米级别尺寸。
4. 本发明中原料铜锌中间合金、铜镍中间合金、铜铈中间合金以及铜镧中间合金的加入方式均是以纯铜箔密封投入液态熔体的形式加入，这样加入方式非本行业常用方式，一方面可以防止液态熔体的黏度过高，无法将添加合金顺利加入到熔体内部。另一方面也可以减轻合金元素在加入高温熔体的过程中产生的元素烧损现象。
5. 本发明材料利用率高，耗能低，生产周期短，生产成本低，能实现自动化生产，改善劳动条件。以上工艺过程是由若干单机组合在一条流水生产线上完成整个生产过程，单机(工序)之间可用机械手、传送带自动传递坯件。坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。
综上所述，本发明的多元稀土合金化高导电铜合金及其制造方法，选用中间合金为原料，并间歇式熔炼，在晶界处形成兼有高导电和力学性能良好的纳米尺寸的Cu6CeLa金属间化合物，在保持铜合金的力学性能同时提高了其导电性能，使合金具有高导电率的同时兼具良好的力学性能，制造出来的铜合金能够满足工业应用中对导电铜合金导电性和力学性能的要求。
附图说明
图1为本发明的制造方法获得一种多元稀土合金化高导电铜合金的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
（1）以总质量为10kg的锭重，按照按照质量百分比对阴极铜、铜锌中间合金（锌的摩尔分数占50%）、铜镍中间合金（镍的摩尔分数占40%）、铜铈中间合金以及铜镧中间合金（铈和镧的摩尔分数各占20%）进行配料准备熔炼；
（2）将配好重量的阴极铜置于工频感应炉中，加热温度到1300℃进行熔炼74min并搅拌；
（3）待电解铜熔炼完全后，在熔体表面覆盖厚度为20cm的木炭层，然后向液态溶体中加入铜锌中间合金和铜镍中间合金，并保持温度为1300℃的条件下继续熔炼74min并搅拌；
（4）待加入的铜锌中间合金和铜镍中间合金熔炼完全后，向液态熔体中加入铜铈中间合金和铜镧中间合金，并保持温度为1300℃的条件下继续进行熔炼74min并搅拌；
（5）待上述合金充分熔炼后，在工频感应炉底部采用石墨内套结晶器对液态熔体进行连续铸造，得到矩形铜合金锭；
（6）将上述得到的矩形合金锭放入连续热处理炉中加热至850℃并保温6小时，出炉后即得到多元稀土合金化高导电铜合金。
实施例2：
（1）以总质量为15kg的锭重，按照按照质量百分比对阴极铜、铜锌中间合金（锌的摩尔分数占55%）、铜镍中间合金（镍的摩尔分数占45%）、铜铈中间合金以及铜镧中间合金（铈和镧的摩尔分数各占25%）进行配料准备熔炼；
（2）将配好重量的阴极铜置于工频感应炉中，加热温度到1400℃进行熔炼97min并搅拌；
（3）待电解铜熔炼完全后，在熔体表面覆盖厚度为20cm的木炭层，然后向液态溶体中加入铜锌中间合金和铜镍中间合金，并保持温度为1400℃的条件下继续熔炼97min并搅拌；
（4）待加入的铜锌中间合金和铜镍中间合金熔炼完全后，向液态熔体中加入铜铈中间合金和铜镧中间合金，并保持温度为1400℃的条件下继续进行熔炼97min并搅拌；
（5）待上述合金充分熔炼后，在工频感应炉底部采用石墨内套结晶器对液态熔体进行连续铸造，得到矩形铜合金锭；
（6）将上述得到的矩形合金锭放入连续热处理炉中加热至900℃并保温5小时，出炉后即得到多元稀土合金化高导电铜合金。
实施例3：
（1）以总质量为20kg的锭重，按照按照质量百分比对阴极铜、铜锌中间合金（锌的摩尔分数占60%）、铜镍中间合金（镍的摩尔分数占50%）、铜铈中间合金以及铜镧中间合金（铈和镧的摩尔分数各占30%）进行配料准备熔炼；
