CN110042273B - 一种高强高导铜合金管及其制备方法 - Google Patents

一种高强高导铜合金管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高导铜合金管及其制备方法,包括Zr、Cr、Nb、Mg、RE及余量铜和不可避免的杂质;制备时按组分含量制得合金铸锭后,依次经均匀化处理、挤压开坯、固溶热处理、拉拔及时效处理,制得壁厚为1.0~16mm的铜管。本发明通过在传统铬锆铜成分基础上,进一步通过添加Nb能细化基体晶粒和析出相Cr的粒径、添加RE(稀土)能够净化晶界和基体,从而提高了合金的韧塑性、降低合金冷变形抗力,使合金管材加工工艺的顺应性得到明显改善,提高了制成品的合格率。

Description

一种高强高导铜合金管及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金管的制备领域,尤其涉及一种高强高导铜合金管及其制备方法。
背景技术
铬锆铜具有高强度、高硬度、高导电性和高导热性,耐磨性能也良好,在经过固溶时效热处理之后,铬锆铜的强度、硬度、导电性以及导热性能均显著提高,可用于焊接以及制作电极材料。目前广泛应用于导电嘴、电焊机、对焊机用电极、电极帽以及其他要求高强、高导的零件。
目前国外出现了用铬锆铜做管材的铜管,该类铬锆铜是指含铬0.5%~1.5%,含锆0.05~0.3%的铜,铜基体随着铬和锆的添加,铜的硬度显著提升,耐磨性能也有所改善,能保证铜管在服役条件下难变形甚至不变形,但是这也导致铬锆铜管材制造工艺难度的提升,由于合金中加入铬和锆使合金的韧塑性下降,在现有的挤压和拉拔技术条件下,常出现铜管环纹和开裂等缺陷,造成铬锆铜管材成品率很低,从而使合金管材的生产成本高居不下。
发明内容
发明目的:本发明的第一目的是提供一种具有高强度和高导电率,且在制备过程中能够有效克服铜管开裂、缺陷和夹杂等问题的铜合金管;
本发明的第二目的是提供该铜合金管的制备方法。
技术方案:本发明高强高导铜合金管,按质量百分数包括:Zr 0.05~0.3wt.%、Cr0.5~1.5wt.%、Nb 0.08~0.10wt.%、Mg 0.03~0.06wt.%、RE 0.01~0.05wt.%及余量铜和不可避免的杂质。
本发明通过将Zr、Cr、Nb、Mg、RE和Cu进行合金化及成分优化,进而制备的铜合金管导电率≥47MS/m,硬度≥80HRB;其中,添加Zr,能与铜形成金属间化合物弥散析出后提高合金的热强行,同时Zr能促进主强化元素Cr弥散分布;添加Cr,能够能提高合金强度、耐磨性及抗氧化性;添加Nb,能够与金属中的氧形成氧化物提高合金强度并优先形成形核细化晶粒;添加Mg,能够对合金液实施脱氧,同时形成氧化膜提高合金耐热性和降低合金气体含量;添加RE,能够与金属中残留的杂质元素Pb、Bi等形成金属间化合物对合金晶界和基体实施净化提高合金的导电性能,同时RE能促使主强化元素Cr的析出物钝化,提高合金的韧塑性;Cu作为基体保证了合金的基本传导特性。
进一步说,本发明的铜管壁厚可为1.0~16mm。杂质元素中Al≤0.05wt.%、Si≤0.1wt.%、P≤0.1wt.%及Pb≤0.05wt.%。
本发明制备高强高导铜合金管的方法,包括如下步骤:
(1)熔炼:按组分含量将纯铜块或电解铜在1150~1250℃条件下真空熔炼后,升温至1300~1350℃,加入铬反应静置3~5min并通入保护气体后,加入锆和铌反应静置3~5min,再加入镁和稀土反应静置8~12min,浇铸制得铸坯;
