CN107858551B - 电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2%~6%、Ti 0.5%~2%、Cr 0.3~0.7%、Zr 0.02~0.2%、La 0.03~0.08%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%;同时公开了其制备方法。本发明采用多元微合金化法并通过各元素的协同作用对铜合金进行成分设计和优化,以替代Co、Be的铜合金材料,制备的铜合金具有高强度、高导电率、耐热、抗氧化性、耐磨性好等优点,其不含铍,减少了环境污染和对人体的伤害,其不含钴,节省贵重材料,降低成本;本发明制得的铜合金,抗拉强度为600~850MPa,断后伸长率为5~15%,电导率为20~45%IACS,软化温度为510~520℃,完全能够满足电阻焊电极材料的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜合金材料及其制备方法,特别是一种用作电阻焊电极的铜合金材料,也可应用在要求具有高导电、高强度、抗氧化及抗耐磨的产品上。
背景技术
电阻焊技术因具有效率高、质量好、成本低且易于实现自动化等优点,在汽车制造、航空航天、家电制造、仪器、仪表、量具刃具等领域,得到了广泛的应用。随着现代工业的发展,尤其是汽车工业的蓬勃发展,电阻焊技术得到了极大的发展及应用,这对其关键的电极材料也提出了更高的性能要求。电阻焊电极的工作条件比较恶劣,在焊接过程中,电极在高温和高压下,不断的与工件进行接触,这就要求电极具备较高的高温强度和硬度、抗氧化性、耐磨性及良好的导电性能。
铜合金以其优良的导电、传热性能在工程上获得了广泛应用。高强度、高导电率、耐热、耐磨铜合金的代表材料为CuCo2Be合金,该材料在国内外已有多年的应用,且它的性能基本能达到电阻焊电极材料的要求,但由于合金元素Co、Be的资源紧缺和价格昂贵,使得CuCo2Be合金成本一直很高,且合金在熔铸过程中产生的铍及其化合物粉尘是毒性最为严重的工业污染物,含铍铜合金的生产对环境和人体健康构成了极大威胁,促使材料工作者及相关产业致力于研制和开发新型铜合金材料以替代含铍铜合金。
发明内容
发明目的:针对上述问题,本发明的目的之一是提供一种无钴、无铍的适用于电阻焊电极用铜合金,以期获得高强度、耐高温、高导电率、耐磨、软化温度高、无毒的综合性能;本发明的另一目的是提供这种铜合金的制备方法。
技术方案:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2%~6%、Ti 0.5%~2%、Cr 0.3~0.7%、Zr 0.02~0.2%、La 0.05~0.08%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
其中的Mn元素组份含量须严格控制,微量的Mn元素易形成氧化物,降低合金熔体流动性,而在凝固后又分布于晶界上,削弱晶间结合,使强度下降,故Mn元素含量不高于0.05%。
其中的稀土元素La,一方面可以提高合金的强度及磨损性能,另一方面由于它的化学活性高,在合金高温熔炼的过程中起到了净化作用,稀土元素与氢有很大的亲和力,与氢能形成稳定的弥散稀土氢化物,避免了“氢脆”现象的产生。
其中的Zr元素是一种非常有效的晶粒细化剂,微量的Zr元素就可以对合金起到明显的细化效果。
其中的Cr元素主要是在时效过程中以单质铬析出,提高合金的强度和电导率。由于Cr元素在铜中最大的溶解度为0.75%,因此Cr元素含量不高于0.75%,而当Cr元素含量小于0.05%,对铜合金强度的提高则不明显了。
本发明合金中,Sn元素与Ti形成SnTi强化相,SnTi在α相中有明显的溶解度变化,因此,经固溶+时效处理后,合金内部可析出有明显的沉淀硬化效果的SnTi相;同时Cr元素的加入,在提升合金加工工艺性的同时,与Zr元素还可产生复合强化作用,进一步强化合金的基体。综上,由于Sn、Ti、Cr、Zr元素在合金中的协同作用,本发明形成的合金组分及含量,大大提升了合金的强度和硬度。
最佳的,所述电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2.5%、Ti 1.6%、Cr 0.5%、Zr 0.08%、La 0.05%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
最佳的,所述电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 5%、Ti 2%、Cr 0.3%、Zr 0.04%、La 0.06%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
最佳的,所述电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2%、Ti 0.8%、Cr 0.5%、Zr 0.05%、La 0.08%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
最佳的,所述电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2.3%、Ti 1.3%、Cr 0.6%、Zr 0.06%、La 0.07%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
最佳的,所述电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 4.2%、Ti 0.5%、Cr 0.4%、Zr 0.07%、La 0.05%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
上述电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:按照质量百分比进行配料,采用真空中频感应炉进行熔炼并浇铸。升温前,坩埚底部放少许木炭,再放置电解铜板,抽真空并加热,熔炼温度为1200~1300℃,待电解铜全部熔化,依次加入La、Sn、Ti、Cr、Zr,全部熔化后静置3分钟再进行真空浇铸,浇铸温度为1050~1150℃,以上的真空度≤0.1Pa;
步骤二:进行控温热锻,始锻温度900~950℃,终锻温度为≥650℃,随后进行空冷;
步骤三:将热锻后的铜合金放置在箱式电阻炉中进行加热,固溶加热温度为850~950℃,保温时间为1~4h,冷却方式为水冷;
步骤四:将固溶处理后的铜合金板材进行冷锻或冷轧,加工率为30~80%;
步骤五:将冷锻或冷轧后的铜合金板材放置在箱式电阻炉中进行时效处理,时效温度为350~500℃,保温时间为2~6h,冷却方式为空冷。
有益效果:与现有技术相比,本发明的优点是:本发明采用多元微合金化法并通过各元素的协同作用对铜合金进行成分设计和优化,以替代Co、Be的铜合金材料,制备的铜合金具有高强度、高导电率、耐热、抗氧化性、耐磨性好等优点,其不含铍,减少了环境污染和对人体的伤害,降低了成本,其不含钴,节省了贵重材料,进一步降低了成本,具有经济、环保的优势,具有较好的应用前景;本发明制得的铜合金,抗拉强度为600~850MPa,断后伸长率为5~15%,电导率为20~45%IACS,软化温度为510~520℃,完全能够满足电阻焊电极材料的性能要求。
附图说明
图1为本发明电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金的金相组织图;
图2为本发明电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金的TEM微观形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明。
