CN110004320B - 一种高强高导Cu-Ag-Sc合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强高导Cu‑Ag‑Sc合金及其制备方法，成分按质量百分比含Ag 1～10％，Sc 0.05～0.5％，余量为Cu；其硬度88～148HV，导电性83～88％IACS；制备方法按以下步骤进行：(1)将金属Ag和金属Sc置于电弧炉中，真空熔炼，随炉冷却制得Ag‑Sc中间合金；(2)将Ag‑Sc中间合金、电解铜和金属Ag置于感应炉中，真空条件1200～1300℃熔炼，浇铸并随炉冷却；(3)在惰性气氛条件下，加热至700～850℃热处理，水淬至常温；(4)在惰性气氛条件下，加热至400～500℃时效处理，空冷至常温。本发明方法通过使用中间合金Ag‑Sc的方式，得到了各成分均匀分布的Cu‑Ag‑Sc合金，解决了Sc难熔于Cu中的问题。

Description

一种高强高导Cu-Ag-Sc合金及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属合金技术领域，特别涉及一种高强高导Cu-Ag-Sc合金及其制备方法。
背景技术
随着现代工业和技术的发展，越来越多的领域需要强度和导电性匹配良好的导线材料；纯铜具有优异的导电性，但其强度远不能满足现代工业的需求，因此许多学者在纯铜中添加不同比例的Ag，通过合金强化的方式进一步提高了材料的强度。
在Cu-Ag合金中，Ag的析出相分为非连续性和连续性两种形式；非连续性析出相通常出现在低Ag含量的Cu-Ag合金中(≤8wt％)，且分布在高角度晶界附近，呈粗大的纤维状；连续性析出相出现在高Ag合金中(>8wt％)，分布在晶粒内部，细小弥散呈网状，因此连续性析出相的密度显著高于非连续性析出相的密度；大量实验表明，Cu-Ag复合材料的强度主要来自于高密度的Ag纤维，而变形后Ag纤维的密度与变形前Cu-Ag合金中Ag析出相的密度呈正相关；所以如何得到大量的Ag连续性析出相成为提高Cu-Ag复合材料的关键；研究表明，连续性析出相的比例是随着Ag含量的增加而提高的(规律适应于8～30wt％之间)，但是由于金属Ag的成本较高，如何在低Ag含量的Cu-Ag合金中得到连续性析出相，就成为研究Cu-Ag合金的一个热点。
发明专利200510048639.8公布了通过添加Re来细化Cu-Ag合金组织，并采用大变形和合理的热处理机制，得到强度和导电性匹配良好的纤维增强材料的方法；发明专利201310614153.0公布了通过Zr的添加可以提高Cu-Ag合金再结晶温度、蠕变强度和抗高温热低周疲劳性能，提高合金的抗软化性和热强性的技术；发明专利02110785.8公布了在低Ag的Cu-Ag合金中添加少量的Cr、Ce、La、Nd的方法，在降低Ag含量及简化工艺的条件下，其强度与导电性达到24％-25％Ag的合金水平；发明专利201610218372.0通过在Cu-Ag合金中添加少量的Fe，在磁场的作用下，提高了合金强度，降低了合金原料成本，但材料导电性出现了较大的下降；发明专利201610173651.X公布了添加Nb、Cr和Mo后，通过合理的热处理温度和时间控制Ag的析出方式，促进Ag的连续性析出，进而提高Cu-Ag合金材料的强度和导电性的技术；然而，因为第三主元的熔点很高，此方法的铸态合金不易制备，限制了其应用价值。
一些学术文章对如何控制Ag的析出方式进行了探讨；其中A.Gaganov等(Materials Science and Engineering:A.2006,2:437)、J.Freudenberger等(MaterialsScience and Engineering:A.2010,7-8:527)、J.B.Liu等(Materials Science andEngineering:A.2012.1,532)发现通过添加Zr元素可以抑制Ag的非连续性析出相，提高连续性析出相；然而，Zr的熔点高(1855℃)，与Cu和Ag几乎没有固溶度，铸锭的熔炼困难，尤其是工业生产所需要的大型铸锭。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术问题，提供一种高强高导Cu-Ag-Sc合金及其制备方法，通过在低Ag含量的Cu-Ag合金中添加微量Sc元素，改变Ag的析出方式，进而得到强度和导电性匹配良好的Cu-Ag-Sc合金。
本发明的高强高导Cu-Ag-Sc合金成分按质量百分比含Ag 1～10％，Sc 0.05～0.5％，余量为Cu；其硬度88～148HV，导电性83～88％IACS。
本发明的高强高导Cu-Ag-Sc合金的制备方法按以下步骤进行：
1、将金属Ag和金属Sc置于电弧炉中，真空条件下进行熔炼，然后随炉冷却至常温，制得Ag-Sc中间合金；Ag-Sc中间合金中Sc的质量百分比为0.5～5％；
2、将Ag-Sc中间合金、电解铜和金属Ag置于感应炉中，在真空条件下加热至1200～1300℃，保温10～60min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含Ag 1～10％，Sc 0.05～0.5％，余量为Cu；
3、在惰性气氛条件下，将合金铸锭加热至700～850℃，保温1～15h进行热处理，然后水淬至常温，获得热处理合金铸锭；
4、在惰性气氛条件下，将热处理合金铸锭加热至400～500℃，保温2～20h进行时效处理，空冷至常温，制成高强高导Cu-Ag-Sc合金。
上述步骤1和2的真空条件为真空度≤10-2MPa。
上述的惰性气氛为氩气气氛。
