CN113369473A - 一种高强度高导电铜合金粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强度高导电铜合金粉末及其制备方法，其中，所述高强度高导电铜合金粉末包括以下质量份数的各组分：Cr，0.2～0.3份；Zr，0.1～0.2份；Mg，0.05～0.1份；Cu，99.4～99.7份。本发明通过添加Mg解决了Cu‑Cr‑Zr合金晶粒粗大的问题，从而获得了高强度高导电率的Cu‑Cr‑Zr合金材料，可以应用在粉末冶金中，制备精密的零件。

Description

一种高强度高导电铜合金粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强度高导电铜合金粉末及其制备方法。
背景技术
Cu-Cr-Zr合金具有较好的耐磨、耐腐蚀性能及抗高温低周疲劳性能，广泛应用于电气、电子、交通运输和机械制造等领域。
目前，Cu-Cr-Zr系铜合金主要采用铸造成形方法制得。但是，采用熔炼铸造技术制备Cu-Cr-Zr合金，熔体冷却速度慢，导致显微组织粗大及成分偏析，并形成粗大的硬质第二相颗粒，难以通过后续处理消除，严重降低合金性能。通过高温度固溶(920-980℃)或长时间的固溶、时效处理，对粗大的第二相有一定的改善作用，但作用有限，且容易造成合金基体的晶粒长大，难以获得高强度高导电率的Cu-Cr-Zr合金材料。
发明内容
本发明提供了一种高强度高导电铜合金粉末及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度高导电铜合金粉末，包括以下质量份数的各组分：Cr，0.2～0.3份；Zr，0.1～0.2份；Mg，0.05～0.1份；Cu，99.4～99.7份。
又一方面，本发明还提供了一种高强度高导电铜合金粉末的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，将各组分原料混合后，在真空环境下，使用非自耗电极电弧进行预熔炼，制得预熔炼混合物；步骤S2，对所述预熔炼混合物进行真空高频感应熔炼，制得熔炼混合物；步骤S3，对所述熔炼混合物在真空环境下，进行气雾化制粉，制得粉料；步骤S4，对所述粉料进行粒径筛分、干燥后，真空封装保存。
本发明的有益效果为：本发明采用Mg掺杂Cu-Cr-Zr合金的方法，制备获取了具有高强度高导电性的Cu-Cr-Zr合金粉末；利用本发明方法的真空非自耗电极电弧预熔炼-真空高频感应熔炼－真空感应气雾化操作处理，避免了熔体冷却速度慢、显微组织粗大、成分偏析以及粗大的第二相颗粒的形成；同时也为粉末冶金中制备精密零件提供了材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，Cu-Cr-Zr系铜合金主要采用铸造成形方法制得。但是，采用熔炼铸造技术制备Cu-Cr-Zr合金，熔体冷却速度慢，导致显微组织粗大及成分偏析，并形成粗大的硬质第二相颗粒，难以通过后续处理消除，严重降低合金性能。
通过高温度固溶(920～980℃)或长时间的固溶、时效处理，对粗大的第二相有一定的改善作用，但作用有限，且容易造成合金基体的晶粒长大，难以获得高强度高导电率的Cu-Cr-Zr合金材料。
同时，目前高强度高导电铜合金粉末成分的含氧量较高，且制备效率较低，工艺成本较高。
出粉率：指最终获得的满足粒径小于等于45μm，氧含量低于200ppm，电导率为80～90％IACS，且强度为320～360MPa的铜合金粉末与初始投料的质量百分比。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度高导电铜合金粉末，包括以下质量份数的各组分：Cr，0.2～0.3份；Zr，0.1～0.2份；Mg，0.05～0.1份；Cu，99.4～99.7份。
具体的，本发明采用Mg掺杂Cu-Cr-Zr合金的方法，制备获取了具有高强度高导电性的Cu-Cr-Zr合金粉末，降低了合金粉末的氧含量，提高了出粉率。
其中，可选的，所述高强度高导电铜合金粉末的电导率可以但不限于为80～90％IACS，强度为320～360MPa。
可选的，所述高强度高导电铜合金粉末的粒径可以但不限于不大于45μm，高强度高导电铜合金氧含量可以但不限于不超过200ppm。
可选的，所述高强度高导电铜合金粉末还包括：0.05～0.1份的Ag，以进一步提高所述高强度高导电铜合金粉末的电导率和强度，使所述高强度高导电铜合金粉末的电导率为90～95％IACS，强度为340～400Mpa。
进一步的，本发明还提供了一种高强度高导电铜合金粉末的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，将各组分原料混合后，在真空环境下，使用非自耗电极电弧进行预熔炼，制得预熔炼混合物；步骤S2，对所述预熔炼混合物进行真空高频感应熔炼，制得熔炼混合物；步骤S3，对所述熔炼混合物在真空环境下，进行气雾化制粉，制得粉料；步骤S4，对所述粉料进行粒径筛分、干燥后，真空封装保存。
