CN108754218B - 一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材及其制备方法 - Google Patents

一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高导Cu‑Cr‑Fe‑Mg‑P合金线材及其制备方法，属于导电铜合金材料领域，合金线材包括如下质量百分数的成分：Cr0.25～0.35％，Fe0.05～0.1％，Mg0.05～0.1％，P0.03～0.06％，不可避免的杂质的总质量占比低于0.05％，其余为Cu；制备方法包括熔炼—连续铸造—连续挤压—拉拔—时效处理—多道次拉拔—时效处理—电化学表面氧化的步骤。本发明的制备方法中保证了大长度线材性能的均匀性，并优化了力学性能和导电性能的匹配，制得的铜合金线材具有高强度、高导电、耐疲劳、抗高温软化等优良综合性能。

Description

一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材及其制备方法
技术领域
本发明涉及导电铜合金材料领域，具体的涉及一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材及其制备方法。
背景技术
目前，时效强化型导电铜合金需要经过固溶淬火处理以获得过饱和固溶体，这种工序目的在于得到时效析出的动力，具有快速冷却的工艺特征，然而，规模化制备的铜合金具有大卷重、大长度的特点，快速的淬火过程难以在该类材料的不同部位获得一致的冷却速率，导致了规模化制备此类材料的组织性能不均匀的问题。此外，导电和强度性能之间的匹配始终是研制高强高导铜合金难以平衡的两种性能，即导电性能的提高通常带来强度性能的降低。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材及其制备方法，其制备方法中省去了固溶淬火处理的工序，保证了大长度线材性能的均匀性，并通过铜材表面处理优化了力学性能和导电性能之间的匹配。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采取如下技术方案：
一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材，其成分包括Cu、Cr、Fe、Mg、P元素及不可避免的杂质，其中，Cu是合金基体，其他成分所占质量比例如下：
Cr 0.25～0.35％；
Fe 0.05～0.1％；
Mg 0.05～0.1％；
P 0.03～0.06％；
不可避免的杂质的总质量占比低于0.05％。
进一步地，所述各成分所占质量比例如下：
Cr 0.30％；
Fe 0.06％；
Mg 0.1％；
P 0.039％；
不可避免的杂质的总质量占比低于0.03％，余量为Cu；且Mg/Fe原子比为2:1，(Mg+Fe)/P原子比为2.5:1。
本发明还提供了上述高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，包括熔炼—连续铸造—连续挤压—拉拔—时效处理—多道次拉拔—时效处理—电化学表面氧化的步骤，具体如下：
(1)熔炼：采用感应熔炼的方法在熔化炉中熔化纯铜，炉衬材料使用高稳定性的MgO材料，纯铜熔化完毕后，覆盖以120mm的石墨鳞片以隔绝空气，熔炼温度达到1300℃时，依次加入纯铁、铜铬中间合金、纯镁和铜磷中间合金，保温20min，转移至保温炉，得到合金熔体；
(2)连续铸造：先对保温炉内的合金熔体进行炉前成分分析，符合要求后用陶瓷材质结晶器进行连续铸造，连续铸造过程中，控制熔体温度为1250±5℃，拉拔速度为12～16mm/s，节距为2～3.5mm/次，停止时间为0.5～0.8s/次，水压为0.3～0.5Mpa，水套进水温度30±2℃，连续制备圆柱形的杆材，杆材直径范围为7～10mm，得到圆形杆坯；
(3)连续挤压、拉拔及时效处理：对圆形杆坯进行表面酸洗处理，光亮后进行连续挤压加工，挤压后圆形杆坯的直径为9～14mm，然后进行多道次拉拔变形，拉拔至圆形杆坯的直径为6～10mm，接着直接进行时效处理，处理温度为500-550℃，时效时间为0.5-1h，采用25-60℃的水进行淬火，然后，进行165℃温度下120h的长时间低温时效，再进行多道次拉拔，至圆形杆坯的直径为3～5mm，进行第三次时效处理，处理温度为450℃，时效时间为4h，得到铜合金基材；
(4)电化学表面氧化：在交流电的作用下，对铜合金基材进行电化学氧化处理，处理工序为脱脂→水洗→电化学氧化→二次水洗→烘干，具体为：首先采用丙酮浸泡，接着用室温水冲洗，去除铜合金基材表面的油脂，然后立即进行电化学氧化处理，电化学氧化的参数为：选用浓度为5％～10％的NaOH溶液，温度为60℃，电流密度为3～4A/dm2，电流频率70～100Hz，氧化时间5～15分钟；电化学氧化处理后用室温水进行二次水洗，最后在60℃的环境中进行烘干，即得铜合金线材。
