CN107739878B

CN107739878B - 一种高强高导抗软化铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107739878B
Application number: CN201711182140.5A
Authority: CN
Inventors: 邬元旭; 钟月明; 李明茂; 蔡立宁; 张乐清; 郭树军
Original assignee: QUANNAN JINGHUAN SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Jiangxi University of Technology
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: CN107739878A

Abstract

一种高强高导抗软化铜合金，按照质量百分比计算，其组分及各组分的含量为：Cr：0.1～1.0％、Hf：0.05～1.0％，余量为铜；本发明还包括上述铜合金材料的制备方法，包括如下步骤：1)真空环境下配置铜铪中间合金；2)制备铜铬铪合金锭坯；3)将铜铬铪合金锭坯取出后，经800‑920℃热挤、热压或热锻后，制成一定规格的棒材或板材，随后在电阻炉中900℃保温30‑45min，最后再依次进行快速淬火处理、冷拉或冷轧变形；4)在对铜铬铪合金进行冷变形后，在电阻炉内对合金进行400‑500℃下2‑3h的时效处理，得最终合金材料。本发明不仅具有较高的强度和较高的导电性，还具有较高的高温抗软化性能，可应用于高压电触头、焊咀、电接触轮、引线框架、结晶器等高性能电工铜材产品中。

Description

一种高强高导抗软化铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金材料及其制备方法，特别是一种高强高导抗软化铜合金及其制备方法。

背景技术

具有高强度、高导电性的铜合金是一类具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，在众多工业领域中有着不可替代的作用，广泛应用于集成电路的引线框架、各类真空灭弧室电极、点焊和滚焊机的电极、大功率异步牵引电动机转子、电接触轮等。铜合金的强度和导电率之间有着此消彼长的关系，即采用某种手段使铜合金得到强化后，其导电率必然有某种程度的下降，特别是在真空开关、焊咀、电接触轮等设备领域，除了高强度和高导电性，还需要此类铜合金具有较高的高温强度，即较高的高温抗软化强度。

目前的高强高导合金主要有铜铁磷系、铜镍硅系、铜镍锡系、铜铬锆系、铜镁系等，但是真正要实现抗拉强度和导电率都很高，尤其是具有高的抗高温软化性能的目前只有铜铬锆系合金，其它的铜合金要么强度达不到，要么导电率达不到，特别是高温强度较低，在高温下无法使用。而对于铜铬锆合金，制备时主要采用的是固溶后的时效处理，通过强化相的析出弥散分布于铜基体，从而实现固溶度很小且弥散相很多的材料，实现了高强高导。然而由于锆元素的特殊性质，其在铜中的最大固溶度不到0.1wt％，因此进行沉淀强化处理的效果有限，导致其强度不能得到较大的提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种高强高导抗软化铜合金及其制备方法，最终得到的合金材料不仅具有较高的强度和较高的导电性，还具有较高的高温抗软化性能，可应用于高压电触头、焊咀、电接触轮、引线框架、结晶器等高性能电工铜材产品中。

本发明的技术方案是：一种高强高导抗软化铜合金，按照质量百分比计算，其组分及各组分的含量为：Cr：0.1～1.0％、Hf：0.05～1.0％，余量为铜。

本发明进一步的技术方案是：所述铜合金按照质量百分比计算，其组分及各组分的含量为：Cr：0.3～0.7％、Hf：0.5～0.8％，余量为铜。

进一步的，所述组分铬、铪以金属单质形式弥散在铜基体中。

上述高强高导抗软化铜合金的制备方法，包括如下步骤：

1)真空环境下配置铜铪中间合金：在坩埚内放入99％以上纯度的海绵铪和99.95％以上纯度的阴极铜原料，铜与铪的质量百分比为92:8，将坩埚放于1500-1700℃的真空炉中保温20-40min，炉内完成浇筑，制得8％的铜铪中间合金；

2)制备铜铬铪合金锭坯：按照上述的铜合金组分配比，在坩埚中同时放入99％以上纯度的铬粒、步骤1)所制得8％的铜铪中间合金以及99.95％以上纯度的阴极铜原料，然后将坩埚放入1300-1500℃的真空炉中保温10-20min进行熔融，并在炉内将熔体倒入事先放入炉内的浇筑模具中，制成方形或圆形铜铬铪合金锭坯；

3)将铜铬铪合金锭坯取出后，经800-920℃热挤、热压或热锻后，制成一定规格的棒材或板材，使铜铬铪合金的密度显著提高，晶粒得到破碎，得到动态再结晶组织，随后在电阻炉中900℃保温30-45min，使铪、铬元素溶入铜基体中，最后再依次进行快速淬火处理、冷拉或冷轧变形，淬火处理具体为：上述保温过程结束后，快速从炉内取出锭坯扔入水池中进行淬火处理，该过程可使铪、铬元素过饱和地存在于铜基体当中，冷拉或冷轧变形一方面大幅提高材料的强度和硬度，另一方面获得所需的产品尺寸；

