CN107794404B - 一种Cu-Al-Mg合金及其形变时效处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Cu‑Al‑Mg合金及其形变时效处理工艺，所述Cu‑Al‑Mg合金中的成分及其含量为：Al 12~15 wt.%，Mg 1.2~1.5 wt.%，余量为Cu和不可避免的杂质，其中Al和Mg的质量比在10~12之间。通过优化合金成分配比和热加工工艺，诱发反应，引入析出强化，同时促进溶质原子从铜基体中析出，这样既提高了Cu‑Al合金的强度，又保证了其导电性。

Description

一种Cu-Al-Mg合金及其形变时效处理工艺
技术领域
本发明涉及一种Cu-Al-Mg合金及其形变时效处理工艺，本发明属于金属及合金的制备和热处理技术领域。
背景技术
Cu-Al合金的力学性能、成形性和导热性较好，在环境环境中耐蚀性优良。因袭，Cu-Al合金以其优良的导热、耐蚀性能广泛地用于发电厂和轮船的热交换材料和耐蚀耐磨部件等领域，是目前应用较广泛的一种导电合金。Cu-Al合金中A1的质量分数一般在9-15％，Cu-A1合金的铸态组织为α+β′+γ2相组成，其中，α相是以Cu为基的固溶体，即富铜相，属面心立方结构；β′相是β相的同素异构体，β相是以Cu3Al为基的固溶体，属体心立方结构。在565℃时β相发生共析转变，形成(α+γ2)共析体，但在实际铸造条件下，很难达到β相共析转变所需的缓慢冷却的要求，因而β相在快速冷却时会来不及分解而产生亚稳定的β′相组织。γ2相是以电子化合物Cu9A14为基的固溶体，具有复杂立方晶格。
Cu-Al合金的一个主要缺点是强度不够高，导致其应用受限。该类合金的强化主要是细晶强化和弥散强化，例如专利号为200910227868.4的发明专利“一种Cu-Al合金显微组织的细化工艺”，专利号为200810050061.3的发明专利“一种高强度高导电整体弥散铜点焊电极制备工艺方法”等与Cu-Al合金相关的发明专利中具体实施的合金制备与流程均符合上面的描述。这些方法都是需要复杂的工序或非常规手段(如深冷处理)，工艺参数控制精度要求高。
目前Cu-Al合金的研究主要是向提高性能、降低成本、改进产品质量等方向发展，需要开发材新的材料加工工艺，提高合金产品质量。开发能够提高Cu-Al合金强度并不引起电导率损失的合金配方和工艺，特别是可以进行大规模生产的低成本制备方法，对改善Cu-Al合金的综合性能并提高其竞争力非常重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是，Cu-Al合金的电导率较好，但强度不高。本发明的目的是在保持合金电导率较好的情况下，用一种低成本的方法来提高其强度。
本发明的技术方案是，提供一种Cu-Al-Mg合金，所述Cu-Al-Mg合金中的成分及其含量为：Al 12～15wt.％，Mg 1.2～1.5wt.％，余量为Cu和不可避免的杂质，其中Al和Mg的质量比在10～12之间。
优选地，所述Cu-Al-Mg合金中的Mg的含量为1.3～1.4wt.％。
优选地，所述Cu-Al-Mg合金中的Mg的含量为13～14wt.％。
优选地，所述杂质含量不超过1wt.％。
优选地，所述杂质包括：Fe<0.3wt.％，Zn<0.2wt.％，Ti<0.1wt.％，Cr<0.2wt.％。
本发明进一步提供一种Cu-Al-Mg合金的形变时效处理工艺，将上述的Cu-Al-Mg合金固溶淬火处理后，再进行冷变形，然后进行时效处理；冷变形的变形量为20～40％，时效处理的温度为300℃～450℃、时间为1～5小时。
优选地，冷变形的变形量为25～35％，
优选地，冷变形处理为冷轧、冷拉、挤压和/或锻造。
优选地，所述时效处理的时间为2～3小时。
优选地，所述时效处理的温度为380～420℃。
优选地，所述时效处理为等温时效处理。
优选地，固溶处理的温度为900-950℃，时间为40-100分钟。
下面对本发明做进一步的解释和说明：
本发明的原理是：传统的Cu-Al合金及其热加工方法制备的合金主要是靠粗大的弥散相来强化。实际上如果此类合金中能引入细小的析出相来强化材料，那么合金强度会显著提升，但合金元素添加不当也会显著降低合金电导率。本发明通过加入Mg来诱发析出反应，主要指S相(Al2CuMg)，引起较强析出强化。同时在时效前引入冷变形，使合金内部产生大量位错，进一步促进溶质元素析出，降低离散分布的溶质原子对电导率的降低作用。Al和Mg的质量比在10～12之间，控制时效析出相的量恰当，使合金强度升高，但不显著降低电导率。本发明通过调控冷变形后Cu-Al合金的时效处理工艺，可以有效地控制形变结构中析出相的生长以及位错结构的演变，可以获得相比传统热加工方法处理的Cu-Al合金更高的强度。
本发明提供的新的铜合金配方及其相关的热加工方法，在Cu-Al合金中引入了析出强化和加工硬化，可以大幅度提高强度，但同时只是轻微地降低了导电性能。相关的热加工不用增加任何设备和工序。该方法不仅可以用于大规模生产高强高导Cu-Al合金，而且可以在现有的热加工设备上实施，不会增加额外制造成本。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、通过优化合金成分配比和热加工工艺，诱发反应，引入析出强化，同时促进溶质原子从铜基体中析出，这样既提高了Cu-Al合金的强度，又保证了其导电性。
2、添加的合金元素Mg是常见元素，添加量小，新配方不会增加成本。本发明的新型加工方法可以在现有的Cu-Al合金热加工生产装备中进行，不需增加新的热加工装备；没有增加新的工序，易于实现。
3、本发明提供的合金和工艺不仅可以拓宽低成本的Cu-Al合金的使用范围，有利于生产高品质导电导热Cu-Al合金。
附图说明
图1表示本发明实施例2的形变时效处理工艺简图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于这些实施例。本发明所述室温一般为10℃-30℃之间均可。
实施例所用样品的化学成分为:Mg 1.3wt.％,Al 13.5wt.％,Mn 0.15wt.％,Cr0.15wt.％,Ti 0.12wt.％，Fe 0.20wt.％，其余为Cu。
对比实施例所用样品的化学成分(传统Cu-Al合金)为:Al 13.5wt.％，Mn0.15wt.％，Cr 0.15wt.％，Ti 0.12wt.％，Fe 0.20wt.％，其余为Cu。
硬度测试是采用HXD-1000T Vickers硬度试验机对不同时效工艺样品进行硬度测试，施加载荷为4.9N，加载时间为10s，每个样品至少测试5个点，除去最大值和最小值，求其余平均值。样品的电导率测量采用D60K电导率仪，样品在测试之前都经过抛光处理，每个样品测试三次。
实施例1
Cu-Al-Mg合金经920℃×60min固溶处理水淬后，立即在时效炉中进行400℃不同时间的时效处理，对不同处理时间的样品进行硬度和电导率测试，通过硬度测试找到合金典型时效状态的时间，然后对它们进行拉伸试验。人工时效的控温精度在±2℃。结果见表1。
实施例2
Cu-Al-Mg合金经920℃×60min固溶处理水淬后，在室温下进行30％的轧制冷变形，再立即在时效炉中进行400℃不同时间的时效处理，对不同处理时间的样品进行硬度和电导率测试，通过硬度测试找到合金典型时效状态的时间，然后对它们进行拉伸试验。人工时效的控温精度在±2℃。结果见表2。
对比实施例1
Cu-Al合金经920℃×60min固溶处理水淬后，立即在时效炉中进行400℃不同时间的时效处理，对不同处理时间的样品进行硬度和电导率测试，通过硬度测试找到合金典型时效状态的时间，然后对它们进行拉伸试验。人工时效的控温精度在±2℃。结果见表3。
效果对比
表1-3显示的是实施例和对比实施例合金的硬度值和电导率值。在传统Cu-Al合金时效工艺中，随着时效时间的延长，硬度值随着时效时间的延长上升并达到平台，而电导率始终保持一个上升的趋势。对于单级时效工艺，相比于传统Cu-Al合金，新的Cu-Al-Mg合金在硬度方面获得明显的提升。但相伴随的是电导率明显下降。
实施例1和2对比显示，Cu-Al-Mg合金时效前引入冷变形时，综合性能显著提升，时效3小时效果已非常明显，硬度显著高于Cu-Al合金，而电导率没有明显下降。可见综合性能是合金成分、冷变形和变形后时效处理综合影响的结果。
由于实施例所制备的样品太小，无法按拉伸试验的标准为(GB228-87)来测试，根据非标准的实验方法，发现实施例2的拉伸强度比实施例1的拉伸强度高出28MPa，实施例1的拉伸强度比对比例1的拉伸强度高出73MPa。
总之，从表1-3可以看出，相比对比实施例1，以上结果显示本发明提供的合金配方以及热加工方法制备的Cu-Al-Mg合金相对传统方法制备的合金的强度提升明显，电导率没明显下降。