3.有益效果
(1)本发明通过成分的种类、含量和铸坯尺寸等参数的设计，并匹配以具有一定冷却速率的连续铸造方法，兼顾生产效率，制备了通过铸造过程即可获得具有相当于过饱和固溶度的铜合金铸态杆材，大变形加工后直接进行时效处理，省去了固溶淬火工艺，获得了良好的力学性能，达到大规模制备组织性能均匀的Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的目的，克服了规模化铜合金材料组织性能不均匀的问题。
(2)本发明通过时效处理获得了良好的力学性能和一定的导电性能，然后通过表面选择性氧化处理，使得表层合金中的Cr溶质原子和Cr纳米析出相成为Cr2O3颗粒，进一步降低固溶体中溶质原子的含量，改善了对导电性能的影响最为显著的表面层的组织结构，提高了材料的导电性能，从而获得了强度和导电性能的优良匹配，克服了导电性能的提高通常带来强度性能的降低的问题。
(3)由实施例中的试验数据可知，本发明所提供的Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材具有高强度、高导电、耐疲劳、抗高温软化等优良综合性能。
综上，本发明的铜合金线材的制备方法中省去了固溶淬火处理的工序，保证了大长度线材性能的均匀性，并通过铜材表面处理优化了力学性能和导电性能之间的匹配，制得的Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材具有高强度、高导电、耐疲劳、抗高温软化等优良综合性能。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
按照以下成分进行配料：Cr 0.35％、Fe 0.1％、Mg 0.1％、P 0.06％，余量为纯铜，Cr和P分别以铜铬中间合金、铜磷中间合金的形式加入。按照熔炼—连续铸造—连续挤压—拉拔—时效处理—多道次拉拔—时效处理—电化学表面氧化的步骤制备Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材：
(1)熔炼：采用感应熔炼的方法在熔化炉中进行熔炼纯铜，炉衬材料使用高稳定性的MgO材料，纯铜熔化完毕后，覆盖以120mm的石墨鳞片以隔绝空气，熔炼温度达到1300℃时，依次加入纯铁、铜铬中间合金、纯镁和铜磷中间合金，保温20min，转移至保温炉，得到合金熔体；
(2)连续铸造：对保温炉内的合金熔体进行炉前成分分析，符合要求后用陶瓷材质结晶器进行连续铸造，连续铸造过程中，熔体温度为1250±5℃，拉拔速度为12mm/s，节距为2mm/次，停止时间为0.8s/次，水压为0.5Mpa，水套进水温度30±2℃，连续制备圆柱形杆材，杆材直径为7mm，得到圆形杆坯；
(3)连续挤压、拉拔及时效处理：对圆形杆坯进行表面酸洗处理，光亮后进行连续挤压加工，挤压后圆形杆坯的直径为9mm，然后进行多道次拉拔变形，拉拔至圆形杆坯的直径为6mm，接着直接进行时效处理，处理温度为550℃，时效时间为0.5h，采用25℃的水进行淬火，然后在165℃温度下对合金进行120h的低温长时间处理，再进行多道次拉拔至圆形杆坯的直径为5mm,进行第二次时效处理，处理温度为450℃，时效时间为4h，得到铜合金基材；
(4)电化学表面氧化：在交流电的作用下，对铜合金线材进行电化学氧化处理，处理工序为脱脂→水洗→电化学氧化→水洗→烘干。具体为：首先采用丙酮浸泡，接着用室温水冲洗，去除铜合金基材表面的油脂，然后立即进行电化学氧化处理，电化学氧化的参数为：选用浓度为5％的NaOH溶液，温度为60℃，电流密度为3A/dm2,电流频率为70Hz,处理时间为5分钟；电化学氧化处理后用室温水进行冲洗，最后在60℃的环境中进行烘干，即得铜合金线材。
经试验，由此方案得到的Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的抗拉强度为635MPa，导电率为85％IACS，室温环境下疲劳极限为330MPa，300℃环境下疲劳极限为250MPa,抗软化温度为560℃。
实施例2
按照以下质量百分数的成分进行配料：Cr 0.25％、Fe 0.07％、Mg 0.07％、P0.03％，余量为纯铜，其中，Cr和P分别以铜铬中间合金、铜磷中间合金的形式加入。按照熔炼—连续铸造—连续挤压—拉拔—时效处理—多道次拉拔—时效处理—电化学表面氧化的步骤制备Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材：