4)在对铜铬铪合金进行冷变形后，在电阻炉内对合金进行400-500℃下2-3h的时效处理，得最终合金材料；时效处理可使过饱和的铪和铬从铜基体中弥散析出，从而一方面使材料的强度和硬度进一步提高，并使导电率大幅恢复和提高，另一方面消除了铜铬铪合金在冷加工过程产生的残余应力，恢复一部分塑性，此时，铜铬铪合金已达到高强高导抗软化的要求。

进一步的，步骤1)和步骤2)中的加热过程均在真空感应电炉中进行。

进一步的，使步骤1)和步骤2)中的真空炉内达到真空环境的做法为：先将真空炉抽取真空至0.02Pa，然后再充入氩气至0.08MPa。

进一步的，步骤3)中冷拉或冷轧变形过程中铜铬铪合金的累计变形量为10％-90％。

进一步的，步骤4)中时效处理后，再对铜铬铪合金进行冷拉或冷轧变形，可进一步利于提高铜铬铪合金的强度和硬度。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

(1)本发明使用的铪元素是一种热稳定性很强的元素，添加进入铜基体中可大幅提高铜材的高温抗软化性能；铪的外层电子为5d²6s²，与钛的3d²4s²和锆的4d²5s²不同，铪的热中子吸收面积为10.5靶恩，比锆的吸收面积0.18靶恩大得多，在高温耐氧化和耐软化方面均显著高于钛、锆等元素。尤其是热稳定性，铪的同素异构转变温度达1750℃，其原子结构稳定性远高于其它所有在铜合金中添加的元素；此外，铪的原子半径与铜元素的原子半径更为接近，室温下铪元素在铜的固溶度基本为零，但在高温时铪元素在铜中的最大固溶度却可达0.4％，故其通过固溶处理可以获得很大的过饱和固溶度，通过合理的时效处理后，沉淀析出的增强相也越多，如此一方面保持铜材的导电性能，另一方面又可大幅提高合金的强度、硬度和抗软化性能，从而实现更加优良的综合性能；

(2)利用本发明提供的材料组成及制备方法可制备出性能优良的高强度高导抗软化铜合金，其硬度最高可达HV230，抗拉强度可达720MPa，导电率最高可达85％IACS，抗软化温度最高可达650℃以上；综合技术指标超过目前工业生产中其它铜合金牌号的性能水平，可应用于高性能要求的电工铜合金生产；

(3)本发明提供的铜合金材料制备简单，均可采用现有的金属处理设备，不需要额外提供专门的设备进行制备，而且制备方法中的熔炼、铸造、塑性加工和热处理等也为现有的常见的金属加工手段，即可利用现有的设备资源和处理手段得到性能优良的高强高导抗软化铜合金，制备成本较低，制备方法简单。

附图说明

图1是本发明具体实施例1中得到的铜铬铪合金的TEM图。

具体实施方式

实施例1：

首先选择真空感应电炉配制铜铪中间合金，在刚玉坩埚内放入99％以上纯度的海绵铪和99.95％以上纯度的阴极铜原料，铜与铪的质量百分比分别为92％和8％。抽取真空至0.02Pa后充入氩气至0.08MPa后启动加热电源，将材料加热至1600℃左右保温30分钟后，在炉内完成浇铸，制成8％的铜铪中间合金后取出。

继续选择真空感应电炉，电炉坩埚容量为50公斤，准备Φ125×250的浇铸模具装入炉内备用。按照含铬0.6％、含铪0.6％、余量为铜的质量配比，在刚玉坩埚中同时放入99％以上纯度的铬粒、上述8％的铜铪中间合金以及99.95％以上纯度的阴极铜原料，总重量为25公斤。抽取真空至0.02Pa后充入氩气至0.08MPa后启动加热电源，将材料加热至1300℃左右保温10分钟后，在炉内将熔体倒入事先放入炉内的Φ125×250mm的浇铸模具中，制成圆柱形铜铬铪合金锭坯。将锭坯取出后经机械加工车削成Φ120×200圆锭。将该圆锭加热至900℃保温1小时后，快速取出在800吨水封卧式挤压机上挤压成直径为Φ25mm的圆杆，并同时实现淬火处理。再通过50吨液压拉拔机将铜杆冷拉变形至Φ18mm，然后在氮气保护的箱式电阻炉内进行450℃×2.5h的时效处理，最后再通过50吨液压拉拔机进行冷拉变形至Φ13mm。该铜棒产品的硬度可达HV220，抗拉强度可达680MPa，导电率可达80％IACS，在620℃下保温1小时后，硬度仍达HV210以上，表明其抗软化温度高于620℃。综合性能优于目前其它种类的铜合金。可应用于高效耐热电触头和导电咀的开发，利用该技术还可以生产高档结晶器铜材。