（2）将配好重量的阴极铜置于工频感应炉中，加热温度到1450℃进行熔炼119min并搅拌；
（3）待电解铜熔炼完全后，在熔体表面覆盖厚度为20cm的木炭层，然后向液态溶体中加入铜锌中间合金和铜镍中间合金，并保持温度为1450℃的条件下继续熔炼119min并搅拌；
（4）待加入的铜锌中间合金和铜镍中间合金熔炼完全后，向液态熔体中加入铜铈中间合金和铜镧中间合金，并保持温度为1450℃的条件下继续进行熔炼119min并搅拌；
（5）待上述合金充分熔炼后，在工频感应炉底部采用石墨内套结晶器对液态熔体进行连续铸造，得到矩形铜合金锭；
（6）将上述得到的矩形合金锭放入连续热处理炉中加热至950℃并保温4小时，出炉后即得到多元稀土合金化高导电铜合金。
经过上述制造方法获得多元稀土合金化高导电铜合金综合性能数据对比：
表1多元稀土合金化高导电铜合金综合性能数据对比
由表1可知，上述3个实施例产品与国际技术规范要求进行对比，本发明获得的产品导电性能和力学性能远高于国际技术规范要求。制造出来的铜合金能够满足工业应用中对导电铜合金导电性和力学性能的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种多元稀土合金化高导电铜合金的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1).首先按照质量百分比对阴极铜、铜锌中间合金、铜镍中间合金、铜铈中间合金以及铜镧中间合金进行配料准备熔炼；
(2).将配好重量的阴极铜置于工频感应炉中，加热温度到1300～1450℃进行熔炼并搅拌；
(3).待电解铜熔炼完全后，在熔体表面覆盖厚度为20cm的木炭层，然后向液态溶体中加入铜锌中间合金和铜镍中间合金，并保持温度为1300～1450℃的条件下继续熔炼并搅拌；
(4).待加入的铜锌中间合金和铜镍中间合金熔炼完全后，向液态熔体中加入铜铈中间合金和铜镧中间合金，并保持温度为1300～1450℃的条件下继续进行熔炼并搅拌；
(5).待上述合金充分熔炼后，在工频感应炉底部采用石墨内套结晶器对液态熔体进行连续铸造，得到矩形铜合金锭；
(6)将上述得到的矩形合金锭放入连续热处理炉中加热至850～950℃并保温4～6小时，出炉后即得到多元稀土合金化高导电铜合金；
所述多元稀土合金化高导电铜合金各成分及其原子百分比含量为：
其他不可避免杂质≤0.03。
2.根据权利要求1所述的多元稀土合金化高导电铜合金的制备方法，其特征在于，所述的铜锌中间合金中锌的摩尔分数占50％以上；铜镍中间合金中镍的摩尔分数占40％以上；铜铈中间合金和铜镧中间合金中铈和镧的摩尔分数占20％以上。
3.根据权利要求1所述的多元稀土合金化高导电铜合金的制备方法，其特征在于，上述步骤(2)、(3)、(4)中合金熔炼时间t按合金的质量进行估算，换算公式为：t＝K·m1/2，式中，铜-锌-镍-铈-镧体系系数K＝1400～1600s/(kg1/2) ；m为合金的质量，单位为kg。
4.根据权利要求1所述的多元稀土合金化高导电铜合金的制备方法，其特征在于，原料铜锌中间合金、铜镍中间合金、铜铈中间合金以及铜镧中间合金的加入方式均是以纯铜箔密封投入液态熔体的形式加入。
5.一种如权利要求1-4任一项制备方法制备的多元稀土合金化高导电铜合金，其特征在于，所述铜合金各成分及其原子百分比含量为：
其他不可避免杂质≤0.03；
所述的多元稀土合金化高导电铜合金微观组织在铜合金的晶界处析出纳米尺寸的Cu6CeLa金属间化合物。
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