实施例1:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2.5%、Ti 1.6%、Cr 0.5%、Zr 0.08%、La 0.05%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
实施例2:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 5%、Ti 2%、Cr 0.3%、Zr 0.04%、La 0.06%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
实施例3:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2%、Ti 1%、Cr 0.5%、Zr 0.05%、La 0.08%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
实施例4:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2.3%、Ti 1.3%、Cr 0.6%、Zr 0.06%、La 0.07%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
实施例5:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 4.2%、Ti 0.5%、Cr 0.4%、Zr 0.07%、La 0.05%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
实施例6:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 5.1%、Ti 1.2%、Cr 0.7%、Zr 0.02%、La 0.06%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
实施例7:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 6%、Ti 0.7%、Cr 0.4%、Zr 0.1%、La 0.05%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
实施例8:一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其组分及质量百分含量为Sn 2.9%、Ti 1.6%、Cr 0.5%、Zr 0.2%、La 0.07%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
以上各实施例的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:按照质量百分比进行配料,采用真空中频感应炉进行熔炼并浇铸。升温前,坩埚底部放少许木炭,再放置电解铜板,抽真空并加热,熔炼温度为1200~1300℃,待电解铜全部熔化,依次加入La、Sn、Ti、Cr、Zr,全部熔化后静置3分钟再进行真空浇铸,浇铸温度为1050~1150℃,以上的真空度≤0.1Pa;
步骤二:进行控温热锻,始锻温度900~950℃,终锻温度为≥650℃,随后进行空冷;
步骤三:将热锻后的铜合金放置在箱式电阻炉中进行加热,固溶加热温度为850~950℃,保温时间为1~4h,冷却方式为水冷;
步骤四:将固溶处理后的铜合金板材进行冷锻或冷轧,加工率为30~80%;
步骤五:将冷锻或冷轧后的铜合金板材放置在箱式电阻炉中进行时效处理,时效温度为350~500℃,保温时间为2~6h,冷却方式为空冷。
附图2所示为本发明电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金的TEM微观形貌图。
实施例1~8制得的电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其性能列为下表:
Claims (6)
1.一种电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其特征在于:其组分及质量百分含量为Sn 2%~6%、Ti 0.5%~2%、Cr 0.3~0.7%、Zr 0.02~0.2%、La 0.03~0.08%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%;所述铜合金是通过如下制备方法制得的:
步骤一:按照质量百分比进行配料,采用真空中频感应炉进行熔炼并浇铸,升温前,坩埚底部放少许木炭,再放置电解铜板,抽真空并加热,熔炼温度为1200~1300℃,待电解铜全部熔化,依次加入La、Sn、Ti、Cr、Zr,全部熔化后静置3分钟再进行真空浇铸,浇铸温度为1050~1150℃,以上的真空度≤0.1Pa;
步骤二:进行控温热锻,始锻温度900~950℃,终锻温度为≥650℃,随后进行空冷;
步骤三:将热锻后的铜合金放置在箱式电阻炉中进行加热,固溶加热温度为850~950℃,保温时间为1~4h,冷却方式为水冷;
步骤四:将固溶处理后的铜合金板材进行冷锻或冷轧,加工率为30~80%;
步骤五:将冷锻或冷轧后的铜合金板材放置在箱式电阻炉中进行时效处理,时效温度为350~500℃,保温时间为2~6h,冷却方式为空冷。
2.根据权利要求1所述的电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其特征在于:其组分及质量百分含量为Sn 2.5%、Ti 1.6%、Cr 0.5%、Zr 0.08%、La 0.05%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
3.根据权利要求1所述的电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其特征在于:其组分及质量百分含量为Sn 5%、Ti 2%、Cr 0.3%、Zr 0.04%、La 0.06%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
4.根据权利要求1所述的电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其特征在于:其组分及质量百分含量为Sn 2%、Ti 0.8%、Cr 0.5%、Zr 0.05%、La 0.08%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
5.根据权利要求1所述的电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其特征在于:其组分及质量百分含量为Sn 2.3%、Ti 1.3%、Cr 0.6%、Zr 0.06%、La 0.07%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
6.根据权利要求1所述的电阻焊电极用高强高导耐磨无毒铜合金,其特征在于:其组分及质量百分含量为Sn 4.2%、Ti 0.5%、Cr 0.4%、Zr 0.07%、La 0.05%、Mn≤0.05%、Si≤0.02%、P≤0.05%、Al≤0.02%、S≤0.05%、余量为Cu和不可避免的杂质,所述杂质含量≤0.3%。
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