材料在铸态、热加工及淬火态、第一次冷拉变形后、时效后以及最终冷拉变形后的主要性能如下表1所示。从表1中可以看出在不同阶段材料性能的变化，从中也可以反映出铪、铬元素在铜基体中的存在形式。

表1：材料在铸态、挤压后淬火、首次冷拉变形、时效处理及最终冷拉变形后主要性能测试结果

	铸态	挤压后淬火	第一次冷拉	时效处理	成品拉拔
						导电率％IACS	41.2	26.3	26	80.3	80
硬度HV	103	110	150	202	220
						抗软化温度℃	-	-	-	≥620	≥620
延伸率％	18	30	8.5	10.2	7.8

时效处理后,用透射电子显微镜观察材料的显微形貌如下图1所示。从图1中可以看出，大量密集而细小的析出相分布在基体内。达到了对材料增强的目的，且由于铜基体中固溶的金属较少，仍保持了很高的导电性。

实施例2：

参照实施例1中的方法步骤，生产8％铜铪中间合金后，选择20kg的真空中频感应熔炼炉中配制含铬0.8％、含铪0.9％、余量为铜的铜合金，待金属熔化并保温10分钟后，在真空内将坩埚倾倒在长宽尺寸为180×120mm，高度为50mm的石墨舟中。打开真空炉取出铸锭后，将表面铣制成178mm×118×30mm的锭坯。将该合金在箱式电阻炉中加热到900℃后，采用Φ300×400二辊不可逆轧机，将合金热轧至厚度为6±0.2mm，并在热轧过程中保证材料的终轧温度不低于600℃。然后进行900℃×30min的固溶处理，淬火方式为水淬。对坯料进行表面清洗后再使用Φ300/Φ100×400冷轧机将材料冷轧至厚度为1.5mm的铜板，随后在氮气保护的箱式电阻炉内进行450×2.5h的时效处理。经表面清洗后测试材料性能，该铜板产品的硬度可达HV230，抗拉强度可达720MPa，导电率可达75％IACS，在650℃下保温1小时后，硬度仍达HV210以上，表明其抗软化温度高于650℃。综合性能优于目前其它种类的铜合金。可应用于制作大功率鼠笼式电机的导条等材料。

Claims

1.一种高强高导抗软化铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)真空环境下配置铜铪中间合金：在坩埚内放入99％以上纯度的海绵铪和99.95％以上纯度的阴极铜原料，铜与铪的质量百分比为92:8，将坩埚放于1500-1700℃的真空炉中保温20-40min，炉内完成浇铸，制得8％的铜铪中间合金；

2)制备铜铬铪合金锭坯：按照质量百分比计算的组分配比Cr：0.3～0.7％、Hf：0.5～0.8％，余量为铜，在坩埚中同时放入99％以上纯度的铬粒、步骤1)所制得8％的铜铪中间合金以及99.95％以上纯度的阴极铜原料，然后将坩埚放入1300-1500℃的真空炉中保温10-20min进行熔融，并在炉内将熔体倒入事先放入炉内的浇铸模具中，制成方形或圆形铜铬铪合金锭坯，所述组分铬、铪以金属单质形式弥散在铜基体中；

3)将铜铬铪合金锭坯取出后，经800-920℃热挤、热压或热锻后，制成一定规格的棒材或板材，随后在电阻炉中900℃保温30-45min，最后再依次进行快速淬火处理、冷拉或冷轧变形；

4)在对铜铬铪合金进行冷变形后，在电阻炉内对合金进行400-500℃下2-3h的时效处理，得最终合金材料。

2.根据权利要求1所述的高强高导抗软化铜合金的制备方法，其特征在于：步骤1)和步骤2)中的加热过程均在真空感应电炉中进行。

3.根据权利要求1或2所述的高强高导抗软化铜合金的制备方法，其特征在于：使步骤1)和步骤2)中的真空炉内达到真空环境的做法为：先将真空炉抽取真空至0.02Pa，然后再充入氩气至0.08MPa。

4.根据权利要求1或2所述的高强高导抗软化铜合金的制备方法，其特征在于：步骤3)中冷拉或冷轧变形过程中铜铬铪合金的累计变形量为10％-90％。

5.根据权利要求1或2所述的高强高导抗软化铜合金的制备方法，其特征在于：步骤4)中时效处理后，再对铜铬铪合金进行冷拉或冷轧变形。