CN112831686B

CN112831686B - 一种高强高导铜铬锆棒材的制备方法

Info

Publication number: CN112831686B
Application number: CN202110017514.8A
Authority: CN
Inventors: 刘喆; 傅杰; 张宝; 周冰清; 巢国辉
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-01-07
Also published as: CN112831686A

Abstract

本发明公开了一种高强高导铜铬锆棒材的制备方法，该铜铬锆合金含有0.6～1.0wt％Cr，0.035～0.10wt％Zr，余量为Cu和不可避免的杂质；其特征在于包括以下工艺流程：1)铸造：得到铜铬锆合金铸坯；2)热轧：将铜铬锆合金铸坯进行80～95％变形量的热加工，轧制温度为960～990℃，轧制速度为30～40m/min，经最后一道轧制后淬火、收卷。本发明利用了“析出强化+加工硬化+细晶强化”机制的叠加，实现了同时兼得高强度和高导电，硬度HRB≥85，导电率≥85％IACS，这对延长电阻焊、钎焊等耗材的使用寿命、降低能耗方面有积极作用。

Description

一种高强高导铜铬锆棒材的制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金技术领域，具体涉及一种高强高导铜铬锆棒材的制备方法。

背景技术

铜铬锆(C18150)棒材因其高强度、高导电和抗高温软化等性能，被广泛应用于制备电阻焊、钎焊的电极。由于焊接电极处于高温、高压的环境，随着时间的延长硬度逐渐降低，容易发生磨损，进而影响焊接质量。为了保证焊接质量，需要频繁更换电极，同时增加了生产成本。因此，提高铜铬锆棒材的硬度，使焊接电极在高温下依旧保持较高的硬度，对延长其使用寿命，降低企业生产成本有积极的作用。

铜铬锆合金属于析出强化型铜合金，其高硬度主要来源于时效处理后析出的纳米级Cr颗粒对位错移动的阻碍作用。铜铬锆棒材的传统生产工艺为“熔铸→铸锭加热→挤压→固溶→冷加工→时效→成品拉拔”，该工艺可以达到硬度HRB≥80，导电率≥80％IAC的性能。目前为进一步提高铜铬锆产品的硬度，采用的方法是添加一些微量元素。发明专利申请号为CN200710069551.3公布了《高强高导的低钙硼铬锆铜合金及其制造方法》，该专利通过添加微量的Ca、B、Fe元素实现了晶粒细化、强化晶界和基体作用，从专利实施例中的性能数据可以看出，硬度HRB为最高83时导电率为82.76％IACS，导电率为最高85.18％IACS时硬度HRB为80，无法实现“高强度、高导电”的统一。发明专利申请号为CN201610813189.5公布了《抗软化铜合金、制备方法及其应用》，该专利同样提到了添加微量的Fe来提高铜铬锆的强度，从专利实施例中的性能数据可以看出，硬度HRB为最高88时导电率为75.2％IACS，导电率为最高91.1％IACS时硬度HRB为75，同样无法实现“高强度、高导电”的统一。综上可以看出，虽然微量元素可以提高铜铬锆的硬度，但同时会降低其导电率，难以实现“高强度、高导电”的统一。

因此，需要针对当前铜铬锆棒材的制备工艺进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硬度HRB≥85，导电率≥85％IACS的高强高导铜铬锆棒材的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高强高导铜铬锆棒材的制备方法，该铜铬锆合金含有0.6～1.0wt％Cr，0.035～0.10wt％Zr，余量为Cu和不可避免的杂质；其特征在于包括以下工艺流程：

1)铸造：得到铜铬锆合金铸坯；

2)热轧：将铜铬锆合金铸坯进行80～95％变形量的热加工，轧制温度为960～990℃，轧制速度为30～40m/min，经最后一道轧制后淬火、收卷；

3)酸洗或扒皮：将热加工后的线坯进行酸洗或扒皮加工，去除表面氧化皮；

4)连续挤压：将酸洗或扒皮处理后的线坯进行连续挤压加工，挤压比为0.5～3，挤压速度为2～6m/min；

5)拉拔；

6)时效处理；

7)酸洗：将时效处理后的线坯进行酸洗处理，去除表面氧化皮，酸洗时间为10～20min；

8)成品拉拔。

作为优选，所述流程2)热轧后铜铬锆线坯的导电率为42～47％IACS、硬度HV5为60～90、晶粒度为0.010～0.015mm。本申请通过导电率、硬度来间接评价Cr在铜合金的固溶程度，Cr在铜合金中的固溶度越高其导电率、硬度越低。通过轧制温度和轧制速度的调控，使热轧淬火后线坯仍处于过饱和固溶态、硬度维持在较低的水平，在后道连续挤压加工时，可以减少坯料对挤压工装的磨损，同时加工至成品时才能保证硬度HRB≥85，导电率≥85％IACS；热轧后晶粒度控制在0.010～0.015mm才能保证成品晶粒度≤0.003mm。

