CN111961907A - 一种高强韧高导电铜合金丝材的加工方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种高强韧高导电铜合金丝材的加工方法，属于电子材料技术领域。本发明以铜粉、碳粉和钛粉为主要原料，通过直接熔铸法获得含~1wt%TiC的铜合金杆坯，利用连续等通道转角挤压获得TiC颗粒弥散分布的铜合金棒材，然后对挤压后棒材进行室温拉拔加工，最终退火后获得抗拉强度≧586MPa、延伸率≧20%、导电率≧70%IACS的铜合金丝材。由于铜粉熔融过程中碳粉和钛粉直接反应，反应相起到异质形核作用，使铜基体组织细化；连续等通道转角挤压可显著细化铜合金晶粒并获得弥散分布的第二相，明显改善铜合金冷拉拔成形能力；室温拉拔后的最终退火消除了晶体缺陷，从而获得了高强韧高导电铜丝材。

Description

一种高强韧高导电铜合金丝材的加工方法
技术领域
本发明涉及一种高强韧高导电铜合金丝材的加工方法，属于电子材料技术领域。
背景技术
高强高导铜合金及其制品是一类具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，被广泛应用于集成电路引线框架、电气工程开关触桥、电气化铁路接触导线、连铸机结晶器内衬、电阻焊电极、高脉冲磁场导体等领域。目前，主要采用冶金强化方法获得的高强度铜合金有Cu-Ag、Cu-Mg、Cu-Zr、Cu-Cr、Cu-Cd、Cu-Ni、Cu-Fe、Cu-Nb 等合金及其复合材料。对于铜合金材料，加入大量的合金元素会恶化其导电性能，而少量的合金元素强化效果不明显。因此，探索铜合金复合高强高导技术，简化生产工艺，降低生产成本，相关基础研究和应用开发工作受到了各国研究者的广泛重视。
导电理论指出，第二相对电子的散射作用比固溶原子引起的点阵畸变对电子的散射作用弱得多，因此引入适量的弥散第二相可起到强化作用且不会明显降低铜基体的导电性，有望获得高强度和高导电性的结合。同时，晶粒细化是公认的实现金属材料强韧化的有效方法。因此，从铜合金材料的组成相控制和组织超细化入手，结合加工工艺及其理论创新有望改善其微观组织结构，从而实现高强韧性和高导电性的结合。
目前，新发展起来的、具有广泛实用前景的合金组织超细化工艺有等通道转角挤压（即ECAP）工艺。但是，由于铜合金加工过程中，晶粒会发生明显的动态回复再结晶的行为，所以晶粒的细化效果有限。常规的冷拔加工（CW）虽然能明显地提高铜合金的抗拉强度，但是在冷拔的过程中会产生大量的位错和晶体缺陷，因此降低了合金的导电性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧高导电铜合金丝材的组合加工方法。本发明以铜粉、碳粉和钛粉为主要原料，通过直接熔铸法获得含适量第二相（~1wt%TiC）的铜合金杆坯，利用连续等通道转角挤压获得TiC颗粒弥散分布的铜合金棒材，然后对挤压后棒材进行室温拉拔加工，最终退火后获得抗拉强度≧586MPa、延伸率≧12%、导电率≧70%IACS的铜合金丝材。由于铜粉熔融过程中碳粉和钛粉直接反应，在熔体中合成了细小的第二相，在凝固过程中反应相起到异质形核作用，使铜基体组织细化；连续等通道转角挤压可显著细化铜合金晶粒并获得弥散分布的第二相，细小的弥散第二相可抑制铜晶粒的动态再结晶，明显改善铜合金冷拉拔成形能力；室温拉拔后的最终退火可消除形变组织中产生大量的晶体缺陷，同时获得高的强韧性和导电性，从而获得了高强韧高导电铜丝材。以此制备的铜合金丝材，有效避免了析出强化铜合金所需的固溶、时效等热处理手段。
本发明的特征在于将直接熔铸、等通道转角挤压和冷拉丝工艺进行组合，在此基础上将弥散强化和细晶强化相结合实现铜合金丝材强韧性的提高，同时利用弥散第二相取代固溶强化以保持其良好的导电性。具体技术方案如下：
1．一种高强韧高导电铜合金丝材的加工方法，包括如下步骤：
1)、将铜粉、钛粉和碳粉按比例称取、混匀，直接熔铸法获得含~1wt%TiC的铜合金杆坯，熔体反应温度为1300℃，反应时间为20min。
2)、对步骤1)得到的铜合金杆坯进行连续等通道转角挤压加工，模具内转角为90°，加工道次为4次，获得平均晶粒度~500nm的Cu-1wt%TiC合金棒材。
3)、对步骤2)得到的细晶Cu-1wt%TiC合金棒材进行室温多道次拉拔，单道次变形量为60%, 获得规定尺寸的铜合金丝材。
2、根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于，所述的第1步中，铜粉、钛粉和碳粉的重量配比为95:4:1：混合粉末粒度为325目以下、纯度＞99.9%。
3、根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于：所述的第2步中，挤压模具型腔呈T型，挤压路径为C路径。
4、根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于：所述的第3步中，多道次拉拔后，在200℃下进行2h去应力退火。
5、根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于：所述的铜合金丝材平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉强度≧586MPa、延伸率≧12%、导电率≧70%IACS的铜合金丝材。
本发明的显著优点是：
（1）利用直接熔铸法获得了含适量第二相的铜合金杆坯，与其它时效强化型铜合金相比，具有加工工艺简单、无需时效热处理等优点。并且，由于铜粉熔融过程中碳粉和钛粉直接反应，在熔体中合成的细小第二相，在凝固过程中还能起到异质形核作用，使铜基体组织细化，有利于减少铸态铸造缺陷、改善塑性成形能力；
（2）利用直接熔铸后铜合金杆坯的余热，进行连续的多道次等通道转角挤压加工，可在保证加工顺利进行的同时抑制动态再结晶的程度，有利于提高组织细化程度；采用C路径，由于相邻道次的剪切方向相反，有利于使第二相分布更为弥散。故而在多道次等通道转角挤压加工后可在超细晶铜基体上获得弥散分布的第二相，明显改善其冷变形成型能力。
（3）可对挤压后棒材进行室温多道次拉拔加工而无需中间退火处理，单道次变形量为60%, 加工效率高。获得规定尺寸的铜合金丝材后，经一道最终退火，便可获得平均晶粒度~500nm、抗拉强度≧586MPa、延伸率≧12%、导电率≧70%IACS的铜合金丝材。所获得的铜合金丝材兼具高强韧性和高导电性，工业应用前景广阔。
附图说明
图1 铸态Cu-1wt%TiC合金的室温显微组织；
图2 Cu-1wt%TiC合金经连续ECAP加工4道次后的室温金相组织；
图3挤压态Cu-1wt%TiC合金经冷拉拔后的室温金相组织；
图4 Cu-1wt%TiC合金丝材经最终退火后的室温金相组织；
图5 Cu-TiC合金经ECAP+CW+退火加工后的应力-应变变化曲线；
图6 Cu-TiC合金经ECAP+CW+退火加工后的导电率变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步说明。本发明所述的直接熔铸和多道次连续等通道转角挤压、冷拉拔加工组合技术，以提高铜合金的抗拉强度和塑性，并使之具有良好的导电性，该方法不只局限于该具体实例。
实施例1：
选择粒度为325目、纯度＞99.9%的电解铜粉、钛粉和碳粉为原料，按铜粉、钛粉和碳粉的重量配比为95:4:1配制成混合粉末，采用直接熔铸法获得含~1wt%TiC的铜合金杆坯，熔体反应温度为1300℃，反应时间为20min。铜基体中分布的TiC颗粒平均晶粒尺寸为1~2μm（见图1）。对铜合金杆坯进行连续等通道转角挤压加工，挤压模具型腔呈T型，模具内转角为90°，挤压路径为C路径，加工道次为4次，获得第二相弥散分布的Cu-1wt%TiC合金棒材（见图2）。对细晶Cu-1wt%TiC合金棒材进行室温多道次拉拔，单道次变形量为60%, 获得规定尺寸的铜合金丝材，丝材组织进一步细化（见图3）。最后，对室温拉拔后丝材进行在200℃下进行2h去应力退火，以消除形变组织中产生大量的晶体缺陷（见图4）。超细晶铜合金基体上弥散的第二相起到了强化作用，使合金保持了较好的导电性能。具体为：抗拉强度586MPa ，延伸率12%（见图5），导电率达到了72.5%IACS（见图6）。
对照例1：
本对照例用于说明等通道转角挤压道次的影响（挤压道次由1道次变为4道次），其余操作同实施例1。最终得到的铜合金性抗拉强度516 MPa，延伸率达到了14.1%（见图5），导电率达到了73.5%IACS（见图6）。
对照例2：
本对照例用于说明退火温度的影响（退火温度由200℃变为300℃），其余操作同实施例1。最终得到的铜合金性抗拉强度降至382MPa，延伸率达到了22.4%，导电率达到了83.5%IACS。

