CN110484768B - 一种高强高导耐热的铜铬系合金材料及其制备工艺 - Google Patents
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- C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
Abstract
本发明实施例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料及制备工艺。该合金材料组分配方合理,得到的铜铬系合金材料导电率可以达到82~98%IACS,屈服强度400~540MPa,抗拉强度450~550MPa,延伸率5~20%,耐热性>550℃,解决了现有技术中铜铬系合金材料所存在的问题,同时组分原料易得,不含贵重金属,成本相对较低。本发明实施例提供的制备工艺,制备条件不苛刻,对设备要求低,易于产业化推广。
Description
技术领域
本发明属于铜合金技术领域,具体涉及一种高强高导耐热的铜铬系合金材料及其制备工艺。
背景技术
随着电气、电子产业技术和高速铁路列车技术的不断换代升级,特别是端子连接器的大电流化、基板化以及高速铁路列车提速到350km/h以上等关键技术需求,要求铜合金具备更好的综合性能,包括更高的屈服强度(500MPa以上),更高的导电率(80%IASC以上),以及更好的耐热性(500℃以上)等。
本申请发明人在实现本申请实施例的过程中,发现铜铬系合金虽然是一种较为理想的高强高导铜合金,但其耐热性相对较差(约400℃)。尽管添加Zr、Ag、Mg等合金元素在一定程度上改善了铜铬系合金的综合及性能,然而,Zr元素极易氧化且会与常见的炉衬材料反应。大气熔炼也易导致成分不稳定,后续加工出的成品其组织、性能一致性较低。而真空熔炼则会明显增加成本,且晶粒组织粗大,抗弯折性能下降。Ag虽然可以轻微提高合金的耐热性,然而Ag价格昂贵,会导致成本剧增。Mg的加入虽然也可以在一定程度上提高了耐热性,但会显著恶化导电率。
因此,仍需开发一种新的铜铬系合金。
发明内容
为解决现有技术中铜铬系合金存在的问题,本发明实施例的目的之一在于提供一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,本发明实施例的目的之二在于提供上述铜铬系合金材料的制备工艺。
为实现上述目的,本发明实施例采用以下技术方案:
一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,包括以下质量百分比计的组分:
Cr 0.1~1.0wt%,
Ca 0.01~0.1wt%,
Sr 0.001~0.2wt%,
Ce 0.001~0.2wt%,
Yb 0.001~0.2wt%,
余量为Cu。
上述组分中,微量Sr元素的添加能够抑制纳米级强化相的长大粗化,有效提高材料的力学性能,微量Sr元素的添加对导电率的影响不大,同时微量Sr元素的添加能够细化晶粒组织,提高合金强度,促进Cr等合金化元素的均匀分布,促进合金组织均匀性和性能一致性。微量Ce、Yb元素的添加一方面除氧、除氢、除杂,起到净化熔体、提高导电率、消除铜铬系合金中温脆性的作用,另一方面Ce、Yb元素的氧化物能够在铸造过程中促进晶核形成、细化铸锭晶粒,同时其氧化物能够有效地钉扎晶界运动、阻碍晶粒在退火过程中长大。更重要的是,微量Ce、Yb元素的添加同样阻碍了纳米级强化相的长大,提高了强化相的体积分数,有效地提高了材料的力学性能,并且Ce、Yb元素在铜基体中的固溶体极低,因此对导电率几乎没有影响。Yb元素的添加能够与合金中微量的氢相互作用,形成氢化镱,既能消除氢气孔,氢化镱的形成可提高合金中温导电率。Ca的添加能够和铅、铋、硫等杂质反应,形成高熔点金属间化合物而去除,显著提高合金电导率。另外,Ca、Sr、Ce、Yb的组合添加,能够有效抑制高温下合金晶粒的长大,提高合金的高温力学性能。
优选地,包括以下质量百分比计的组分:
Cr 0.2~0.8wt%,
Ca 0.02~0.08wt%,
Sr 0.005~0.1wt%,
Ce 0.005~0.1wt%,
Yb 0.005~0.1wt%,
余量为Cu。
一种高强高导耐热的铜铬系合金材料的制备工艺,步骤包括:
S1:按配比称取所述Cr、Sr、Ce、Yb和Cu,加入覆盖剂后熔炼,得到熔体;
S2:将步骤S1的熔体铸造成型,冷却后在保护气氛下进行均匀化退火处理,得到铸锭;