(2)均匀化处理:将上述制备的铸坯在氮气气氛、950~970℃条件下保温2~3h并进行水冷;
(3)挤压开坯:将上述均匀化处理后的铸锭表面处理后,在速度0.1~1m/min、挤压比12~16条件下进行挤压开坯,制得管坯;
(4)固溶热处理:将管坯在940~960℃条件下保温反应1~2h并进行水冷;
(5)拉拔:将上述固溶热处理后的管坯进行表面处理后,依次进行拉拔直至管壁达到厚度要求;
(6)时效处理:将上述拉拔成形的铜管进行矫直,在氮气气氛、430~520℃条件下保温反应1~5h,并空冷至室温,即可。
再进一步说,合金锭制备时,所述真空熔炼的真空度为0.1~50Pa。挤压开坯前将表面处理后的铸锭先以100~120℃/h升温速率将锭坯由室温加热至620~650℃,其次以75~85℃/h升温速率将锭坯加热至800~820℃,再其次以50~60℃/h升温速率将锭坯加热至920~940℃,并在900~920℃温度下保温2~3h,并将挤压模具也加热至320~380℃,同步保温2~3h。挤压管坯的固溶热处理过程中,先将管坯以100~120℃/h升温速率由室温加热至800~820℃并保温1~1.2h,随后以75~85℃/h升温速率加热至940~960℃。
更进一步说,所述拉拔为四次,其中,第一次拉拔的变形量为15%~20%,第二次拉拔的变形量为12%~15%,第三次拉拔的变形量为10%~12%,第四次拉拔的变形量为8%~10%。
有益效果:与现有技术相比,本发明的显著优点为:在传统铬锆铜成分基础上,进一步通过添加Nb能细化基体晶粒和析出相Cr的粒径、添加RE(稀土)净化晶界和基体,从而提高了合金的韧塑性、降低合金冷变形抗力,使合金管材加工工艺的顺应性得到明显改善,提高了制成品的合格率;且制备的铜合金管的导电率≥47MS/m,硬度≥80HRB,具有高强度、高导电率,中心孔径小、壁厚大、精度高且不偏芯,是一种良好的制造导电嘴的电极材料;同时制备时,首先在熔炼时通过三次加料(先加铬再加锆和铌,最后加镁和稀土),进而能够使得铬、锆等元素充分扩散在铜基体之中,再经过均匀化热处理,使铜合金管成分更加均匀;其次,制备时结合真空冶炼、挤压开坯及拉拔等工艺,能够制造出大尺寸的铬锆铜管,且能够有效克服铜管开裂、环纹等缺陷,大大提高了材料的利用率,节约生产成本。
附图说明
图1为制备的铜合金管管坯的截面金相图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
铜合金管的组分及含量为:Zr 0.1wt.%、Cr 0.5wt.%、Nb 0.09wt.%、Mg0.05wt.%、RE(La+Ce)0.04wt.%和余量Cu及不可避免的杂质。其中,杂质元素中Al≤0.05wt.%、Si≤0.1wt.%、P≤0.1wt.%、Pb≤0.05wt.%。
该铜合金管的制备方法包括如下步骤:
(1)按组分含量以纯铜块或电解铜为原料加入真空熔炼炉内的石墨坩埚中,将铬装在加料器的第一合金格内,将锆和铌装在加料器的第二合金格内,镁和稀土装在加料器的第三合金格内;抽真空至真空度达0.1~50Pa,送电熔炼,当炉温升至1200℃时,待铜全部熔化后再精炼20min后将炉温升至1300℃保温;加入铬经搅拌、静置5min后向炉内充入保护气体(氩气或氮气),再加入锆和铌经搅拌、静置5min,再加入镁和稀土经搅拌、静置10min;最后将炉温降至1220℃左右时将金属液浇铸在炉内的模具中,浇铸时间保持在8min,制得铜合金铸坯,冷却20min开炉取锭;
