CN110055479B - 一种800MPa级高导电铜铬锆合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有色金属材料技术领域，具体公开了一种抗拉强度800MPa级高导电新型铜铬锆合金及其制备方法。铜铬锆合金按质量比的组成为：铬0.95～1.06％、锆0.08～0.12％、银或锡0.05～0.1％、锰0.03～0.06％，余量为铜。通过本发明方法可得到一种新型微观组织结构‑纳米孪晶、微米晶及纳米析出物的复合组织，即纳米孪晶基体上存在一定成分微米晶，并均匀弥散分布着纳米析出相，该合金的平均晶粒尺寸≤200nm。这种新型组织铜合金抗拉强度达750MPa～850MPa，导电率为80％～90％IACS，可以满足电子、电气、电力等行业对高性能铜铬锆合金的需求。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料领域，特别涉及一种铜铬锆合金及其制备方法。
背景技术
随着近年尖端科技和电子、电气、电力等行业的发展，人们对传统导电金属的导电性、强度及其他性能有了更高、更严格的要求，导电性好、性价比高的纯铜存在着强度与硬度较低的问题，在某些特定环境下难以满足实际应用的要求，高强度高导电系合金应运而生。铜铬锆合金因其较其他铜合金更为优异的性能(高强度、高导电、高软化温度等)，在众多高强高导铜合金中脱颖而出，其用途正变得越发广泛。
铜铬锆合金在国民生活中最高端的应用当属高铁高架接触线，保证优良导电性能的同时，其高强度和较好的耐磨性可以让高铁的安全性大大提高，因此铜铬锆合金的性能一直是影响我国高铁向更高层次继续发展的关键。目前，国内使用的铜铬锆合金材料除军工用材外，民用产品大量依靠进口。日本早已开发出采用非真空生产技术生产铜铬锆合金的方法，已成功开发出几种高强高导铜铬锆系引线框架材料，并已形成了产业化规模。具有代表性的有OMCL-1及 NK120，OMCL-1抗拉强度和导电率分别为592MPa，82.7％IACS；NK120合金的抗拉强度和导电率分别为580MPa，80％IACS。国内铜铬锆合金的生产应用及实际服役性能仍与国际高强高导铜铬锆系铜合金存在较大差距。
材料性能的提高归根到底还是其组织的优化，中科院沈阳金属研究所早就发现，纳米孪晶及纳米析出物可突破传统铜铬锆合金高导电率与与高强度难以共存的矛盾，能实现两者的有效结合。但是，在合金内部获得大量的纳米级孪晶及一定比例的纳米析出物并不容易，常见的获取纳米孪晶方法有电解沉积、磁控溅射沉积、强烈塑性变形或退火再结晶等，但都难以保证纳米孪晶及析出物的含量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜铬锆合金及其制备方法。传统服役铜合金内部组织中存在大量的粗大晶粒、少量超细晶、极少量孪晶、析出物等。在此基础上，根据已知对纳米孪晶及纳米析出物的理论研究，本发明将大量纳米孪晶及一定纳米析出物引入铜铬锆合金组织。以保证高强度(750～850MPa)与高导电率(80％～90％IACS)的有效结合。
为了实现本发明的目的，本发明提供的铜铬锆合金的制备方法如下：
(1)铜铬锆合金的均匀化处理；
炉温升至1050℃时，将铜铬锆合金材料放于真空管式炉内保温1h后迅速取出置于5％NaCl溶液中冷却；
室温下的铜与铬、锆等元素并不互溶，本发明方法升温至1050℃，将发生共晶转变，使微量元素均匀、充分的溶于铜基体中；将真空管式炉内保温处理后的合金置于5％NaCl溶液冷却，冷却速度较快，更有利于得到过饱和固溶体。经对铜铬锆合金进行均匀化处理，使前期的铜铬锆合金有一个较好的塑性、韧性，便于后续加工。
(2)对经步骤(1)处理过的铜铬锆合金在低温下进行等通道变形(ECAP)，挤压道次1～8道次，挤压速率10～20mm/min，(模具内角Ф为110°，外角Ψ为0°)，低温环境为液氮环境，挤压温度为-100℃～-80℃；
低温等通道变形产生的高应变率与液氮下的超低温有利于形变时位错的增殖，孪晶的增加。
(3)对经步骤(2)处理过的铜铬锆合金进行低温下轧制，轧制变形量30～ 95％，轧辊速率10～20r/min，低温环境为液氮环境，轧制温度约为-100℃～-80℃；
低温轧制将材料进一步变形，有利于产生高密度位错及纳米级形变孪晶，随着轧制变形量增加，晶粒细化，产生更多体积分数的片层结构，析出物颗粒变得越来越小，分布越来越均匀，一定体积分数的纳米孪晶、微米晶随之出现。
本发明方法通过低温等通道变形与低温轧制结合在一起，促进本发明合金微观相结构的形成。
(4)将经步骤(3)工艺处理后的铜合金进行时效处理，时效温度200～ 550℃，保温时间0.5-3小时，时效于真空环境(氩气)下进行。
本发明方法在低温等通道变形的基础上引入低温轧制，液氮低温下的等通道变形获得更多的过饱和固溶体，并积累一定应变量；随后的低温轧制将更有利于产生高密度位错及纳米级形变孪晶，随着轧制变形量增加，晶粒进一步细化，产生更多体积分数的片层结构；相继出现纳米孪晶、微米晶等组织。最后，真空时效处理，使得一定体积分数纳米析出物均匀分布在基体中。
上述制备方法采用的铜铬锆合金，其组成和配比(质量％)为：铬0.95～ 1.06％、锆0.08～0.12％、银或锡0.05～0.1％、锰0.03～0.06％，余量为铜。
本发明在铜铬锆合金中加入银、锰元素，其中，微量银或锡元素可提高导电性能；而锰元素显著降低纯铜层错能，有助于晶体中的孪晶形成。
本发明方法制得的铜铬锆合金是一种新型微观组织结构—纳米孪晶、微米晶和纳米析出物的复相材料，即纳米孪晶基体上弥散分布纳米析出相。
合金基体组织片层存在大量纳米孪晶，孪晶晶粒尺寸≤100nm，纳米孪晶体积百分数50～70％。
合金基体组织存在一定成分微米晶，微米晶晶粒尺寸≤3μm，微米晶体积百分数10～30％。
在纳米孪晶基体上弥散分布纳米析出相，析出相尺寸≤20nm，析出相体积百分数10～20％。
有益效果：
1.首先，本发明方法制得的是一种全新的纳米结构新型组织——纳米孪晶、微米晶及纳米析出物的复相组织，在保证材料高强度的同时使得其导电率没有明显的下降，这得益于孪晶-位错的特殊交互作用。另外经时效处理之后，一定成分的纳米析出物在纳米孪晶基体上析出，在析出强化作用下进一步提升合金强度。突破了铜铬锆合金高强度-高导电性难以共存的矛盾，实现真正的高强度高导电。
2、简便的工艺流程有利于工业化制备块状纳米结构高强高导铜铬锆合金；绿色环保，且具有一定经济适用性。
