CN111850340A - 高导高硬的铬锆铜合金、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高导高硬的铬锆铜合金、制备方法及其应用，所述合金由以下重量百分比的成分组成：包含如下组分：铬0.5%～2.0％、锆0.05%～0.3％、镁0.05～0.2％，余量为含有X的金属铜；X为铈、钕、钆中的至少一种。其制备方法为：先将金属铜置入真空炉或充入保护气体的高温炉熔化得到高温铜熔融液，升温熔炼铜；再加入铬、锆分批投入至高温铜熔融液，熔清，最后加入金属镁，浇入炉中的模具内得到铸坯，锯切后水封拉伸、退火。此种合金具有高导电性高硬度的特点，调和了现有铜合金在强度和导电性方面的矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金材料领域，特别是涉及一种高导高硬的铬锆铜合金、制备方法及其应用。
背景技术
高导电率高硬度的铜合金被广泛应用于军工、航空航天、舰船制造、高铁、地铁、电动汽车、通讯设备等领域；但目前，我国仍然采用六十年代确立的真空熔炼方法生产，由于真空生产成本高、产量小、工艺复杂，使得我国生产厂家一直处于小批量生产状态，且生产效率低、工艺复杂、材料品种少、性能差、加工成本高、成品率低，很难建立连铸化工业生产规模，远远不能满足现代高强高导铬锆铜的合金材料的使用要求及日益增长的市场需求，据调查表明现阶段我国每年近50%的高导电铜合金需要依靠进口。
最近几年，以德国、美国、日本已经建立了经济化的规模化的锆锆铜系列合金产品生产技术和工艺流程，其主要采用向铜中加入第二相的颗粒来进行强化，依靠增加相本身强度来增加材料的强度。但铜合金的强度和导电率成反比，即铜合金强度增加的同时，导电率会下降。同时由于技术尚未成熟，依靠人工复合方法制备的复合材料都有可能存在界面强度不合理，界面稳定性差等问题。
因此如何在提高铜合金强度的同时，尽量减少导电率的下降是制造高强高导铜合金中亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高导高硬的铬锆铜合金、制备方法及其应用，本发明的合金突破了传统的硬度和导电性相悖的技术缺陷，生产出的合金具有硬度高、导电性能好特点。
为实现上述技术效果，本发明采用如下技术方案：
设计一种高导高硬的铬锆铜合金，包括如下重量百分比的成分：铬0.5%～2.0％、锆0.05%～0.3％、镁0.05～0.2％，余量为含有X的金属铜；X为铈、钕、钆中的至少一种。
优选的，由以下重量百分比的成分组成：包括如下重量百分比的成分：铬0.7%～1.5％、锆0.1%～0.25％、镁0.1～0.15％，余量为含有X的金属铜，所述X为在金属铜中的质量分数为0.03～0.05%。
优选的，所述金属铜为阴极铜。
上述的高导高硬的铬锆铜合金的制备方法，包括如下步骤：
1） 将金属铜置入真空或充入保护气体的高温炉，在1350～1390℃下熔融45～50min得到高温铜熔融液；
2） 将铬、锆分批投入至高温铜熔融液，在真空或充入保护气体的下维持铜液在1270℃～1320℃，直至铜中X完全融化；静置5～10min得到合金熔融液；
3） 在浇铸前1～5min加入金属镁混匀后浇入炉中的模具内，在真空或保护气体条件下冷却至400～600℃得到铸坯；
4） 将步骤3）所得铸坯锯切后加热至890℃～920℃，水封挤成圆棒，进一步将圆棒拉伸；
5） 将拉伸后的圆棒在460～480℃下保温0.5～1.5h后进行退火处理。
优选的，在步骤2）中，待真空度达到(3～8)×10-2Pa后，充入氦气或氩气至炉中0.01～0.02Mpa后升温。
优选的，在步骤4）中，经锯切后的铸坯在中频感应炉中进行加热。
优选的，所述水封的温度≤50℃。
上述的高导高硬的铬锆铜合金的应用，所述合金在电焊焊嘴、高压线路的维修应用。
本发明制备高导高硬的铬锆铜合金的原理：
主要是利用金属铜原子核带正电，核外电子在原子核的束缚下绕原子运转。金属铜内部电子可以脱离原子核束缚，成为自由电子，当电路中通了电流后，自由电子向同一个方向定向移动形成导电。
在我们研究过程中发现在铜合金中如果合金元素加入量很少，则强化效果不明显，这是因为缺少的固溶原子不能形成足够的Cottrell气团以钉扎位错，从而导致铜合金不具有足够的抗拉强度。而铜合金中如果合金元素加入量太多，则铜合金导电性能下降严重，难以满足性能需求；这是因为加入的合金元素使铜基体的晶格产生缺陷，从而导致铜合金导电性能严重地下降。本发明在真空熔炼条件下将铜熔融后加入稀土，同时铜中含有X为可以有效减少砷、铋、铅、铁等有害杂质，可以改变杂质的分布和形状，从而改善质量。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明金属铜中加入经优化配比的铬、锆合金元素，利用各个组分的协作原理，通过高温熔炼得到高温铜熔融液，分批加入铬、锆，熔清后加入金属镁，浇入炉中的模具内得到铸坯，锯切后水封拉伸、退火等工艺达到高强、高导电性能的铜合金材料，该种方法中金属在液态向固态转变过程中基体和增强体是其过程中生成的，因而不存在界面不稳定的问题。
2.本发明限定了含有X铜，其X可以有效减少砷、铋、铅、铁等有害杂质，在熔融过程中X可以改变其他元素的分布和形状，从而改善质量。
3.本发明利用多元微量的原则，使合金元素对导电性能的影响降至最低，使得铜合金导电率大于88%ISO，硬度(HRB)大于78，软化温度为550℃的；可以被广泛应用于电焊材料的技术领域，制出的合金由于硬度高、导电性能优，同时可有效提高合金的使用寿命，提高生产效率和节省材料等优点。