(2)对步骤(1)制备的铜铸锭进行均匀化热处理,使铸锭内部组织均匀化,将上述制备的铸坯在氮气气氛炉、950℃条件下保温3h并进行水冷至室温;
(3)用圆錾子在步骤(2)制得的毛坯锭尾部端面准确打一中心孔,用车床和锯床将铜锭表面的氧化皮、夹杂车削干净和并将冒头锯除掉,若仍有局部夹杂可单独用打磨机处理,造成的表面凹处要平稳过度,制得光锭;
(4)对步骤(3)制得的光锭进行挤压开坯,挤压前将铜锭、模具和挤压垫进行预热,具体为将铬锆铜铜锭放入台车式电阻炉中,采用阶梯式加热工艺,先以120℃/h升温速率将锭坯由室温加热至650℃,其次以80℃/h升温速率将锭坯加热至800℃,再其次以50℃/h升温速率将锭坯加热至930℃,并在930℃温度下保温2h,同时将挤压模具也加热至350℃,同步保温2h;将铸锭以速度为0.2m/min,挤压比15条件下进行挤压开坯制得管坯,水封挤压槽内冷却水的温度控制在15℃左右;
(5)对步骤(4)挤压开坯后得到的管坯进行固溶热处理,具体为管坯放入台车式电阻炉中,先以120℃/h升温速率将管坯由室温加热至800℃,管坯在800℃条件下现保温1h,然后以80℃/h升温速率将管坯加热至950℃,并在950℃温度下保温1.5h后水冷,水槽内循环水温度保持在20℃左右;
(6)对步骤(5)固溶热处理后的管坯进行表面加工,车削管坯外圆的表面,达到要求的光洁度,然后对车削后的管坯进行超声清洗,使管坯表面清洁;
(7)将上述处理好的管坯进行拉拔,第一次拉拔的变形量为16%,第二次拉拔的变形量为13%,第三次拉拔的变形量为10%,第四次拉拔的变形量为8%。拉拔中间退火温度为720℃,保温3h(空冷),每道次拉拔壁厚减减薄量≯2mm;
(8)将步骤(7)制备的铜管进行矫直,符合产品对的弯曲度要求;
(9)对步骤(8)制备的铬锆铜管进行时效热处理,采用台车式真空炉,时效时先预抽真空再充入氮气保护,用来保护铬锆铜管材表面,时效温度为450℃,保温2h,时效处理后炉冷即可。
将该实施例制备的铜合金管的管坯进行金相分析,获得的结果如下图1所示。通过该图可知,在铜基体上存在少量、均匀分布的Cr初生相,在固溶处理工艺的基础上能够使得主要强化相Cr有效溶入基体。
实施例2
铜合金管的组分及含量为:Zr 0.15wt.%、Cr 0.75wt.%、Nb 0.1wt.%、Mg0.04wt.%、RE(La+Ce)0.05wt.%和余量Cu及不可避免的杂质。其中,杂质元素中Al≤0.05wt.%、Si≤0.1wt.%、P≤0.1wt.%、Pb≤0.05wt.%。
该铜合金管的制备方法实施例1基本相同,不同之处在于:
步骤(1)中,升温温度分别为1150℃和1350℃;
步骤(2)中,充氮气加热至970℃,保温2h;
步骤(4)中,挤压速度为0.3m/min,挤压比为16,冷却水温度控制在25℃左右;
步骤(5)中,再将炉温升高到940℃,保温2h,水槽温度保持在40℃左右;
步骤(7)中,将上述固溶处理好的管坯进行拉拔,第一次拉拔的变形量为15%,第二次拉拔的变形量为12%,第三次拉拔的变形量为10%,第四次拉拔的变形量为8%;
步骤(9)中,时效温度460℃,保温时长2.5h。
实施例3