(1)熔炼：采用感应熔炼的方法在熔化炉中进行熔炼纯铜，炉衬材料使用高稳定性的MgO材料，纯铜熔化完毕后，覆盖以120mm的石墨鳞片以隔绝空气，熔炼温度达到1300℃时，依次加入纯铁、铜铬中间合金、纯镁和铜磷中间合金，保温20min，转移至保温炉，得到合金熔体；
(2)连续铸造：对保温炉内的合金熔体进行炉前成分分析，符合要求后用陶瓷材质结晶器进行连续铸造，连续铸造过程中，熔体温度为1250±5℃，拉拔速度为16mm/s，节距为3.5mm/次，停止时间为0.5s/次，水压为0.3Mpa，水套进水温度30±2℃，连续制备圆柱形杆材，杆材直径为10mm，得到圆形杆坯；
(3)连续挤压、拉拔及时效处理：对圆形杆坯进行表面酸洗处理，光亮后进行连续挤压加工，挤压后圆形杆坯的直径为12mm，然后进行多道次拉拔变形，拉拔至圆形杆坯的直径为8mm，接着直接进行时效处理，处理温度为500℃，时效时间为1h，采用60℃的水进行淬火，然后在165℃温度下对合金进行120h的低温长时间处理，再进行多道次拉拔至圆形杆坯的直径为4mm,进行第二次时效处理，处理温度为450℃，时效时间为4h，得到铜合金基材；
(4)电化学表面氧化：在交流电的作用下，对铜合金线材进行电化学氧化处理，处理工序为脱脂→水洗→电化学氧化→水洗→烘干。具体为：首先采用丙酮浸泡，接着用室温水冲洗，去除铜合金基材表面的油脂，然后立即进行电化学氧化处理，电化学氧化的参数为：选用浓度为7％的NaOH溶液，温度为60℃，电流密度为3.5A/dm2,电流频率为85Hz,处理时间为10分钟；电化学氧化处理后用室温水进行冲洗，最后在60℃的环境中进行烘干，即得铜合金线材。
经试验，由此方案得到的Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的抗拉强度为600MPa，导电率为87.5％IACS，室温环境下疲劳极限为300MPa，300℃环境下疲劳极限为230MPa，抗软化温度为550℃。
实施例3
按照以下质量百分数的成分进行配料：Cr 0.30％、Fe 0.06％、Mg 0.1％、P0.039％，余量为纯铜，其中，Cr和P分别以铜铬中间合金、铜磷中间合金的形式加入。按照熔炼—连续铸造—连续挤压—拉拔—时效处理—多道次拉拔—时效处理—电化学表面氧化的步骤制备Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材：
(1)熔炼：采用感应熔炼的方法在熔化炉中进行熔炼纯铜，炉衬材料使用高稳定性的MgO材料，纯铜熔化完毕后，覆盖以120mm的石墨鳞片以隔绝空气，熔炼温度达到1300℃时，依次加入纯铁、铜铬中间合金、纯镁和铜磷中间合金，保温20min，转移至保温炉，得到合金熔体；
(2)连续铸造：对保温炉内的合金熔体进行炉前成分分析，符合要求后用陶瓷材质结晶器进行连续铸造，连续铸造过程中，熔体温度为1250±5℃，拉拔速度为14mm/s，节距为2.5mm/次，停止时间为0.7s/次，水压为0.4Mpa，水套进水温度小于30±2℃，连续制备圆柱形杆材，杆材直径为10mm，得到圆形杆坯；
(3)连续挤压、拉拔及时效处理：对圆形杆坯进行表面酸洗处理，光亮后进行连续挤压加工，挤压后圆形杆坯的直径为14mm，然后进行多道次拉拔变形，拉拔至圆形杆坯的直径为10mm，接着直接进行时效处理，处理温度为550℃，时效时间为0.5h，采用25℃的水进行淬火，然后在165℃温度下对合金进行120h的低温长时间处理，再进行多道次拉拔至圆形杆坯的直径为3mm，进行第二次时效处理，处理温度为450℃，时效时间为4h，得到铜合金基材；
(4)电化学表面氧化：在交流电的作用下，对铜合金线材进行电化学氧化处理，处理工序为脱脂→水洗→电化学氧化→水洗→烘干，具体为：首先采用丙酮浸泡，接着用室温水冲洗，去除铜合金基材表面的油脂，然后立即进行电化学氧化处理，电化学氧化的参数为：选用浓度为10％的NaOH溶液，温度为60℃，电流密度为4A/dm2,电流频率为100Hz,处理时间为15分钟；电化学氧化处理后用室温水进行冲洗，最后在60℃的环境中进行烘干，即得铜合金线材。
经试验，由此方案得到的Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的抗拉强度为650MPa，导电率为89％IACS，室温环境下疲劳极限为350MPa，300℃环境下疲劳极限为265MPa,抗软化温度为570℃。
由上述内容可知，本发明所提供的Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材具有高强度、高导电、耐疲劳、抗高温软化等优良综合性能。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，所述合金线材的成分包括Cu、Cr、Fe、Mg、P元素及不可避免的杂质，其中，Cu是合金基体，其他成分所占质量比例如下：