4.本发明合金耐热性能强、强度及软化温度高，满足高速电气化铁路对接触线的要求。在运输、供电安全、维修有独特的优势，此合金经性能表明，本发明的合金可适用于重载、繁忙干线、高速线路及大修换线工程中。
5.本发明优选了采用真空中频感应熔炼工艺，频感应熔炼优势，具有金属挥发少、氧化起渣少、功率密度大、加热升温速度快、占地面积小、炉衬使用寿命高、生产效率高等优点。自主研发真空熔炼工艺，突破了生产关键技术，改善铜锭微观组织，生产出高硬度优良导电率铜合金新材料。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。；所涉及的原料如无特别说明，均为市售常规工业原料；所涉及的加工制作方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1：
一种高导高硬的铬锆铜合金，包括如下重量百分比的组分：铬1.0％、锆0.13％、镁0.13％，余量为含有铈、钕、钆的阴极铜；铈、钕、钆在金属铜中的含量为0.03%。
上述的高导高硬的铬锆铜合金的制备方法包括如下步骤：
1） 将金属铜置入真空或充入保护气体的高温炉，在1350℃下熔融45min得到高温铜熔融液；
2） 将铬、锆分批投入至高温铜熔融液，在充入保护气体，并维持铜液在1270℃，直至铜中铈、钕、钆完全融化；静置5min得到合金熔融液；
3） 在浇铸前5min加入金属镁混匀后浇入炉中的模具内，在真空或保护气体条件下冷却至400℃得到铸坯；
4） 将步骤3）所得铸坯锯切后置入频感应炉加热至920℃，在温度为50℃下水封挤成圆棒，进一步将圆棒拉伸；
5） 将拉伸后的圆棒在460～480℃下保温0.5～1.5h后进行退火处理。
优选的，在步骤2）中，待真空度达到3×10-2Pa后，充入氦气或氩气至炉中0.01Mpa后升温。
性能指标：本发明的铜合金的导电率为91.2%ISO，硬度(HRB)为80.3，强度为570Mpa，软化温度为550℃。
上述的高导高硬的铬锆铜合金的应用可以应用在在电焊焊嘴、高压线路维修。
实施例2：与实施例1的不同之处在于：
一种高导高硬的铬锆铜合金，包括如下重量百分比的组分：铬1.0％、锆0.20％、镁0.1％，余量为含有铈、钕的阴极铜，其中铈、钕为在金属铜中的含量为0.05%。
性能指标：本发明的铜合金的导电率为91.2%ISO，硬度(HRB)为80.3，强度为570Mpa，软化温度为560℃。
实施例3：与实施例1的不同之处在于：
一种高导高硬的铬锆铜合金，包括如下重量百分比的组分：铬1.3％、锆0.13％、镁0.13％，余量为含有铈、钆的阴极铜，其中铈、钆为在金属铜中的质量分数为0.04%。
性能指标：本发明的铜合金的导电率为90.7%ISO，硬度(HRB)为80.3，强度为570Mpa，软化温度为550℃。
实施例4：与实施例1的不同之处在于：
一种高导高硬的铬锆铜合金，包括如下重量百分比的组分：铬1.3％、锆0.2％、镁0.1％，余量为含有铈、钕、钆的阴极铜，其中铈、钕、钆为在金属铜中的质量分数为0.04%。
性能指标：本发明的铜合金的导电率为90.7%ISO，硬度(HRB)为80.3，强度为570Mpa，软化温度为560℃。
上面实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (8)
1.一种高导高硬的铬锆铜合金，其特征在于，包括如下重量百分比的成分：铬0.5%～2.0％、锆0.05%～0.3％、镁0.05～0.2％，余量为含有X的金属铜；X为铈、钕、钆中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的高导电率高硬度的铬锆铜合金材料，其特征在于，包括如下重量百分比的成分：铬0.7%～1.5％、锆0.1%～0.25％、镁0.1～0.15％，余量为含有X的金属铜，所述X为在金属铜中的质量分数为0.03～0.05%。
3.根据权利要求1所述的高导电率高硬度的铬锆铜合金材料，其特征在于，所述金属铜为阴极铜。
4.如权利要求1所述的高导高硬的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将金属铜置入真空或充入保护气体的高温炉，在1350～1390℃温度下熔融45～50min得到高温铜熔融液；
将铬、锆分批投入至高温铜熔融液，在真空或充入保护气体的下维持铜液在1270℃～1320℃，直至铜中X完全融化；静置5～10min得到合金熔融液；
在浇铸前1～5min加入金属镁混匀后浇入炉中的模具内，在真空或保护气体条件下冷却至400～600℃得到铸坯；
将步骤3）所得铸坯锯切后加热至890℃～920℃，水封挤成圆棒，进一步将圆棒拉伸；
将拉伸后的圆棒在460～480℃下保温0.5～1.5h后退火。
5.根据权利要求4所述的高导高硬的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，在步骤2）中，待真空度达到(3～8)×10-2Pa后，充入氦气或氩气至炉中0.01～0.02Mpa后升温。
6.根据权利要求4所述的高导高硬的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，在步骤4）中，经锯切后的铸坯在中频感应炉中进行加热。
7.根据权利要求4所述的高导高硬的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于，所述水封的温度≤50℃。
8.一种如权利要求1所述的高导高硬的铬锆铜合金的应用，其特征在于，所述合金在电焊焊嘴、高压线路的维修应用。
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