铜合金管的组分及含量为:Zr 0.2wt.%、Cr 1wt.%、Nb 0.08wt.%、Mg0.06wt.%、RE(La+Ce)0.03wt.%和余量Cu及不可避免的杂质。其中,杂质元素中Al≤0.05wt.%、Si≤0.1wt.%、P≤0.1wt.%、Pb≤0.05wt.%。
该铜合金管的制备方法实施例1基本相同,不同之处在于:
步骤(1)中,升温温度分别为1220℃和1280℃;
步骤(2)中,充氮气加热至960℃,保温2.5h;
步骤(4)中,挤压速度为0.35m/min,挤压比为13,冷却水温度控制在35℃左右;
步骤(5)中,再将炉温升至960℃,保温1h,水槽温度保持在35℃左右;
步骤(7)中,将上述固溶处理好的管坯进行拉拔,第一次拉拔的变形量为17%,第二次拉拔的变形量为14%,第三次拉拔的变形量为11%,第四次拉拔的变形量为9%。拉拔中间退火温度为700℃,保温2.5h(空冷);
步骤(9)中,时效温度480℃,保温时长1.5h。
将实施例1-3制备的铜合金管进行性能检测,获得的结果如下表1所示。
表1铜合金管性能
Figure BDA0002076908710000051
Figure BDA0002076908710000061
通过表1可知,本发明制备的铜合金管的硬度≥80HRB,导电率≥47MS/m,具有高强度、高导电率。
实施例4
铜合金管的组分及含量为:Zr 0.05wt.%、Cr 1wt.%、Nb 0.09wt.%、Mg0.03wt.%、RE(La+Ce)0.01wt.%和余量Cu及不可避免的杂质。其中,杂质元素中Al≤0.05wt.%、Si≤0.1wt.%、P≤0.1wt.%、Pb≤0.05wt.%。
该铜合金管的制备方法包括如下步骤:
(1)按组分含量以纯铜块或电解铜为原料加入真空熔炼炉内的石墨坩埚中,将铬装在加料器的第一合金格内,将锆和铌装在加料器的第二合金格内,镁和稀土装在加料器的第三合金格内;抽真空至真空度达0.1~50Pa,送电熔炼,当炉温升至1250℃时,待铜全部熔化后再精炼20min后将炉温升至1350℃保温;加入铬经搅拌、静置3min后向炉内充入保护气体(氩气或氮气),再加入锆和铌经搅拌、静置3min,再加入镁和稀土经搅拌、静置8min;最后将炉温降至1220℃左右时将金属液浇铸在炉内的模具中,浇铸时间保持在8min,制得铜合金铸坯,冷却20min开炉取锭;
(2)对步骤(1)制备的铜铸锭进行均匀化热处理,使铸锭内部组织均匀化,将上述制备的铸坯在氮气气氛炉、960℃条件下保温2.5h并进行水冷至室温;
(3)用圆錾子在步骤(2)制得的毛坯锭尾部端面准确打一中心孔,用车床和锯床将铜锭表面的氧化皮、夹杂车削干净和并将冒头锯除掉,若仍有局部夹杂可单独用打磨机处理,造成的表面凹处要平稳过度,制得光锭;
(4)对步骤(3)制得的光锭进行挤压开坯,挤压前将铜锭、模具和挤压垫进行预热,具体为将铬锆铜铜锭放入台车式电阻炉中,采用阶梯式加热工艺,先以100℃/h升温速率将锭坯由室温加热至620℃,其次以75℃/h升温速率将锭坯加热至810℃,再其次以60℃/h升温速率将锭坯加热至920℃,并在920℃温度下保温2.5h,同时将挤压模具也加热至320℃,同步保温2.5h;将铸锭以速度为0.1m/min,挤压比15条件下进行挤压开坯制得管坯,水封挤压槽内冷却水的温度控制在15℃左右;
