CN107586994B - 一种高导电率铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导电率铜合金及其制备方法，其中制备方法的步骤包括：首先按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼，将配好的原料置于真空感应炉进行熔炼，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。本发明中的合金相对于其他导电铜合金来说，在晶界处析出兼有高导电和力学性能良好的纳米尺寸的镍铈中间相，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

一种高导电率铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于高性能铜合金技术领域，特别涉及一种高导电率铜合金及其制备方法。

背景技术

铜是一种最早发现的并与人类生存和社会生产紧密相关的有色金属，在早期人类社会的相关记载中就存在着人们通过开采铜矿，冶炼铜金属并用于制造日常器具和各种武器的历史记载，铜的发现和使用给人类社会的发展带来了很大的进步。纯铜作为一种具备优良的导电导热性和极佳延展性的金属材料，已被沿用至今，其密度大约为8.9g/cm3﹐熔点高达1083℃。纯铜及一些铜合金也具有较好的耐腐蚀性，在干燥的空气中它的化学性质十分稳定，但在潮湿的空气中表面会生成一种碱式碳酸铜的物质，也称铜绿。

正因为铜存在这些良好的物理特性，所以已被广泛地应用于机械器具生产、电子电气工程和轻工制造等领域当中。其中，在电子电气工程领域内铜及铜合金的需求量最大，消费市场也最广。工业应用以纯铜为主，铜及铜合金的产品中，80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。因为其优良的导电性和延展性，所以铜主要用于电缆电线、导电零件和印刷版线路的制造中。

在工业应用中，国家对基础产业的投资力度不断加大，水电站、核电站、地铁、机场、高速列车等大型项目相继开工建设，与其相配套的各种输变电设备对铜母线（铜排）的性能提出了更高的要求。而传统的纯铜的强度与导电率往往成反比关系，相互矛盾，这在一定程度上增大了研制难度。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高导电率、良好力学性能以及低生产成本的高导电率铜合金及其制备方法，通过该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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高导电率铜合金，所述铜合金中各成分及其摩尔百分比含量为：

碳 0.12-0.28%；

镍 7.8-15.4%；

钼 3.1-7.3%；

铈 5.7-10.3%；

不可避免的杂质 ≤0.03%；

铜 余量。

进一步的，所述铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

进一步的，所述不可避免的杂质包括硫、磷、硅，其总量≤0.03%。

一种高导电率铜合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、将原料按照配比对电解铜、铜钼中间合金以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉，在1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态下充入氩气进行保护，加热温度到1480-1600℃进行熔炼；

S3、待电解铜熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，温度为1650-1680℃的条件下继续进行熔炼；

S4、待加入铜钼中间合金并熔炼完全后，向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，温度升至1680-1710℃的条件下继续进行熔炼；

S5、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到粗坯；

S6、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在750-890℃的温度下，保温5-8h后出炉即得到所述铜合金。

进一步的，所述铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

进一步的，所述原料中钼、镍和铈均是以中间合金形式加入。

进一步的，所述原料中，铜钼中间合金中钼的摩尔分数占40%以上；镍铈中间合金中铈的摩尔分数占30%-40%。

进一步的，所述步骤S2、S3、S4中合金熔炼时间t，按合金的质量进行估算。

进一步的，所述步骤S2、S3、S4中合金熔炼时间t的换算公式为：

t=K·m^1/2，

式中，铜-镍-钼-铈体系系数K= 1200-1700 s/( kg^1/2)；m为合金的质量，单位为kg。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.熔炼选取电解铜、铜钼中间合金以及镍铈中间合金为原料，熔炼方法采用先熔炼电解铜，再加入铜钼中间合金并升温继续熔炼，最后加入镍铈中间合金继续升温熔炼得到铜合金粗坯。采用这种梯度升温的熔炼方式可以使合金在熔炼初期液态金属中的铜和钼元素能够充分扩散，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。熔炼后期以镍铈中间合金为原料向合金中添加镍和铈元素，能够减少元素的烧损，并使其充分扩散均匀。在凝固过程中，由于铜合金晶粒表面能不断扩张，且合金中镍和铈元素无法完全固溶于铜基体内，会造成镍和铈在合金的晶界处偏聚并以热力学较为稳定的镍-铈金属间化合物形式析出，降低晶界的表面能。