Claims (8)

1.一种Cu-Al-Mg合金的形变时效处理工艺，所述Cu-Al-Mg合金中的成分及其含量为：Al 12 ~ 15 wt.%，Mg 1.2 ~ 1.5 wt.%，余量为Cu和不可避免的杂质，其中Al和Mg的质量比在10 ~ 12之间；其特征在于，将所述的Cu-Al-Mg合金固溶淬火处理后，再进行冷变形处理，然后进行时效处理；冷变形的变形量为20 ~ 40%，时效处理的温度为300℃~450℃、时间为1~5小时。
2.如权利要求1所述的Cu-Al-Mg合金的形变时效处理工艺，其特征在于，所述Cu-Al-Mg合金中的Mg的含量为 1.3 ~ 1.4 wt.%。
3.如权利要求1所述的Cu-Al-Mg合金的形变时效处理工艺，其特征在于，所述杂质含量不超过1 wt.%。
4.如权利要求1所述的Cu-Al-Mg合金的形变时效处理工艺，其特征在于，所述杂质包括：Fe <0.3 wt.%，Zn <0.2 wt.%，Ti <0.1 wt.%，Cr <0.2 wt.%。
5.如权利要求1所述的形变时效处理工艺，其特征在于，冷变形处理为冷轧、冷拉、挤压或锻造。
6.如权利要求1所述的形变时效处理工艺，其特征在于，所述时效处理的时间为2 ~ 3小时。
7.如权利要求1所述的形变时效处理工艺，其特征在于，所述时效处理的温度为380 ~420℃。
8.如权利要求1所述的形变时效处理工艺，其特征在于，所述时效处理为等温时效处理。
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