Cr 0.25～0.35％；
Fe 0.05～0.1％；
Mg 0.05～0.1％；
P 0.03～0.06％；
不可避免的杂质的总质量占比低于0.05％,余量为Cu；且Mg/Fe原子比为2:1，(Mg+Fe)/P原子比为2.5:1；
所述的高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，包括熔炼—连续铸造—连续挤压—拉拔—时效处理—多道次拉拔—时效处理—电化学表面氧化的步骤，具体如下：
(1)熔炼：先在熔化炉中熔化纯铜，待纯铜熔化完毕后，依次加入纯铁、铜铬中间合金、纯镁和铜磷中间合金，保温，再转移至保温炉中，得到合金熔体；
(2)连续铸造：用陶瓷材质结晶器对保温炉内的合金熔体进行连续铸造，控制熔体温度为1250±5℃，拉拔速度为12～16mm/s，节距为2～3.5mm/次，停止时间为0.5～0.8s/次，水压为0.3～0.5Mpa，水套进水温度30±2℃，连续制备圆柱形的杆材，杆材直径范围为7～10mm，得到圆形杆坯；
(3)连续挤压、拉拔及时效处理：对圆形杆坯进行连续挤压加工，使圆形杆坯的直径为9～14mm，然后进行多道次拉拔变形，拉拔至圆形杆坯的直径为6～10mm，接着直接进行时效处理，处理温度为500-550℃，时效时间为0.5-1h，采用25-60℃的水进行淬火，然后，进行165℃温度下120h的长时间时效，再进行多道次拉拔，至圆形杆坯的直径为3～5mm，进行第三次时效处理，处理温度为450℃，时效时间为4h，得到铜合金基材；
(4)电化学表面氧化：在交流电的作用下，对铜合金基材进行电化学氧化处理，处理工序为脱脂→一次水洗→电化学氧化→二次水洗→烘干，其中，电化学氧化处理的参数为：选用浓度为5％～10％的NaOH溶液，控制温度为60℃，电流密度为3～4A/dm2，电流频率为70～100Hz，氧化时间为5～15分钟，电化学氧化处理后用室温水进行二次水洗，最后在60℃的环境中进行烘干，即得铜合金线材。
2.根据权利要求1所述的一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，步骤(1)的具体操作为：采用感应熔炼的方法在熔化炉中熔化纯铜，炉衬材料使用高稳定性的MgO材料，纯铜熔化完毕后，覆盖以120mm的石墨鳞片以隔绝空气，熔炼温度达到1300℃时，依次加入纯铁、铜铬中间合金、纯镁和铜磷中间合金，保温20min，转移至保温炉，得到合金熔体。
3.根据权利要求1所述的一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中先对保温炉内的合金熔体进行炉前成分分析，符合要求后再进行连续铸造。
4.根据权利要求1所述的一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，当Cr含量为0.30％及以上时，连续铸造的工艺需相互配合以获得更大的冷却速率，即拉拔速度14mm/s以下，节距2.5mm/次以下，停止时间0.7s/次以上；当Cr元素含量低于0.30％时，连续铸造的工艺参数需配合以获得更高的生产效率，即拉拔速度14mm/s以上，节距2.5mm/次以上，停止时间0.7s/次以下，在这种成分和工艺参数配合下，才能在铸造过程中获得足够的Cr原子过饱和度，以省去时效强化铜合金常规制备过程中的固溶淬火工艺。
5.根据权利要求1所述的一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，当Cr含量为0.30％及以上时，第一级时效温度取550℃，时效时间取0.5h,并采用25℃的水进行淬火；当Cr元素含量低于0.30％时，第一级时效温度取500℃，时效时间取1h,并用60℃的水淬火，这种工艺配合使得合金晶内纳米时效析出相充分析出，并使得Mg和Fe元素在Cr纳米析出相/Cu基体界面上偏聚分布达到10-15at.％，以保证良好的耐疲劳和抗软化性能。
6.根据权利要求1所述的一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中先对圆形杆坯进行表面酸洗处理，光亮后再进行连续挤压加工。
7.根据权利要求1所述的一种高强高导Cu-Cr-Fe-Mg-P合金线材的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述脱脂和一次水洗的操作为：采用丙酮浸泡铜合金基材，然后用室温水冲洗，去除铜合金基材表面的油脂。
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