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镍-铈金属间化合物。由于镍-铈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，镍-铈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.本发明中所采用的热处理工艺，可以保证在在晶界处析出的镍-铈金属间化合物中的镍和铈元素得到进一步扩散，进而对镍-铈金属间化合物和尺寸和形貌进行了有效的控制，使其能够达到纳米级别的尺寸偏聚于晶界处，进一步提高合金的力学性能。

4.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，本发明的高导电率铜合金及其制备方法，选用中间合金为原料，并间梯度升温的熔炼方式，在晶界处形成兼有高导电和力学性能良好的纳米尺寸金属间化合物，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是本发明中一种高导电率铜合金的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1

一种高导电率铜合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以总质量为20kg的锭重，按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金（钼含量40%）、以及镍铈中间合金（铈含量为30%）进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉内，在1×10^-2MPa的低真空状态充入氩气进行保护，并加热温度到1600℃进行熔炼，熔炼时间为127min；

待熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-2MPa的低真空氩气保护状态，升高温度到1680℃的条件下继续进行熔炼127min；

最后向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-2MPa的低真空氩气保护状态，温度升到1710℃的条件下继续进行熔炼127min；

S3、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到铜合金粗坯。

S4、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在890℃的温度下，保温5h后出炉即得到所述高导电率铜合金。

通过上述方法得到的铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

实施例2

一种高导电率铜合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以总质量为15kg的锭重，按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金（钼含量45%）、以及镍铈中间合金（铈含量为35%）进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉内，在5×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，并加热温度到1520℃进行熔炼，熔炼时间为90min；

待熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持5×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，升高温度到1660℃的条件下继续进行熔炼90min；

最后向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持5×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，温度升到1690℃的条件下继续进行熔炼90min；

S3、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到铜合金粗坯。

S4、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在800℃的温度下，保温6h后出炉即得到所述高导电率铜合金。

通过上述方法得到的铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

实施例3

一种高导电率铜合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以总质量为10kg的锭重，按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金（钼含量40%）、以及镍铈中间合金（铈含量为30%）进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉内，在1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，并加热温度到1480℃进行熔炼，熔炼时间为63min；

待熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，升高温度到1650℃的条件下继续进行熔炼63min；

最后向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，温度升到1680℃的条件下继续进行熔炼63min；

S3、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到铜合金粗坯。

S4、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在750℃的温度下，保温8h后出炉即得到所述高导电率铜合金。

通过上述方法得到的铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

实施例4

一种高导电率铜合金，所述铜合金中各成分及其摩尔百分比含量为：

碳 0.28%；

镍 7.8%；

钼 7.3%；

铈 5.7%；

不可避免的杂质（硫、磷、硅） 0.02%；

铜 78.9%。

一种高导电率铜合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以总质量为10kg的锭重，按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金、以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉内，在1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，并加热温度到1480℃进行熔炼，熔炼时间为63min；

待熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，升高温度到1650℃的条件下继续进行熔炼63min；

最后向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，温度升到1680℃的条件下继续进行熔炼63min；

S3、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到铜合金粗坯。

S4、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在750℃的温度下，保温8h后出炉即得到所述高导电率铜合金。

通过上述方法得到的铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

实施例5

一种高导电率铜合金，所述铜合金中各成分及其摩尔百分比含量为：

碳 0.20%；

镍 10.0%；

钼 5.0%；

铈 8.0%；

不可避免的杂质（硫、磷、硅） 0.03%；

铜 76.77%。

一种高导电率铜合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以总质量为10kg的锭重，按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金、以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉内，在1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，并加热温度到1480℃进行熔炼，熔炼时间为63min；

待熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，升高温度到1650℃的条件下继续进行熔炼63min；

最后向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，温度升到1680℃的条件下继续进行熔炼63min；

S3、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到铜合金粗坯。

S4、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在750℃的温度下，保温8h后出炉即得到所述高导电率铜合金。