S3:将步骤S2的铸锭热轧后第一次水冷处理,得到板材;
S4:将步骤S3的板材在保护气氛下进行固溶处理后第二次水冷处理;
S5:将步骤S4处理后的板材在保护气氛下依次进行一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效和三次冷轧;
S6:将步骤S5处理后的板材在保护气氛下去应力退火,随炉冷却后即得所述高强高导耐热的铜铬系合金材料。
优选地,所述覆盖剂包括木炭、焦性硼砂、冰晶石、萤石和工业纯碱中的至少一种。
覆盖剂需足量。
优选地,步骤S1所述熔炼的温度为1250~1350℃。
优选地,步骤S2所述铸造成型的温度为1200~1300℃,所述均匀化退火处理的温度为900~950℃,均匀化退火处理的时间为2~12h。
优选地,步骤S3所述热轧的温度为850~900℃。热轧的变形量为60~90%。
优选地,步骤S4所述固溶处理的温度为900~1000℃,时间为15~60min。
优选地,步骤S5所述一次时效的温度为450~550℃,一次时效的时间为5~30min;所述二次时效的温度为400~500℃,二次时效的时间为5~60min。
优选地,步骤S5所述一次冷轧的变形量为50~90%,二次冷轧的变形量为50~80%,三次冷轧的变形量为20~50%。
优选地,步骤S6去应力退火的温度为200~350℃,时间为1~4h。
本发明实施例的有益效果
1、本发明实施例提供的高强高导耐热的铜铬系合金材料,组分配方合理,得到的铜铬系合金材料硬度可以达到110~180HV,导电率可以达到88~99%IACS,屈服强度380~540MPa,抗拉强度450~550MPa,延伸率5~20%,耐热性>550℃,解决了现有技术中铜铬系合金材料所存在的问题;
2、本发明实施例提供的高强高导耐热的铜铬系合金材料,组分原料易得,不含贵重金属,成本相对较低;
3、本发明实施例提供的高强高导耐热的铜铬系合金材料的制备工艺,制备条件不苛刻,对设备要求低,易于产业化推广。
附图说明
图1为本发明实施例高强高导耐热的铜铬系合金材料的制备工艺流程图。
图2为实施例5中的热轧态金相组织图。
图3为实施例5中的固溶态金相组织图。
图4为实施例5中的一次冷轧的金相组织图。
图5为实施例5中的450℃一次等温时效的硬度性能曲线图。
图6为实施例5中的450℃一次等温时效的导电率性能曲线图。
图7为实施例6中的一次冷轧的金相组织图。
图8为实施例6中的550℃一次时效的硬度性能曲线图。
图9为实施例6中的550℃一次时效的导电率性能曲线图。
图10为实施例7中的500℃一次时效的硬度性能曲线图。
图11为实施例7中的500℃一次时效的导电率性能曲线图。
图12为实施例7中的终态析出相的透射电镜照片。
图13为实施例7中的终态析出相的高倍透射电镜照片。
图14为图13对应的选区电子衍射图谱。
图15为为实施例7中的终态析出相的高分辨透射电子显微像。
图16为图15对应的快速傅里叶变换图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,包括适量的Cr、Ca、Sr、Ce、Yb和Cu,解决了现有技术中铜铬系合金材料所存在的问题。本发明实施例还提供了上述铜铬系合金材料的制备工艺。
为了更好的理解上述技术方案,下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细地说明。
实施例1
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,包括以下质量百分比计的组分:
Cr 0.1wt%,Ca0.02wt%,Sr 0.001wt%,Ce 0.001wt%,Yb 0.001wt%,余量为Cu。
实施例2
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,包括以下质量百分比计的组分:
Cr 1.0wt%,Ca0.05wt%,Sr 0.2wt%,Ce 0.2wt%,Yb 0.2wt%,余量为Cu。
实施例3
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,包括以下质量百分比计的组分:
Cr 0.5wt%,Ca0.06wt%,Sr 0.1wt%,Ce 0.1wt%,Yb 0.1wt%,余量为Cu。
实施例4
本例提供了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料的制备工艺,流程如图1所示,步骤包括:
