CN112593114A - 一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法 - Google Patents

一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种高性能Cu‑Cr‑Zr‑Mg‑Si合金板带制备方法，属于有色金属薄带材的成型加工领域；所述方法包括步骤：按照一定质量比配制含有Cu、Cr、Zr、Mg、Si的原料、熔炼获得熔体、经热轧制成锻坯试样、多向锻造、再结晶退火、快速变形、退火处理；本发明在细化晶粒基础上，引入大量的纳米级孪晶层错组织、层错组织和大量弥散析出相强化组织性能，最终获得高强度、高导电性、高延伸率的高性能铜合金带材产品。

Description

一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法
技术领域
本发明属于有色金属薄带材的成型加工领域，涉及一种高性能铜合金板带加工方法，具体为一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法。
背景技术
铜合金具有较高的力学性能和优良的导电导热性能，是一类非常重要的结构功能一体化特种合金材料，在当今社会，发挥着不可替代的作用。截止目前，高性能铜合金己经被广泛应用于微电子、轨道交通、电力传输、航空航天等多个领域。近年来，随着高科技产业的迅速发展，特别是微电子、轨道交通等领域的快速发展，对铜合金的性能提出了越来越高的要求，需要铜合金在具备高导电性的同时兼备高强度和高硬度。
目前，高性能铜合金体系主要有CuCrZr系，CuNiSi系、CuFeP系等，其中CuCrZr铜合金导电率最高可达80% IACS以上，是一种最具潜力的铜合金材料。然而该类合金抗拉强度一般难以超过450Mpa，这大大限制CuCrZr系铜合金的使用范围，因此，开发新型CuCrZr系高性能铜合金将是未来主要的发展方向。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，以提高CuCrZr系铜合金的性能。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，包括以下步骤：
1）按照质量比Cu:Cr:Zr:Mg:Si=98-99:0.5-1.2:0.05-0.1:0.02-0.06:0.005-0.015配比合金成分进行合金配料。
2）将配比好的合金进行熔炼得到Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体；对Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体进行铸造并经热轧制成锻坯试样。
3）对所述的锻坯试样进行多向锻造，即按照Z轴-Y轴-X轴的顺序进行多道次多向模锻。
4）将多向锻造后的试样进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为600-700℃，时间为20-40min，再结晶退火后平均晶粒尺寸为2-5μm。
5）将经过再结晶退火的试样进行快速变形，变形速率为103/s，变形量为85-95%。
6）将经过快速变形的试样进行退火处理，得到Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带。
优选的，步骤3中，每一道次的工程应变ε=1.2。
优选的，步骤4中是将多向锻造后的试样置于真空退火炉内进行再结晶退火处理，真空退火炉的真空度为10-1Pa。
优选的，步骤4中，再结晶退火温度为650℃，时间为30min。
优选的，步骤5中采用霍普金森杆对试样进行快速变形。
更优的，变形量为90%。
优选的，步骤2中，将配比好的合金进行真空感应熔炼，真空度为10-2Pa。
更进一步，所述的真空感应熔炼具体步骤为：先加入电解Cu，快速熔化，将熔炼温度提升至1480℃，然后依次加入CuMg中间合金、CuCr 中间合金、CuZr中间合金，充分熔炼搅拌，获得Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体。
优选的，步骤2中，对Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体进行半连续铸造，获得铸锭。
更优的，步骤2中所述的热轧具体步骤为：对所述铸锭进行均匀化退火，将均匀化处理的坯料进行轧制，出轧温度为920℃-940℃，终轧温度为820-860℃，经过多道次可逆轧制，获得热轧板坯，在完成最后一道次轧制后，对热轧板坯喷水冷却，冷却速度为10℃/s。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
本发明通过合金成分设计优化，以及多向锻造+再结晶退火和快速变形+退火等一些系列的措施获得一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带；具体为：
1、通过加入微量的Mg、Si元素，形成更加细小的析出强化相，通过析出强化作用提升合金性能，既强化了组织也提高材料的导电性。
2、通过多向锻造+再结晶退火获得平均晶粒尺寸在10μm以下的细化晶粒，产生细晶强化作用。
3、在细化晶粒基础上，通过快速变形+退火热处理处理引入大量的纳米级孪晶层错组织、层错组织和大量弥散析出相强化组织性能。通过上述的一系列措施，最终获得高强度、高导电性、高延伸率的高性能铜合金带材产品。
附图说明
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合以下附图进行说明：
图1为本实施例所述的锻造长方体工件示意图；
图2为本实施例所述锻造机砧头及多向模锻示意图；
图3为本实施例所述多向模锻使用模具图；
图4为本实施例所述多向模锻及退火处理后试样金相图；
图5为本实施例所述快速变形霍普金森杆设备图；
图6为本实施例所述快速变形+退火后试样金相图片；
图7为本实施例所述快速变形+退火后试样透射图片；
图中 1 为锻造机砧头，2 锻造试样，3为上楔子，4为下楔子，5为冲击气缸，6为炮管，7为撞击杆，8为入射杆，9为透射杆，10为能量吸收器，11为铝合金支架。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明 的技术方案，但保护范围不被此限制。
一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，具体为以下步骤：
1）配料：按照质量比Cu：Cr：Zr：Mg：Si= 98.87：1.0：0.08：0.04：0.01配比合金成分。
2）真空感应熔炼：对合金进行真空感应熔炼，真空度为10-2Pa，先加入电解 Cu，快速熔化，将熔炼温度提升至1480℃，然后通过加料仓依次加入CuMg中间合金、CuCr 中间合金、CuZr中间合金，充分熔炼搅拌，获得Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体。