其中，可选的，所述纯铜的纯度不低于99.99％、所述纯铬的纯度不低于99.99％、所述纯锆的纯度不低于99.99％。
可选的，所述真空非自耗电极电弧预熔炼的真空度为6×10-3Pa，氩气为保护气体，电流强度为250～350A，单次熔炼时间为4～5min，熔炼次数为3～4次，冷却时间为10～20min。
可选的，所述真空高频感应熔炼的真空度为2～5Pa，氩气为保护气体，感应功率为10～25KW，感应时间为20～25min。
可选的，所述真空感应气雾化的保护气体为氩气，真空度为7×10-3Pa，感应功率至10～25KW，感应时间为20～25min。
实施例1
按照如下质量份数：Cr，0.26份；Zr，0.13份；Mg，0.05份；Cu，99.7份配制合金原料共3kg，采用真空电弧熔炼炉对纯金属Cu、Cr、Zr及Mg进行真空预熔炼，真空度为6.0×10- 3Pa，采用氩气保护，电流选择260A，熔炼4次，单次熔炼4min，冷却15min，取出合金铸锭。
将合金铸锭与剩余原料一起感应熔炼，真空度3Pa，坩埚选择石墨材质，选用氩气作为保护气氛，感应功率15KW，感应时间25min。
雾化工艺选择为：选用氩气作为保护气氛，真空度为7×10-3Pa，感应功率为20KW,感应时间为25min，待原料熔化并完全合金化以后，将熔体温度调整到1200℃左右，然后采用氩气进行雾化制备粉末，雾化压力为3.5MPa～3.6MPa；将雾化制备的铜合金粉末在真空手套箱中进行筛分、真空封装保存。细粉出粉率为29.4％，电导率为84IACS，强度为351MPa，含氧量为150ppm。
实施例2
按照如下质量份数：Cr，0.30份；Zr，0.15份；Mg，0.08份；Cu，99.5份配制合金原料共3kg，采用真空电弧熔炼炉对纯金属Cu、Cr、Zr及Mg进行真空预熔炼，真空度为6.0×10-3Pa，采用氩气保护，电流选择270A，熔炼5次，单次熔炼4min，冷却15min，取出合金铸锭。
将合金铸锭与剩余原料一起感应熔炼，真空度为4Pa，坩埚选择石墨材质，选用氩气作为保护气氛，感应功率15KW，感应时间25min。
雾化工艺选择为：选用氩气作为保护气氛，真空度为7×10-3Pa，感应功率为20KW，感应时间为25min，待原料熔化并完全合金化以后，将熔体温度调整到1150℃左右，然后采用氩气进行雾化制备粉末，雾化压力为3.5MPa～3.6MPa；将雾化制备的铜合金粉末在真空手套箱中进行筛分、真空封装保存。细粉出粉率为32.3％，电导率为86IACS，强度为354MPa，含氧量为147ppm。
实施例3
按照如下质量份数：Cr，0.25份；Zr，0.15份；Mg，0.06份；Cu，99.4份配制合金原料共3kg，采用真空电弧熔炼炉对纯金属Cu、Cr、Zr及Mg进行真空预熔炼，真空度为6.0×10- 3Pa，采用氩气保护，电流选择260A，熔炼4次，单次熔炼4min，冷却15min，取出合金铸锭。
将合金铸锭与剩余原料一起感应熔炼，真空度3Pa，坩埚选择石墨材质，选用氩气作为保护气氛，感应功率15KW，感应时间25min。
雾化工艺选择为：选用氩气作为保护气氛，真空度为7×10-3Pa，感应功率为20KW,感应时间为25min，待原料熔化并完全合金化以后，将熔体温度调整到1200℃左右，然后采用氩气进行雾化制备粉末，雾化压力为3.5MPa～3.6MPa；将雾化制备的铜合金粉末在真空手套箱中进行筛分、真空封装保存。细粉出粉率为31.9％，电导率为83IACS，强度为355MPa，含氧量为156ppm。
实施例4
按照如下质量份数：Cr，0.20份；Zr，0.10份；Mg，0.10份；Cu，99.6份；Ag，0.05份配制合金原料共3kg，采用真空电弧熔炼炉对纯金属Cu、Cr、Zr及Mg进行真空预熔炼，真空度为6.0×10-3Pa，采用氩气保护，电流选择260A，熔炼4次，单次熔炼4min，冷却15min，取出合金铸锭。
将合金铸锭与剩余原料一起感应熔炼，真空度3Pa，坩埚选择石墨材质，选用氩气作为保护气氛，感应功率15KW，感应时间25min。
雾化工艺选择为：选用氩气作为保护气氛，真空度为7×10-3Pa，感应功率为20KW,感应时间为25min，待原料熔化并完全合金化以后，将熔体温度调整到1200℃左右，然后采用氩气进行雾化制备粉末，雾化压力为3.5MPa～3.6MPa；将雾化制备的铜合金粉末在真空手套箱中进行筛分、真空封装保存。细粉出粉率为32.8％，电导率为92IACS，强度为386MPa，含氧量为154ppm。
实施例5