3、所制得合金性能优越，超过行业对高强高导铜合金性能要求，满足高性能尖端技术需求。
附图说明
图1是本发明铜铬锆合金新型微观组织结构示意图；
附图标记：1、高密度位错聚集的晶界；2、纳米孪晶；3、纳米析出物。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬0.96％、锆0.08％、银0.05％、锰 0.03％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于5％NaCl 溶液中冷却，随后在液氮环境下进行8道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在液氮环境下进行70％变形量的轧制处理，最后将合金在300℃下真空时效0.5h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，材料以纳米孪晶和微米晶为主，包含一定成分纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸200nm，孪晶晶粒尺寸100nm，纳米孪晶体积百分数50％；微米晶尺寸3μm，微米晶体积百分数30％；析出相尺寸20nm，析出相体积百分数20％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达230HV，抗拉强度720MPa，导电率86％IACS。
实施例2
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.0％、锆0.09％、银0.06％、锰0.04％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于5％NaCl溶液中冷却，随后在液氮环境下进行8道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在液氮环境下进行80％变形量的轧制处理，最后将合金在400℃下真空时效1h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的微米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸180nm，孪晶晶粒尺寸 90nm，纳米孪晶体积百分数60％；微米晶尺寸2μm，微米晶体积百分数20％；析出相尺寸15nm，析出相体积百分数20％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达240HV，抗拉强度780MPa，导电率84％IACS。
实施例3
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.05％、锆0.95％、银0.08％、锰 0.05％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于5％NaCl 溶液中冷却，随后在液氮环境下进行8道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在液氮环境下进行95％变形量的轧制处理，最后将合金在450℃下真空时效1.5h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，这时材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的微米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸150nm，孪晶晶粒尺寸75nm，纳米孪晶体积百分数70％；微米晶尺寸1μm，微米晶体积百分数15％；析出相尺寸12nm，析出相体积百分数15％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达255HV，抗拉强度810MPa，导电率82％IACS。
实施例4
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.05％、锆0.95％、银0.05％、锰 0.05％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于5％NaCl 溶液中冷却，随后在液氮环境下进行6道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在液氮环境下进行60％变形量的轧制处理，最后将合金在200℃下真空时效3h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，这时材料以微米晶为主，是由少量成分纳米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸230nm，孪晶晶粒尺寸110nm，纳米孪晶体积百分数20％；微米晶尺寸2μm，微米晶体积百分数65％；析出相尺寸20nm，析出相体积百分数15％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达200HV，抗拉强度650MPa，导电率84％IACS。
实施例5
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.05％、锆0.95％、银0.05％、锰 0.05％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于5％NaCl 溶液中冷却，随后在液氮环境下进行3道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在液氮环境下进行30％变形量的轧制处理，最后将合金在550℃下真空时效1h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，这时材料以微米晶为主，是由少量成分纳米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸250nm，孪晶晶粒尺寸120nm，纳米孪晶体积百分数15％；微米晶尺寸2.5μm，微米晶体积百分数75％；析出相尺寸25nm，析出相体积百分数10％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达195HV，抗拉强度600MPa，导电率85％IACS。