S1:按配比称取所述Cr、Ca、Sr、Ce、Yb和Cu,加入覆盖剂后熔炼,得到熔体;
S2:将步骤S1的熔体铸造成型,冷却后在保护气氛下进行均匀化退火处理,得到铸锭;
S3:将步骤S2的铸锭热轧后第一次水冷处理,得到板材;
S4:将步骤S3的板材在保护气氛下进行固溶处理后第二次水冷处理;
S5:将步骤S4处理后的板材在保护气氛下依次进行一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效和三次冷轧;
S6:将步骤S5处理后的板材在保护气氛下去应力退火,随炉冷却后即得所述高强高导耐热的铜铬系合金材料。
其中,覆盖剂包括木炭、焦性硼砂、冰晶石、萤石和工业纯碱中的至少一种。覆盖剂需足量。
步骤S1所述熔炼的温度为1250~1350℃。
步骤S2所述铸造成型的温度为1200~1300℃,所述均匀化退火处理的温度为900~950℃,均匀化退火处理的时间为2~12h。
步骤S3所述热轧的温度为850~900℃。热轧的变形量为60~90%。
步骤S4所述固溶处理的温度为900~1000℃,时间为15~60min。
步骤S5所述一次时效的温度为450~550℃,一次时效的时间为5~30min;所述二次时效的温度为400~500℃,二次时效的时间为5~60min。
步骤S5所述一次冷轧的变形量为50~90%,二次冷轧的变形量为50~80%,三次冷轧的变形量为20~50%。
实施例5
本例制备了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,具体为:
按照成分组成为Cr 0.35wt.%、Ca0.05wt.%、Sr 0.005wt.%、Ce 0.003wt.%、Yb0.06wt.%,余量为Cu进行配料,混合后放入感应炉中,加入足量的覆盖剂后,在大气氛围和1250℃的条件下进行熔炼,待金属完全熔化后进行机械搅拌并扒渣,得到成分均匀的熔体。
熔体在1200℃的条件下进行铸造,空冷后的铸锭在保护气氛围和900℃的条件下进行6h的均匀化退火,得到均匀化后的铸锭。
均匀化后的铸锭随炉冷却到880℃,随即在热轧机上进行热轧,变形量为60%,立即水冷,得到热轧后的板材,其组织形貌如图2所示。热轧后的板材接着在保护气氛围和960℃的条件下进行60min的固溶处理,立即水冷,得到固溶后的板材,其组织形貌如图3所示。
固溶后的板材在室温下进行一次冷轧,变形量为80%,其组织形貌如图4所示,由图可见冷轧变形细化了晶粒,增大了晶粒的长宽比。接着在保护气氛围和450℃的条件下进行240min的一次时效,其450℃等温时效性能硬度曲线如图5所示,等温时效性能导电率曲线如图6,空冷后,接着在室温下进行二次冷轧,变形量为80%,接着在保护气氛围和400℃的条件下进行60min的二次时效,空冷后,接着在室温下进行三次冷轧,变形量为40%,最后在保护气氛围和200℃的条件下进行2h的去应力退火,得到铜合金样件。
本例制备得到的铜合金样件导电率87.15%IACS,屈服强度455MPa,抗拉强度500MPa,延伸率9.3%。
实施例6
本例制备了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,具体为:
按照成分组成为Cr 0.51wt.%、Ca0.05wt.%、Sr 0.015wt.%、Ce 0.008wt.%、Yb0.11wt.%,余量为Cu进行配料,混合后放入感应炉中,加入足量的覆盖剂后,在大气氛围和1300℃的条件下进行熔炼,待金属完全熔化后进行机械搅拌并扒渣,得到成分均匀的熔体。
熔体在1280℃的条件下进行铸造,空冷后的铸锭在保护气氛围和950℃的条件下进行2h的均匀化退火,得到均匀化后的铸锭。
均匀化后的铸锭随炉冷却到900℃,随即在热轧机上进行热轧,变形量为80%,立即水冷,得到热轧后的板材。热轧后的板材接着在保护气氛围和1000℃的条件下进行15min的固溶处理,立即水冷,得到固溶后的板材。
固溶后的板材在室温下进行一次冷轧,变形量为60%,其组织形貌如图7所示,由图可见晶粒被破碎拉长,长宽比增加。接着在保护气氛围和550℃的条件下进行15min的一次时效,其550℃等温时效性能硬度曲线如图8所示,等温时效性能导电率曲线如图9所示,空冷后,接着在室温下进行二次冷轧,变形量为80%,接着在保护气氛围和450℃的条件下进行30min的二次时效,空冷后,接着在室温下进行三次冷轧,变形量为30%,最后在保护气氛围和200℃的条件下进行3h的去应力退火,得到铜合金样件。
