CN108866378A - 一种高温环境用高强高导电率铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温环境用高强高导电率铜合金及其制备方法，涉及高强度铜合金制备领域。本发明成分设计按质量百分比计为：Cr含量为0.5‑1.0wt%，Zr含量为0.07‑0.15wt%，Ti含量为0.1‑1.0wt%，Y含量为0.06‑0.15wt%，余量为Cu及不可避免杂质，经过用真空感应熔炼，依次对铸锭进行均匀化处理、热轧淬火、冷轧、时效处理，得到最终的铜合金板材。本发明制备的铜合金组织均匀且具有很高的高温稳定性，易于加工，制备成本较低，适合大规模工业化生产。

Description

一种高温环境用高强高导电率铜合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金设计与制备领域，涉及一种适用于高温环境具有高的高温强度且具有较高电导率和延展性的新型铜合金的设计与制备方法。
背景技术
近年来，随着电子信息产业的不断发展，铜及铜合金的应用变得越来越广泛，需求量逐年增加，对铜合金的性能要求也越来越苛刻。目前，常用的高强高导铜合金主要有Cu-Cr-Zr系合金、Cu-Ni-Be系合金、Cu-Cr-Nb系合金和Cu-Al2O3弥散强化铜合金等，但这几类材料主要是基于室温环境下使用设计的。Cu-Cr-Zr系合金和Cu-Cr-Nb系合金的强化机制为析出强化，在温度高于400℃时，Cu-Cr-Nb系合金的抗拉强度低于300MPa，Cu-Cr-Zr系合金会产生过时效使得其抗拉强度低于250MPa；Cu-Ni-Be系合金虽然具有很高的高温强度，但由于其特殊的强化机制，使其高温环境下的延展性和断裂韧性大大降低，容易发生脆断(LiM,Zinkle S J.Physical and Mechanical Properties of Copper and Copper Alloys[M].Comprehensive Nuclear Materials.2012:667-690.)；Cu-Al2O3弥散强化铜合金虽然具有很高的软化温度，但是其高温强度比其它三类铜合金都要低，而且抗蠕变性能较差，材料容易因变形而失效(Zinkle S J.Applicability of copper alloys for DEMO highheat flux components[J].Physica Scripta,2016,2016(T167):014004.)。综上所述，目前还没有适用于高温环境具有高强度、高导电性的铜合金。
发明内容
本发明的目的是从铜合金的高温失效机制着手设计适用于高温环境中具有高强度且具有较高电导率和延展性的铜合金，并采用熔炼方法制备出一种组织均匀、高温稳定性好且易于加工的新型铜合金，并且制备成本较低，适合大规模工业化生产。
本发明采用的技术方案如下：
一种高温环境用高强高导电率铜合金，其成分设计按质量百分比计为：Cr含量为0.6-1.0wt％，Zr含量为0.07-0.15wt％，Ti含量为0.4-1.0wt％，Y含量为0.06-0.12wt％，余量为Cu及不可避免杂质。
上述铜合金的制备方法，具体包括以下步骤：
1、原料配料：实验原料在配料前用稀盐酸溶液将电解铜进行酸洗，然后用稀氢氧化钠溶液进行碱洗；用酒精将铬块、锆粒、钛箔表面进行清洗；将钇块表面用砂纸打磨然后用酒精冲洗。
2、真空熔炼：采用真空感应熔炼设备进行熔炼，将所有原材料放入石墨坩埚中，待所有原料都熔化以后，再进行3-8分钟精炼，最后将坩埚中的熔液倒入石墨模具中，将成型的铸锭放在空气中冷却。
3、热处理：去除铸锭表面氧化层和铸造缺陷，随后将铸锭在920-1000℃保温1-6h进行均匀化处理，然后将铸锭在920℃-1000℃下进行在线热轧和淬火，随后将铸锭进行铣面并进行变形量为40％-90％的冷轧，最后将冷轧后的样品在450℃-500℃进行2-5h的时效。
优选的，所述实验原料为电解铜、铬块、锆粒、钛箔、海绵钒和钇块，所有原料纯度均大于99％。
所述真空感应熔炼设备为中频或高频真空感应熔炼炉，真空度采用设备的极限真空度6.67×10-2Pa。
本发明的优点在于：
1.制备出了一种适用于高温环境的具有高的高温强度且具有较高的电导率和延展性的新型铜合金。
2.本发明制备的新型铜合金组织均匀且具有很高的高温稳定性。
3.本发明制备的新型铜合金易于加工，可加工成各种形状和部件。
4.本发明采用的制备工艺为熔炼方法和简单的固溶时效热处理，制备成本较低，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1铜合金板材的TEM图，其中A为2000倍下晶界及晶内析出相的组织形貌图，B为15000倍下晶界上析出相的组织形貌图。
具体实施方式
实施例1
1.合金成分选择Cu-0.75wt％Cr-0.08wt％Zr-1.0wt％Ti-0.06wt％Y，对原料进行处理后根据成分设计进行配料称重，其中Zr和Ti要将0.02wt％的熔炼损耗计算在内。按照一个铸锭5Kg计算，最终称取的原料为：Cu-37.878gCr-5.263gZr-51.153gTi-3.003gY。
2.将配好的原料进行装炉熔炼，熔炼设备为频率为4000Hz的中频真空感应熔炼炉，熔炼时的真空度采用设备的极限真空度6.67×10-2Pa。通过观察窗口观察熔炼情况，当所有原料全部熔化后开始计时进行3分钟的精炼，随后将熔液倒入石墨模具中，最后将成型的铸锭在空气中进行冷却。最终得到的铸锭为直径为60mm的圆柱状铸锭。
3.将得到的铸锭表层的氧化层和铸造缺陷进行去除，随后将铸锭在980℃下保温2h进行均匀化处理，然后快速将均匀化后的铸锭进行热轧后并淬火。最终得到厚度为20mm左右的铜板。
4.将得到的铜板进行铣面，随后进行冷轧，变形量为60％。最后将冷轧后的铜板在480℃下进行3h时效，得到最终的铜合金板，其组织形貌图见图1，表明晶界上均匀分布着平均粒径200-300nm的析出相。
表1
实施例2
1.合金成分选择Cu-0.82wt％Cr-0.1wt％Zr-0.8wt％Ti-0.08wt％Y，对原料进行处理后根据成分设计进行配料称重，其中Zr和Ti要将0.02wt％的熔炼损耗计算在内。按照一个铸锭5Kg计算，最终称取的原料为：Cu-41.414gCr-6.03gZr-41.123gTi-4.004gY。
2.将配好的原料进行装炉熔炼，熔炼设备为频率为4000Hz的中频真空感应熔炼炉，熔炼时的真空度采用设备的极限真空度6.67×10-2Pa。通过观察窗口观察熔炼情况，当所有原料全部熔化后开始计时进行3分钟的精炼，随后将熔液倒入石墨模具中，最后将成型的铸锭在空气中进行冷却。最终得到的铸锭为直径为60mm的圆柱状铸锭。
3.将得到的铸锭表层的氧化层和铸造缺陷进行去除，随后将铸锭在960℃下保温5h进行均匀化处理，然后快速将均匀化后的铸锭进行热轧后并淬火。最终得到厚度为20mm左右的铜板。
4.将得到的铜板进行铣面，随后进行冷轧，变形量为90％。最后将冷轧后的铜板在475℃下进行2.5h时效，得到最终的铜合金板。
表2
实施例3
1.合金成分选择Cu-1.0wt％Cr-0.12wt％Zr-0.6wt％Ti-0.1wt％Y，对原料进行处理后根据成分设计进行配料称重，其中Zr和Ti要将0.02wt％的熔炼损耗计算在内。按照一个铸锭5Kg计算，最终称取的原料为：Cu-50.505gCr-7.035gZr-32.096gTi-5.005gY。
2.将配好的原料进行装炉熔炼，熔炼设备为频率为2500Hz的中频真空感应熔炼炉，熔炼时的真空度采用设备的极限真空度6.67×10-2Pa。通过观察窗口观察熔炼情况，当所有原料全部熔化后开始计时进行5分钟的精炼，随后将熔液倒入石墨模具中，最后将成型的铸锭在空气中进行冷却。最终得到的铸锭为直径为60mm的圆柱状铸锭。
3.将得到的铸锭表层的氧化层和铸造缺陷进行去除，随后将铸锭在1000℃下保温2h进行均匀化处理，然后快速将均匀化后的铸锭进行热轧后并淬火。最终得到厚度为20mm左右的铜板。
4.将得到的铜板进行铣面，随后进行冷轧，变形量为70％。最后将冷轧后的铜板在485℃下进行4h时效，得到最终的铜合金板。
表3
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质特征的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (4)