3）半连续铸造：对Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体进行半连续铸造，在1250℃温度条件下，将Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体浇注到带有石墨内套的水冷铜合金结晶器中，水冷结晶器冷却水流量为1800L/min，拉坯速度为5m/h，经过半连续铸造，获得厚度为240mm，宽度为400mm的矩形铸坯。
4）均匀化退火+热轧在线固溶处理：将上述矩形铸锭放入钟罩式加热炉内加热，进行均匀化退火，加热温度为940℃，保温4-6h，然后将均匀化处理的坯料放入双辊可逆热轧机进行大压下率的轧制，出轧温度为920℃-940℃，终轧温度为820-860℃，经过6道次可逆轧制，最终获得厚度为70mm的热轧板坯，在完成最后一道次轧制后，打开安装于热轧轨道上下部位的水冷喷嘴，对热轧板坯喷水冷却，冷却速度为10℃/s。
5）铣面：通过方式铣削除去表面氧化皮；
6）多向锻造：将热轧后的板坯截取成20mm×15mm×10 mm的锻坯试样，如图1所示的形状，将试样放在如图3所示的模具中，用300 t 油压机上沿试样的三个垂直方向多向模锻，如图2和表1所示，为一个道次z、y、x三个方向的锻造过程以及形变示意图，按 Z轴-Y轴-X轴的顺序依次重复进行，每次压下工程应变ε=0.4，变形速率为10/s，其中Z轴-Y轴-X轴每个循环称1道次，每一道次的工程应变ε=1.2，共进行8道次的循环变形，共累计应变ε=9.6，最终获得22mm×12mm×10mm的锻件。
7）再结晶退火：将多向锻造后的试样置于真空退火炉内进行再结晶退火处理，真空退火炉的真空度为10-1Pa，再结晶退火温度为650℃，时间为30min。图4所示，实施例1多向模锻及退火处理后试样金相图，经过统计发现晶粒尺寸在2-5μm。
8）快速冷变形：将上述经过再结晶退火细化晶粒的基础上，通过霍普金森杆快速变形设备快速变形（如图5所示为霍普金森快速变形装置示意图），变形速率为103/s，试样厚变由10mm变为1mm，变形量为90%。
9）退火处理：将上述快速变形试样，在真空热处理炉中退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间为1h。图6为霍普金森快速变形+退火后的金相图，图7为快速变形+退火后试样透射图片，通过该处理后可获得孪晶及层错组织占比70%，并且析出相在孪晶界与位错线附近弥散析出。表格表示每一道次中，不同方向下，试样x y z三个方向上的长度变化。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
经过上述处理最终可以获得厚度为1mm高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带，将所得铜合金通过维氏硬度计测量硬度值，电导仪测量电导率，微机控制电子万能试验机测试抗拉强度、屈服强度及延伸率。其力学性能为：217.4HV；导电率82.09%；抗拉强度665Mpa；屈服强度510Mpa；延伸率20%。微观组织为：平均晶粒尺寸为2-3μm细小晶粒，孪晶及层错组织占比70%，孪晶宽度25-40nm，并且析出相在孪晶界与位错线附近弥散析出。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明 所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明 所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按照质量比Cu:Cr:Zr:Mg:Si=98-99:0.5-1.2:0.05-0.1:0.02-0.06:0.005-0.015配比合金成分进行合金配料；
2）将配比好的合金进行熔炼得到Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体；对Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体进行铸造并经热轧制成锻坯试样；
3）对所述的锻坯试样进行多向锻造，即按照Z轴-Y轴-X轴的顺序进行多道次多向模锻；
4）将多向锻造后的试样进行再结晶退火处理，再结晶退火温度为600-700℃，时间为20-40min，再结晶退火后平均晶粒尺寸为2-5μm；
5）将经过再结晶退火的试样进行快速变形，变形速率为103/s，变形量为85-95%；
6）将经过快速变形的试样进行退火处理，得到Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带。
2.根据权利要求1所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，步骤3）中，每一道次的工程应变ε=1.2。
3.根据权利要求1所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，步骤4）中是将多向锻造后的试样置于真空退火炉内进行再结晶退火处理，真空退火炉的真空度为10-1Pa。
4.根据权利要求3所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，步骤4）中，再结晶退火温度为650℃，时间为30min。
5.根据权利要求1所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，步骤5）中采用霍普金森杆对试样进行快速变形。
6.根据权利要求5所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，变形量为90%。
7.根据权利要求1所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，步骤2）中，将配比好的合金进行真空感应熔炼，真空度为10-2Pa。
8.根据权利要求7所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，所述的真空感应熔炼具体步骤为：先加入电解Cu，快速熔化，将熔炼温度提升至1480℃，然后依次加入CuMg中间合金、CuCr 中间合金、CuZr中间合金，充分熔炼搅拌，获得Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体。
9.根据权利要求1所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，步骤2）中，对Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金熔体进行半连续铸造，获得铸锭。
10.根据权利要求9所述的一种高性能Cu-Cr-Zr-Mg-Si合金板带制备方法，其特征在于，步骤2）中所述的热轧具体步骤为：对所述铸锭进行均匀化退火，将均匀化处理的坯料进行轧制，出轧温度为920℃-940℃，终轧温度为820-860℃，经过多道次可逆轧制，获得热轧板坯，在完成最后一道次轧制后，对热轧板坯喷水冷却，冷却速度为10℃/s。
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