按照如下质量份数：Cr，0.28份；Zr，0.18份；Mg，0.09份；Cu，99.6份；Ag，0.10份配制合金原料共3kg，采用真空电弧熔炼炉对纯金属Cu、Cr、Zr及Mg进行真空预熔炼，真空度为6.0×10-3Pa，采用氩气保护，电流选择260A，熔炼4次，单次熔炼4min，冷却15min，取出合金铸锭。
将合金铸锭与剩余原料一起感应熔炼，真空度3Pa，坩埚选择石墨材质，选用氩气作为保护气氛，感应功率15KW，感应时间25min。
雾化工艺选择为：选用氩气作为保护气氛，真空度为7×10-3Pa，感应功率为20KW,感应时间为25min，待原料熔化并完全合金化以后，将熔体温度调整到1200℃左右，然后采用氩气进行雾化制备粉末，雾化压力为3.5MPa～3.6MPa；将雾化制备的铜合金粉末在真空手套箱中进行筛分、真空封装保存。细粉出粉率为31.7％，电导率为95IACS，强度为392MPa，含氧量为148ppm。
对比例1
按照如下质量份数：Cr，0.26份；Zr，0.13份；Cu，99.7份配制合金原料共3kg，采用真空电弧熔炼炉对纯金属Cu、Cr、Zr及Mg进行真空预熔炼，真空度为6.0×10-3Pa，采用氩气保护，电流选择260A，熔炼4次，单次熔炼4min，冷却15min，取出合金铸锭。
将合金铸锭与剩余原料一起感应熔炼，真空度3Pa，坩埚选择石墨材质，选用氩气作为保护气氛，感应功率15KW，感应时间25min。
雾化工艺选择为：选用氩气作为保护气氛，真空度为7×10-3Pa，感应功率为20KW,感应时间为25min，待原料熔化并完全合金化以后，将熔体温度调整到1200℃左右，然后采用氩气进行雾化制备粉末，雾化压力为3.5MPa～3.6MPa；将雾化制备的铜合金粉末在真空手套箱中进行筛分、真空封装保存。细粉出粉率为31.7％，电导率为81IACS，强度为347MPa，含氧量为164ppm。
参照实施例1-5和对比例1中的工艺方法，将各实施例和对比例中的原料配比，以及制得的铜合金粉末的测试性能汇总于表1。
表1各实施例和对比例中制得的铜合金粉末的原料配比和性能
Figure BDA0003109700990000071
结论：实施例1和2所制备的高强度高导电铜合金粉末均具备较佳的性能；由实施例1和2对比可知，铜合金粉末的性能与真空预熔炼的电流强度和熔炼次数、真空高频感应熔炼的真空度与雾化工艺的熔体温度有关。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种高强度高导电铜合金粉末，其特征在于，包括以下质量份数的各组分：Cr，0.2～0.3份；Zr，0.1～0.2份；Mg，0.05～0.1份；Cu，99.4～99.7份。
2.如权利要求1所述的高强度高导电铜合金粉末，其特征在于，所述高强度高导电铜合金粉末的电导率为80～90％IACS，强度为320～360MPa。
3.如权利要求1所述的高强度高导电铜合金粉末，其特征在于，
所述高强度高导电铜合金粉末的粒径不大于45μm，高强度高导电铜合金氧含量不超过200ppm。
4.如权利要求1所述的高强度高导电铜合金粉末，其特征在于，还包括：Ag，0.05～0.1份。
5.如权利要求4所述的高强度高导电铜合金粉末，其特征在于，
所述高强度高导电铜合金粉末的电导率为90～95％IACS，强度为340～400Mpa。
6.一种高强度高导电铜合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将各组分原料混合后，在真空环境下，使用非自耗电极电弧进行预熔炼，制得预熔炼混合物；
步骤S2，对所述预熔炼混合物进行真空高频感应熔炼，制得熔炼混合物；
步骤S3，对所述熔炼混合物在真空环境下，进行气雾化制粉，制得粉料；
步骤S4，对所述粉料进行粒径筛分、干燥后，真空封装保存。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述纯铜的纯度不低于99.99％、所述纯铬的纯度不低于99.99％、所述纯锆的纯度不低于99.99％。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述真空非自耗电极电弧预熔炼的真空度为6×10-3Pa，氩气为保护气体，电流强度为250～350A，单次熔炼时间为4～5min，熔炼次数为3～4次，冷却时间为10～20min。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述真空高频感应熔炼的真空度为2～5Pa，氩气为保护气体，感应功率为10～25KW，感应时间为20～25min。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述真空感应气雾化的保护气体为氩气，真空度为7×10-3Pa，感应功率至10～25KW，感应时间为20～25min。
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