通过上述方法得到的铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

实施例6

一种高导电率铜合金，所述铜合金中各成分及其摩尔百分比含量为：

碳 0.12%；

镍 15.4%；

钼 3.1%；

铈 10.3%；

不可避免的杂质（硫、磷、硅） 0.03%；

铜 71.04%。

一种高导电率铜合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、以总质量为10kg的锭重，按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金、以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉内，在1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，并加热温度到1480℃进行熔炼，熔炼时间为63min；

待熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，升高温度到1650℃的条件下继续进行熔炼63min；

最后向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-3MPa的低真空氩气保护状态，温度升到1680℃的条件下继续进行熔炼63min；

S3、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到铜合金粗坯。

S4、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在750℃的温度下，保温8h后出炉即得到所述高导电率铜合金。

通过上述方法得到的铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

经过上述制备方法获得高导电率铜合金综合性能数据对比：

表1高导电率铜合金综合性能数据对比

由于合金中碳与杂质的含量较低，可以忽略不计，故在实施例1-3中没有特意将其计入组分含量中。

由表1可知，上述实施例1-3的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。

本发明公开了一种高导电率铜合金及其制备方法，其中制备方法的步骤包括：首先按照摩尔百分比对电解铜、铜钼中间合金以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼，将配好的原料置于真空感应炉进行熔炼，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。本发明中的合金相对于其他导电铜合金来说，在晶界处析出兼有高导电和力学性能良好的纳米尺寸的镍铈中间相，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。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高导电率铜合金，其特征在于：所述铜合金中各成分及其摩尔百分比含量为：

碳 0.12-0.28%；

镍 7.8-15.4%；

钼 3.1-7.3%；

铈 5.7-10.3%；

不可避免的杂质 ≤0.03%；

铜 余量；

其制备方法包括以下步骤：

S1、将原料按照配比对电解铜、铜钼中间合金以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉，在1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态下充入氩气进行保护，加热温度到1480-1600℃进行熔炼；

S3、待电解铜熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，温度为1650-1680℃的条件下继续进行熔炼；

S4、待加入铜钼中间合金并熔炼完全后，向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，温度升至1680-1710℃的条件下继续进行熔炼；

S5、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到粗坯；

S6、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在750-890℃的温度下，保温5-8h后出炉即得到所述铜合金。

2.根据权利要求1所述的高导电率铜合金，其特征在于：所述铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

3.根据权利要求1所述的高导电率铜合金，其特征在于：所述不可避免的杂质包括硫、磷、硅，其总量≤0.03%。

4.根据权利要求1-3任一所述的高导电率铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将原料按照配比对电解铜、铜钼中间合金以及镍铈中间合金进行配料准备熔炼；

S2、将配好的电解铜置于真空感应炉，在1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态下充入氩气进行保护，加热温度到1480-1600℃进行熔炼；

S3、待电解铜熔炼完全后，向液态电解铜中加入铜钼中间合金，并保持1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，温度为1650-1680℃的条件下继续进行熔炼；

S4、待加入铜钼中间合金并熔炼完全后，向液态金属液中加入镍铈中间合金，并保持1×10^-2MPa到1×10^-3MPa的低真空状态充入氩气进行保护，温度升至1680-1710℃的条件下继续进行熔炼；

S5、待上述合金充分熔炼后将液态金属浇注到模具中，冷却脱模后得到粗坯；

S6、将获得的合金粗坯放入热处理炉中，在750-890℃的温度下，保温5-8h后出炉即得到所述铜合金。

5.根据权利要求4所述的高导电率铜合金的制备方法，其特征在于，所述铜合金的微观组织，在晶界处析出1-50纳米尺寸的镍铈金属间化合物。

6.根据权利要求4所述的高导电率铜合金的制备方法，其特征在于，所述原料中，铜钼中间合金中钼的摩尔分数占40%以上；镍铈中间合金中铈的摩尔分数占30%-40%。

7.根据权利要求4所述的高导电率铜合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2、S3、S4中合金熔炼时间t，按合金的质量进行估算。

8.根据权利要求7所述的高导电率铜合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2、S3、S4中合金熔炼时间t的换算公式为：

t=K·m^1/2，

式中，铜-镍-钼-铈体系系数K= 1200-1700 s/( kg^1/2)；m为合金的质量，单位为kg。