作为优选，所述流程4)连续挤压后铜铬锆线坯的导电率为44～50％IACS、硬度HV5为100～130、晶粒度≤0.005mm，且位错密度为0.5～0.7×10¹⁴m^-2。通过挤压比和挤压速度的调控，使材料内部产生大量塑性变形，控制位错密度0.5～0.7×10¹⁴m^-2，此时高密度的位错可以为后道时效过程中Cr颗粒的析出提供形核位置，促进Cr颗粒的析出；同时控制连续挤压过程中产生的热量，来限制铜铬锆线坯在连续挤压过程中Cr的析出，因此将导电率控制在44～50％IACS，HV5控制在100～130，降低后道拉拔加工时晶粒破碎的难度，进一步细化晶粒提升强度。

作为优选，所述流程5)中拉拔的变形量为30～70％。通过30～70％变形量的拉拔加工，可以将位错密度累计至0.3～0.5×10¹⁵m^-2，为后道时效Cr颗粒的析出进一步提供形核位置，进而使成品达到“双85”的性能。

作为优选，所述流程6)中时效温度控制在400～480℃，保温时间1～5h，时效后硬度HRB为83～85，导电率为88～90％IACS。低于400℃时效，线坯处于欠时效状态，成品硬度、导电率达不到“双85”；高于480℃时效，线坯处于过时效状态，成品导电率可以达到85％IACS以上，但硬度HRB达不到85。

作为优选，所述流程8)拉拔的变形量为5～18％。线坯时效后硬度HRB为83～85，通过5～18％变形量的加工，可以确保成品硬度HRB在85以上。

作为优选，制备得到的铜铬锆棒材的晶粒度≤0.003mm，硬度HRB≥85，导电率≥85％IACS。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)传统添加微量元素来提高铜铬锆强度的方法，难以实现高强度和高导电的统一，本发明摒弃了传统热挤压制备铜铬锆棒材的工艺，采用“热轧+连续挤压+拉拔+时效+成品拉拔”的工艺，控制热轧工艺，热轧对粗大的铸态组织起到破碎、再结晶的作用，首先得到晶粒细小的线坯，随后经连续挤压加工可以进一步的细化晶粒，同时大塑性变形的连续挤压加工在材料内部产生大量位错，远高于普通的冷加工方式，之后再经拉拔加工，晶粒进一步细化，位错密度进一步增加。高密度位错为Cr颗粒的析出提供了形核位置，时效后的Cr颗粒细小且分布均匀，析出强化作用优于传统工艺，同时晶粒细小，细晶强化作用同样优于传统工艺。

2)Cr颗粒以小于4nm的尺寸充分析出，同时大塑性变形也细化了基体晶粒尺寸，实现了成品晶粒度≤0.003mm，这是传统工艺难以实现的。本发明利用了“析出强化+加工硬化+细晶强化”机制的叠加，实现了同时兼得高强度和高导电，硬度HRB≥85，导电率≥85％IACS，这对延长电阻焊、钎焊等耗材的使用寿命、降低能耗方面有积极作用。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

铜铬锆的成分为：Cr：0.65wt％，Zr：0.045wt％，其余为Cu和不可避免的杂质，其中杂质含量不大于0.1％；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：熔炼温度控制在1280℃，冷却水压0.3MPa，水平连铸方法制得铜铬锆合金铸坯直径为80mm，铸造速度25mm/min，铸坯长度为6m；

2)热轧：将直径80mm的铸坯加热至990℃，保温30分钟，然后连续轧至直径20mm淬火、收卷，总变形量93.75％，轧制速度为30m/min；

3)酸洗：将热轧后的线坯放入酸洗池酸洗15min，去除表面氧化皮；

4)连续挤压：将酸洗后的线坯进行连续挤压，挤压速度设为3m/min，挤压成直径为20mm的线坯；挤压比为1；

5)拉拔：将连续挤压后的线坯进行4道冷拉拔加工至16mm，总变形量36％，每道加工量10～15％；

6)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在450℃，保温时间2h，保温时间结束后空冷至室温；

7)酸洗：将时效处理后的线坯进行10min酸洗处理，去除表面氧化皮；

8)成品拉拔：将酸洗后的线坯经1道拉拔加工至15mm，变形量为12.11％。

实施例2

铜铬锆的成分为：Cr：0.55wt％，Zr：0.075wt％，其余为Cu和不可避免的杂质，其中杂质含量不大于0.1％；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：熔炼温度控制在1300℃，冷却水压0.3MPa，水平连铸方法制得铜铬锆合金铸坯直径为50mm，铸造速度30mm/min，铸坯长度为7m；