对比例1
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.05％、锆0.95％、银0.08％、锰 0.05％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于纯水中冷却，随后在液氮环境下进行8道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在液氮环境下进行95％变形量的轧制处理，最后将合金在450℃下真空时效1.5h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，这时材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的微米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸180nm，孪晶晶粒尺寸85nm，纳米孪晶体积百分数65％；微米晶尺寸1.5μm，微米晶体积百分数 20％；析出相尺寸12nm，析出相体积百分数25％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达225HV，抗拉强度740MPa，导电率82％IACS。
对比例2
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.05％、锆0.95％、银0.08％、锰 0.05％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于3％NaCl 溶液中冷却，随后在液氮环境下进行8道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在液氮环境下进行95％变形量的轧制处理，最后将合金在450℃下真空时效1.5h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，这时材料以纳米孪晶为主，是由一定成分的微米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸185nm，孪晶晶粒尺寸90nm，纳米孪晶体积百分数68％；微米晶尺寸1.2μm，微米晶体积百分数18％；析出相尺寸10nm，析出相体积百分数14％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达230HV，抗拉强度755MPa，导电率81％IACS。
对比例3
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.05％、锆0.95％、银0.08％、锰 0.05％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于5％NaCl 溶液中冷却，随后将铜合金在液氮环境下进行95％变形量的轧制处理，最后将合金在450℃下真空时效1.5h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，这时材料以微米晶为主，是由少量成分纳米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸230nm，孪晶晶粒尺寸110nm，纳米孪晶体积百分数20％；微米晶尺寸2.4μm，微米晶体积百分数70％；析出相尺寸24nm，析出相体积百分数10％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达215HV，抗拉强度660MPa，导电率 83％IACS。
对比例4
铜铬锆合金组成和配比(质量％)为：铬1.05％、锆0.95％、银0.08％、锰 0.05％，余量为铜。将铜铬锆合金在真空下均匀化处理，迅速取出置于5％NaCl 溶液中冷却，随后在室温环境下进行8道次等通道变形处理，再将ECAP后的铜合金在450℃下真空时效1.5h。经X射线衍射技术和透射电镜表征，这时材料以微米晶为主，是由少量成分纳米晶和纳米析出物组成的复相材料。合金平均晶粒尺寸240nm，孪晶晶粒尺寸125nm，纳米孪晶体积百分数16％；微米晶尺寸2.4μm，微米晶体积百分数72％；析出相尺寸25nm，析出相体积百分数12％，经力学性能及电学性能测试，显微硬度达205HV，抗拉强度620MPa，导电率 83％IACS。
所述实施例仅用于解释本发明的发明构思,并非对本发明权利保护的限定，在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进，均应在本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：
（1）将铜铬锆合金在真空条件下进行1050℃保温1h的均匀化处理，随后迅速取出置于5%NaCl溶液中冷却；
所述铜铬锆合金按质量百分比的组成为：铬0.95～1.06％、锆0.08～0.12％、银或锡0.05～0.1％、锰0.03～0.06%，余量为铜；
（2）对经步骤（1）处理的铜铬锆合金进行液氮环境下1～8道次等通道变形（ECAP）处理；
所述等通道变形处理的挤压速率10～20mm/min，挤压温度为-100℃～-80℃；
（3）将经步骤（2）处理的铜铬锆合金在液氮环境下进行压下量30～95%的轧制变形；
所述轧制变形过程中轧辊速率10～20r/min，轧制温度为-100℃～-80℃；
（4）将经步骤（3）低温轧制变形工艺处理的铜铬锆合金进行真空下的时效处理；
所述时效温度200～550℃，保温时间0.5-3小时；
所述处理的铜铬锆合金的基体组织为纳米孪晶，孪晶晶粒尺寸≤100nm，纳米孪晶体积百分数50～70%；
所述处理的铜铬锆合金基体组织存在微米晶，微米晶晶粒尺寸≤3μm，微米晶体积百分数10～30%；
所述处理的铜铬锆合金纳米孪晶基体上弥散分布纳米析出相，析出相尺寸≤20nm，析出相体积百分数10～20%。
2.根据权利要求1所述的铜铬锆合金的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述处理的铜铬锆合金抗拉强度750MPa～850MPa，导电率80％～90％IACS。
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