(5)对步骤(4)挤压开坯后得到的管坯进行固溶热处理,具体为管坯放入台车式电阻炉中,先以100℃/h升温速率将管坯由室温加热至810℃,管坯在810℃条件下现保温1h,然后以75℃/h升温速率将管坯加热至940℃,并在940℃温度下保温1.5h后水冷,水槽内循环水温度保持在20℃左右;
(6)对步骤(5)固溶热处理后的管坯进行表面加工,车削管坯外圆的表面,达到要求的光洁度,然后对车削后的管坯进行超声清洗,使管坯表面清洁;
(7)将上述处理好的管坯进行拉拔,第一次拉拔的变形量为20%,第二次拉拔的变形量为15%,第三次拉拔的变形量为12%,第四次拉拔的变形量为10%。拉拔中间退火温度为720℃,保温3h(空冷),每道次拉拔壁厚减减薄量≯2mm;
(8)将步骤(7)制备的铜管进行矫直,符合产品对的弯曲度要求;
(9)对步骤(8)制备的铬锆铜管进行时效热处理,采用台车式真空炉,时效时先预抽真空再充入氮气保护,用来保护铬锆铜管材表面,时效温度为430℃,保温5h,时效处理后炉冷即可。
实施例5
铜合金管的组分及含量为:Zr 0.3wt.%、Cr 1.5wt.%、Nb 0.1wt.%、Mg0.04wt.%、RE(La+Ce)0.02wt.%和余量Cu及不可避免的杂质。其中,杂质元素中Al≤0.05wt.%、Si≤0.1wt.%、P≤0.1wt.%、Pb≤0.05wt.%。
该铜合金管的制备方法包括如下步骤:
(1)按组分含量以纯铜块或电解铜为原料加入真空熔炼炉内的石墨坩埚中,将铬装在加料器的第一合金格内,将锆和铌装在加料器的第二合金格内,镁和稀土装在加料器的第三合金格内;抽真空至真空度达0.1~50Pa,送电熔炼,当炉温升至1200℃时,待铜全部熔化后再精炼20min后将炉温升至1300℃保温;加入铬经搅拌、静置4min后向炉内充入保护气体(氩气或氮气),再加入锆和铌经搅拌、静置4min,再加入镁和稀土经搅拌、静置12min;最后将炉温降至1220℃左右时将金属液浇铸在炉内的模具中,浇铸时间保持在8min,制得铜合金铸坯,冷却20min开炉取锭;
(2)对步骤(1)制备的铜铸锭进行均匀化热处理,使铸锭内部组织均匀化,将上述制备的铸坯在氮气气氛炉、960℃条件下保温2.5h并进行水冷至室温;
(3)用圆錾子在步骤(2)制得的毛坯锭尾部端面准确打一中心孔,用车床和锯床将铜锭表面的氧化皮、夹杂车削干净和并将冒头锯除掉,若仍有局部夹杂可单独用打磨机处理,造成的表面凹处要平稳过度,制得光锭;
(4)对步骤(3)制得的光锭进行挤压开坯,挤压前将铜锭、模具和挤压垫进行预热,具体为将铬锆铜铜锭放入台车式电阻炉中,采用阶梯式加热工艺,先以110℃/h升温速率将锭坯由室温加热至630℃,其次以85℃/h升温速率将锭坯加热至820℃,再其次以55℃/h升温速率将锭坯加热至940℃,并在940℃温度下保温3h,同时将挤压模具也加热至380℃,同步保温3h;将铸锭以速度为1m/min,挤压比12条件下进行挤压开坯制得管坯,水封挤压槽内冷却水的温度控制在15℃左右;
(5)对步骤(4)挤压开坯后得到的管坯进行固溶热处理,具体为管坯放入台车式电阻炉中,先以110℃/h升温速率将管坯由室温加热至820℃,管坯在820℃条件下现保温1.2h,然后以85℃/h升温速率将管坯加热至960℃,并在960℃温度下保温1h后水冷,水槽内循环水温度保持在20℃左右;
(6)对步骤(5)固溶热处理后的管坯进行表面加工,车削管坯外圆的表面,达到要求的光洁度,然后对车削后的管坯进行超声清洗,使管坯表面清洁;