1.一种高温环境用高强高导电率铜合金，其特征在于，其成分设计按质量百分比计为：Cr含量为0.5-1.0wt％，Zr含量为0.07-0.15wt％，Ti含量为0.1-1.0wt％，Y含量为0.06-0.15wt％，余量为Cu及不可避免杂质。
2.权利要求1所述高温环境用高强高导电率铜合金的制备方法，包括真空冶炼、热处理，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)原料配料：实验原料在配料前用稀盐酸溶液将电解铜进行酸洗，然后用稀氢氧化钠溶液进行碱洗；用酒精将铬块、锆粒、钛箔表面进行清洗；将钇块表面用砂纸打磨然后用酒精冲洗；
2)真空熔炼：采用真空感应熔炼设备进行熔炼，将所有原材料放入石墨坩埚中，待所有原料都熔化以后，再进行3-8分钟精炼，最后将坩埚中的熔液倒入石墨模具中，将成型的铸锭放在空气中冷却；
3)热处理：去除铸锭表面氧化层和铸造缺陷，随后将铸锭在920-1000℃保温1-6h进行均匀化处理，然后将铸锭在920℃-1000℃下进行在线热轧和淬火，随后将铸锭进行铣面并进行变形量为40％-90％的冷轧，最后将冷轧后的样品在450℃-500℃进行2-5h的时效。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述实验原料为电解铜、铬块、锆粒、钛箔、海绵钒和钇块，所有原料纯度均大于99％。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空感应熔炼设备为中频或高频真空感应熔炼炉，真空度采用设备的极限真空度6.67×10-2Pa。
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