2)热轧：将直径50mm的铸坯加热至970℃，保温20分钟，然后连续轧至直径15mm淬火、收卷，总变形量91％，轧制速度为40m/min；

4)连续挤压：将酸洗后的线坯进行连续挤压，挤压速度设为5m/min，挤压成直径为20mm的线坯；挤压比为0.5625；

5)拉拔：将连续挤压后的线坯进行6道冷拉拔加工至14mm，总变形量51％，每道加工量10～15％；

6)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在400℃，保温时间5h，保温时间结束后空冷至室温；

8)成品拉拔：将酸洗后的线坯经1道拉拔加工至13mm，变形量为13.78％。

实施例3

铜铬锆的成分为：Cr：0.95wt％，Zr：0.075wt％，其余为Cu和不可避免的杂质，其中杂质含量不大于0.1％；铜铬锆棒材的工艺流程：

1)铸造：熔炼温度控制在1350℃，冷却水压0.3MPa，水平连铸方法制得铜铬锆合金铸坯直径为60mm，铸造速度20mm/min，铸坯长度为6m；

2)热轧：将直径60mm的铸坯加热至960℃，保温60分钟，然后连续轧至直径25mm淬火、收卷，总变形量82.64％，轧制速度为35m/min；

4)连续挤压：将酸洗后的线坯进行连续挤压，挤压速度设为2.5m/min，挤压成直径为15mm的线坯；挤压比为2.78；

5)拉拔：将连续挤压后的线坯进行4道冷拉拔加工至10.3mm，总变形量52.85％，每道加工量10～15％；

6)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在480℃，保温时间1h，保温时间结束后空冷至室温；

8)成品拉拔：将酸洗后的线坯经1道拉拔加工至10mm，变形量为5.74％。

对比例1

1)铸造：熔炼温度控制在1250～1350℃，冷却水压0.3MPa，水平连铸方法制得铜铬锆合金铸坯直径为80mm，铸造速度25mm/min，铸坯长度为6m；

2)热轧：将直径80mm的铸坯加热至950℃，保温30分钟，然后连续轧至直径20mm淬火、收卷，总变形量93.75％，轧制速度为30m/min；

4)拉拔：将酸洗后的线坯进行4道冷拉拔加工至16mm，总变形量36％，每道加工量10～15％；

5)时效处理：将拉拔后的线坯进行时效处理，温度控制在450℃，保温时间2h，保温时间结束后空冷至室温；

6)酸洗：将时效处理后的线坯进行10min酸洗处理，去除表面氧化皮；

7)成品拉拔：将酸洗后的线坯经1道拉拔加工至15mm，变形量为12.11％。

表1里列出了实施例1～3和对比例1产品的各项性能指标。从表中可以看出，本发明工艺制备的产品晶粒度为0.002～0.003mm，其中实施例1产品的金相照片如图1所示。硬度HRB为85～88，导电率为85～88％IACS，实现了细晶、高强度和高导电率的结合。对比例1相比实施例1省略了“连续挤压”工序，导致产品晶粒度较大，为0.015mm，硬度和导电率也较低，未能达到“双85”。

表1本发明实施例热轧和连续挤压加工后的性能

表2本发明实施例和对比例的性能对比

Claims

1.一种高强高导铜铬锆棒材的制备方法，该铜铬锆合金含有0.6～1.0wt%Cr，0.035～0.10wt%Zr，余量为Cu和不可避免的杂质；其特征在于包括以下工艺流程：

1）铸造：得到铜铬锆合金铸坯；

2）热轧：将铜铬锆合金铸坯进行80～95%总变形量的连续轧制，轧制温度为960~990℃，轧制速度为30~40m/min，经最后一道轧制后淬火、收卷；热轧后铜铬锆线坯的导电率为42～47%IACS、硬度HV5为60～90、晶粒度为0.010~0.015mm；

3）酸洗或扒皮：将热轧后的线坯进行酸洗或扒皮加工，去除表面氧化皮；

4）连续挤压：将酸洗或扒皮处理后的线坯进行连续挤压加工，挤压比为0.5～3，挤压速度为2～6m/min；连续挤压后铜铬锆线坯的导电率为44~50%IACS、硬度HV5为100~130、晶粒度≤0.005mm，且位错密度为0.5×10¹⁴~0.7×10¹⁴m^-2；

5）拉拔；

6）时效处理；

7）酸洗：将时效处理后的线坯进行酸洗处理，去除表面氧化皮，酸洗时间为10~20min；

8）成品拉拔。

2.根据权利要求1所述的高强高导铜铬锆棒材的制备方法，其特征在于：所述流程5）中拉拔的变形量为30～70%。

3.根据权利要求1所述的高强高导铜铬锆棒材的制备方法，其特征在于：所述流程6）中时效温度控制在400～480℃，保温时间1～5h。

4.根据权利要求1所述的高强高导铜铬锆棒材的制备方法，其特征在于：所述流程8）拉拔的变形量为5~18%。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的高强高导铜铬锆棒材的制备方法，其特征在于：制备得到的铜铬锆棒材的晶粒度≤0.003mm，硬度HRB≥85，导电率≥85%IACS。