本例制备得到的铜合金样件导电率83.69%IACS,屈服强度525MPa,抗拉强度595MPa,延伸率7.1%。
实施例7
本例制备了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,具体为:
按照成分组成为Cr 0.22wt.%、Ca0.05wt.%、Sr 0.003wt.%、Ce 0.1wt.%、Yb0.03wt.%,余量为Cu进行配料,混合后放入感应炉中,加入足量的覆盖剂后,在大气氛围和1300℃的条件下进行熔炼,待金属完全熔化后进行机械搅拌并扒渣,得到成分均匀的熔体。
熔体在1250℃的条件下进行铸造,空冷后的铸锭在保护气氛围和920℃的条件下进行4h的均匀化退火,得到均匀化后的铸锭。
均匀化后的铸锭随炉冷却到850℃,随即在热轧机上进行热轧,变形量为75%,立即水冷,得到热轧后的板材。热轧后的板材接着在保护气氛围和920℃的条件下进行60min的固溶处理,立即水冷,得到固溶后的板材。
固溶后的板材在室温下进行一次冷轧,变形量为80%,接着在保护气氛围和500℃的条件下进行30min的一次时效,其500℃等温时效性能硬度曲线如图10所示,等温时效性能导电率曲线如图11所示,空冷后,接着在室温下进行二次冷轧,变形量为60%,接着在保护气氛围和430℃的条件下进行40min的二次时效,空冷后,接着在室温下进行三次冷轧,变形量为40%,最后在保护气氛围和280℃的条件下进行1h的去应力退火,得到铜合金样件,其微观组织结构如图12~16所示,图12为本例中的终态析出相的透射电镜照片,图13为本例中的终态析出相的高倍透射电镜照片,图14为图13对应的选区电子衍射图谱,图15为本例中的终态析出相的高分辨透射电子显微像,图16为图15对应的快速傅里叶变换图。由图12~16可见基体中弥散分布着与基体存在一定位向关系的纳米级强化相。
本例制备得到的铜合金样件导电率96.55%IACS,屈服强度365MPa,抗拉强度455MPa,延伸率10.3%。
实施例8
本例制备了一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,具体为:
按照成分组成为Cr 0.8wt.%、Ca0.06wt.%、Sr 0.01wt.%、Ce 0.01wt.%、Yb0.04wt.%,余量为Cu进行配料,混合后放入感应炉中,加入足量的覆盖剂后,在大气氛围和1300℃的条件下进行熔炼,待金属完全熔化后进行机械搅拌并扒渣,得到成分均匀的熔体。
熔体在1300℃的条件下进行铸造,空冷后的铸锭在保护气氛围和930℃的条件下进行2h的均匀化退火,得到均匀化后的铸锭。
均匀化后的铸锭随炉冷却到880℃,随即在热轧机上进行热轧,变形量为90%,立即水冷,得到热轧后的板材。热轧后的板材接着在保护气氛围和980℃的条件下进行40min的固溶处理,立即水冷,得到固溶后的板材。
固溶后的板材在室温下进行一次冷轧,变形量为90%,接着在保护气氛围和550℃的条件下进行180min的一次时效,空冷后,接着在室温下进行二次冷轧,变形量为80%,接着在保护气氛围和450℃的条件下进行30min的二次时效,空冷后,接着在室温下进行三次冷轧,变形量为30%,最后在保护气氛围和520℃的条件下进行2h时效,得到铜合金样件。
本例制备得到的铜合金导电率81.12%IACS,屈服强度495MPa,抗拉强度565MPa,延伸率12.4%。
对比例1
本例与实施例8相比,缺少Sr和Yb,其余成分与指标流程与实施例8相同,具体为:
按照成分组成为Cr0.8wt%、Ca 0.05wt.%,Ce 0.01wt.%,余量为Cu进行配料,混合后放入感应炉中,加入足量的覆盖剂后,在大气氛围和1300℃的条件下进行熔炼,待金属完全熔化后进行机械搅拌并扒渣,得到成分均匀的熔体。
熔体在1300℃的条件下进行铸造,空冷后的铸锭在保护气氛围和930℃的条件下进行2h的均匀化退火,得到均匀化后的铸锭。
均匀化后的铸锭随炉冷却到880℃,随即在热轧机上进行热轧,变形量为90%,立即水冷,得到热轧后的板材。热轧后的板材接着在保护气氛围和980℃的条件下进行40min的固溶处理,立即水冷,得到固溶后的板材。