Claims (5)

1.一种高强韧高导电铜合金丝材的加工方法，包括如下步骤：
1)、将铜粉、钛粉和碳粉按比例称取、混匀，直接熔铸法获得含~1wt%TiC的铜合金杆坯，熔体反应温度为1300℃，反应时间为20min；
2)、对步骤1)得到的铜合金杆坯进行连续等通道转角挤压加工，模具内转角为90°，加工道次为4次，获得平均晶粒度~500nm的Cu-1wt%TiC合金棒材；
3)、对步骤2)得到的细晶Cu-1wt%TiC合金棒材进行室温多道次拉拔，单道次变形量为60%, 获得规定尺寸的铜合金丝材。
2.根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于，所述的第1步中，铜粉、钛粉和碳粉的重量配比为95:4:1：混合粉末粒度为325目以下、纯度＞99.9%。
3.根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于：所述的第2步中，挤压模具型腔呈T型，挤压路径为C路径。
4.根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于：所述的第3步中，多道次拉拔后，在200℃下进行2h最终退火。
5.根据权利要求1所述的高强韧高导电铜合金的加工方法，其特征在于：所述的铜合金丝材平均晶粒尺寸小于500nm、抗拉强度≧586MPa、延伸率≧12%、导电率≧70%IACS的铜合金丝材。
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