已有技术中，未有涉及以Sc元素为第三组元制备的Cu-Ag合金及其相关制备技术和方法；Sc元素的熔点为1541℃，低于Zr(1855℃)，且与Ag有一定固溶度(在926℃时固溶度为4.6wt.％)，所以本发明通过Ag-Sc中间合金把Sc均匀添加到Cu-Ag合金中；通过合理的热处理方法，Ag以连续性析出相的方式分布在Cu基体中，且Sc与Cu和Ag均有中间化合物形成，可以进一步起到强化的作用，Cu-Ag-Sc合金的强度显著高于相同条件下的Cu-Ag合金。
本发明方法通过使用中间合金Ag-Sc的方式，得到了各成分均匀分布的Cu-Ag-Sc合金，解决了Sc难熔于Cu中的问题。
附图说明
图1为本发明实施例2中对比试验获得的Cu-2.8Ag合金的电镜扫描金相图；
图2为本发明实施例2中的高强高导Cu-Ag-Sc合金电镜扫描金相图。
具体实施方式
本发明实施例采用微观硬度计测量硬度，采用四点探针法检测复合材料的导电率。
本发明实施例中采用的金属Ag为银棒材，纯度为99.990～99.998％。
本发明实施例中采用的金属Sc纯度为99.75～99.99％。
本发明实施例中采用的电解铜纯度为99.95～99.99％。
以下为本发明优选实施例。
实施例1
将金属Ag和金属Sc置于电弧炉中，真空条件下进行熔炼，真空度≤10-2MPa，然后随炉冷却至常温，制得Ag-Sc中间合金；Ag-Sc中间合金中Sc的质量百分比为5％；
将Ag-Sc中间合金、电解铜和金属Ag置于感应炉中，在真空条件下加热至1300℃，真空度≤10-2MPa，保温15min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含Ag 1％，Sc 0.1％，余量为Cu；
在惰性气氛条件下，将合金铸锭加热至800℃，保温4h进行热处理，然后水淬至常温，获得热处理合金铸锭；
在氩气气氛条件下，将热处理合金铸锭加热至475℃，保温4h进行时效处理，空冷至常温，制成高强高导Cu-Ag-Sc合金，硬度88HV，导电性87.5％IACS。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)Ag-Sc中间合金中Sc的质量百分比为3％；
(2)感应炉中，在真空条件下加热至1250℃，保温20min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含Ag 3％，Sc 0.3％，余量为Cu；
(3)合金铸锭加热至760℃，保温2h；
(4)时效处理温度450℃，保温8h；高强高导Cu-Ag-Sc合金硬度108HV，导电性88％IACS；
与传统不加Sc的Cu-2.8Ag合金相比，Cu-3Ag-0.3Sc合金的硬度提高44.6％，Cu-2.8Ag合金电镜扫描如图1所示，电镜扫描如图2所示；由图可见，Cu-3Ag-0.3Sc合金中只有细小均匀的连续性Ag析出相，而Cu-3Ag中出现了粗大的非连续性Ag析出相。
本实验Cu-3Ag-0.3Sc合金的硬度均高于Cu-3Ag。450℃时效后的Cu-3Ag-0.3Sc合金的硬度为108HV,与同条件下的Cu-3Ag相比提高44.6％.在扫描电镜下，Cu-3Ag-0.3Sc合金中只有细小均匀的连续性Ag析出相,而Cu-3Ag中只出现了粗大的非连续性Ag析出相(图1)。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)Ag-Sc中间合金中Sc的质量百分比为5％；
(2)感应炉中，在真空条件下加热至1250℃，保温15min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含Ag3％，Sc 0.4％，余量为Cu；
(3)合金铸锭加热至760℃，保温10h；
(4)时效处理温度450℃，保温4h；高强高导Cu-Ag-Sc合金硬度115HV，导电性84％IACS。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)Ag-Sc中间合金中Sc的质量百分比为2％；
(2)感应炉中，在真空条件下加热至1300℃，保温20min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含Ag 7％，Sc 0.07％，余量为Cu；
(3)合金铸锭加热至760℃，保温6h；
(4)时效处理温度450℃，保温16h；高强高导Cu-Ag-Sc合金硬度148HV，导电性83％IACS。

Claims (3)

1.一种高强高导Cu-Ag-Sc合金的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）将金属Ag和金属Sc置于电弧炉中，真空条件下进行熔炼，然后随炉冷却至常温，制得Ag-Sc中间合金；Ag-Sc中间合金中Sc的质量百分比为0.5~5%；
（2）将Ag-Sc中间合金、电解铜和金属Ag置于感应炉中，在真空条件下加热至1200~1300℃，保温10~60min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含Ag 1~10%，Sc 0.05~0.5%，余量为Cu；
（3）在惰性气氛条件下，将合金铸锭加热至700~850℃，保温1~15h进行热处理，然后水淬至常温，获得热处理合金铸锭；
（4）在惰性气氛条件下，将热处理合金铸锭加热至400~500℃，保温2~20h进行时效处理，空冷至常温，制成高强高导Cu-Ag-Sc合金，其硬度88~148HV，导电性83~88%IACS。
2.根据权利要求1所述的高强高导Cu-Ag-Sc合金的制备方法，其特征在于步骤（1）和（2）的真空条件为真空度≤10-2MPa。
3.根据权利要求1所述的高强高导Cu-Ag-Sc合金的制备方法，其特征在于步骤（3）中，惰性气氛为氩气气氛。
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