固溶后的板材在室温下进行一次冷轧,变形量为90%,接着在保护气氛围和550℃的条件下进行180min的一次时效,空冷后,接着在室温下进行二次冷轧,变形量为80%,接着在保护气氛围和450℃的条件下进行30min的二次时效,空冷后,接着在室温下进行三次冷轧,变形量为30%,最后在保护气氛围和520℃的条件下进行2h时效,得到铜合金样件。铜合金样件导电率81.23%IACS,屈服强度445MPa,抗拉强度535MPa,延伸率13.6%。
对比例2
本例与实施例5相比,缺少Ca和Ce,其余成分与指标流程与实施例5相同,具体为:
按照成分组成为Cr 0.35wt.%、Sr 0.005wt.%、Yb 0.06wt.%,余量为Cu进行配料,混合后放入感应炉中,加入足量的覆盖剂后,在大气氛围和1250℃的条件下进行熔炼,待金属完全熔化后进行机械搅拌并扒渣,得到成分均匀的熔体。
熔体在1200℃的条件下进行铸造,空冷后的铸锭在保护气氛围和900℃的条件下进行6h的均匀化退火,得到均匀化后的铸锭。
均匀化后的铸锭随炉冷却到880℃,随即在热轧机上进行热轧,变形量为60%,立即水冷,得到热轧后的板材。热轧后的板材接着在保护气氛围和960℃的条件下进行60min的固溶处理,立即水冷,得到固溶后的板材。
固溶后的板材在室温下进行一次冷轧,变形量为80%。接着在保护气氛围和450℃的条件下进行240min的一次时效,空冷后,接着在室温下进行二次冷轧,变形量为80%,接着在保护气氛围和400℃的条件下进行60min的二次时效,空冷后,接着在室温下进行三次冷轧,变形量为40%,最后在保护气氛围和200℃的条件下进行2h的去应力退火,得到铜合金样件。铜合金样件导电率85.92%IACS,屈服强度452MPa,抗拉强度494MPa,延伸率9.8%。
Claims (9)
1.一种高强高导耐热的铜铬系合金材料,其特征在于,包括以下质量百分比计的组分:
Cr 0.22 wt%,
Ca 0.05 wt%,
Sr 0.003 wt%,
Ce 0.1 wt%,
Yb 0.03 wt%,
余量为Cu;
所述高强高导耐热的铜铬系合金材料的导电率为96.55%IACS,屈服强度为365MPa,抗拉强度为455MPa,延伸率为10.3%。
2.根据权利要求1所述高强高导耐热的铜铬系合金材料的制备工艺,其特征在于,步骤包括:
S1:按配比称取所述Cr、Ca 、Sr、Ce、Yb和Cu,加入覆盖剂后熔炼,得到熔体;
S2:将步骤S1的熔体铸造成型,冷却后在保护气氛下进行均匀化退火处理,得到铸锭;
S3:将步骤S2的铸锭热轧后第一次水冷处理,得到板材;
S4:将步骤S3的板材在保护气氛下进行固溶处理后第二次水冷处理;
S5:将步骤S4处理后的板材在保护气氛下依次进行一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效和三次冷轧;
S6:将步骤S5处理后的板材在保护气氛下去应力退火,随炉冷却后即得所述高强高导耐热的铜铬系合金材料。
3.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,所述覆盖剂包括木炭、焦性硼砂、冰晶石、萤石和工业纯碱中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,步骤S1所述熔炼的温度为1250~1350℃。
5.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,步骤S2所述铸造成型的温度为1200~1300℃,所述均匀化退火处理的温度为900~950℃。
6.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,步骤S3所述热轧的温度为850~900℃。
7.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,步骤S4所述固溶处理的温度为900~1000℃。
8.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,步骤S5所述一次时效的温度为450~550℃,一次时效的时间为5~30 min;所述二次时效的温度为400~500℃,二次时效的时间为5~60 min。
9.根据权利要求2所述的制备工艺,其特征在于,步骤S5所述一次冷轧的变形量为50~90 %,二次冷轧的变形量为50~80 %,三次冷轧的变形量为20~50 %。
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