(7)将上述处理好的管坯进行拉拔,第一次拉拔的变形量为20%,第二次拉拔的变形量为15%,第三次拉拔的变形量为12%,第四次拉拔的变形量为10%。拉拔中间退火温度为720℃,保温3h(空冷),每道次拉拔壁厚减减薄量≯2mm;
(8)将步骤(7)制备的铜管进行矫直,符合产品对的弯曲度要求;
(9)对步骤(8)制备的铬锆铜管进行时效热处理,采用台车式真空炉,时效时先预抽真空再充入氮气保护,用来保护铬锆铜管材表面,时效温度为520℃,保温1h,时效处理后炉冷即可。
将实施例4和5制备的铜合金管进行性能检测,获得的结果如下表2所示。
表2铜合金管性能
Figure BDA0002076908710000081
通过表2可知,本发明制备的铜合金管的硬度≥83HRB,导电率≥45.08MS/m,具有高强度、高导电率。

Claims (5)

1.一种高强高导铜合金管,其特征在于按质量百分数包括如下组分:Zr0.05~0.3wt.%、Cr 0.5~1.5wt.%、Nb 0.08~0.10wt.%、Mg 0.03~0.06wt.%、RE0.01~0.05wt.%及余量Cu和不可避免的杂质,其中,RE为La和Ce;
该高强高导铜合金管的制备方法包括如下步骤:
(1)熔炼:按组分含量将纯铜块或电解铜在1150~1250℃条件下真空熔炼后,升温至1300~1350℃,加入铬反应静置3~5min并通入保护气体后,加入锆和铌反应静置3~5min,再加入镁和稀土反应静置8~12min,浇铸制得铸坯;
(2)均匀化处理:将上述制备的铸坯在氮气气氛、950~970℃条件下保温2~3h并进行水冷至室温;
(3)挤压开坯:将上述均匀化处理后的铸锭表面处理后,先以100~120℃/h升温速率将锭坯由室温加热至620~650℃,其次以75~85℃/h升温速率将锭坯加热至800~820℃,再其次以50~60℃/h升温速率将锭坯加热至920~940℃,并在920~940℃温度下保温2~3h,并将挤压模具也加热至320~380℃,同步保温2~3h;随后在速度0.1~1m/min、挤压比12~16条件下进行挤压开坯,制得管坯;
(4)固溶热处理:将管坯在940~960℃条件下保温反应1~2h并进行水冷至室温;
(5)拉拔:将上述固溶热处理后的管坯进行表面处理后,依次进行拉拔直至管壁达到厚度要求,该拉拔为四次,其中,第一次拉拔的变形量为15%~20%,第二次拉拔的变形量为12%~15%,第三次拉拔的变形量为10%~12%,第四次拉拔的变形量为8%~10%;
(6)时效处理:将上述拉拔成形的铜管进行矫直,在氮气气氛、430~520℃条件下保温反应1~5h,并空冷至室温,即可。
2.根据权利要求1所述的高强高导铜合金管,其特征在于:所述杂质中Al≤0.05wt.%、Si≤0.1wt.%、P≤0.1wt.%、Pb≤0.05wt.%。
3.根据权利要求1所述的高强高导铜合金管,其特征在于:所述铜管壁厚为1.0~16mm。
4.根据权利要求1所述的高强高导铜合金管,其特征在于:步骤(1)中,所述真空熔炼的真空度为0.1~50Pa。
5.根据权利要求1所述的高强高导铜合金管,其特征在于:步骤(4)中,所述固溶热处理过程中,先将管坯以100~120℃/h升温速率由室温加热至800~820℃并保温1~1.2h,随后以75~85℃/h升温速率加热至940~960℃。
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