CN113604701A - 一种含y的抗高温软化铜合金材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Y的抗高温软化铜合金材料及其制备方法。该高热稳定性铜合金由以下成分组成Cr：0.6~0.8 wt.%；Co：0.05~0.20 wt.%；Y：0.005~0.02 wt.%；余量为Cu和不可避免地杂质。合金的制备方法：配料，熔料—铣面—热轧—固溶—冷轧—时效等几个步骤。通过添加微量Co元素和稀土Y能够有效抑制时效过程中bcc‑Cr相的形核来保留亚稳态fcc‑Cr相，提高合金软化温度。在略微降低铜合金导电率的前提下,大幅度提升合金的力学性能，硬度达到140~160 HV，电导率达到了70~85%IACS，软化温度保持在570~610 ℃。

Description

一种含Y的抗高温软化铜合金材料
技术领域
本发明属于铜合金材料领域，具体涉及一种高热稳定性铜合金材料及其制备方法。
背景技术
铜合金作为传统的有色金属加工材料，因其具备优良的导电性、良好的导热性、延展性和较高的强度等而被广泛地应用到各领域中，如电阻焊接电极、电动机缠绕线、电缆、开关装置、电接触元件、集成电路引线框架、高速铁路导轨接触线等领域。近几十年来，随着工业的不断发展，技术的逐步提升，对材料的各项性能也提出了更高的要求。例如：集成电路的芯片载体—引线框架，其对电路的耐久性和可靠性有很大影响，故要求有优良的导热性，导电性以及延展性；电阻焊接电极要求铜合金具有优异的高温稳定性，良好的导电性和导热性。
现阶段常见的铜合金强化方法有：形变原位复合法、第二相强化法、细晶强化法、固溶时效强化法和冷变形强化方法等。Cu-Cr合金是典型的沉淀强化型合金。随着时效进行，与基体共格fcc-Cr相转变为非共格bcc-Cr相，而fcc-Cr相对合金的强度、电导率和高温稳定性起决定性作用，所以降低合金的综合性能。
发明内容
本发明通过添加Co元素稀土Y够有效抑制时效过程中bcc-Cr相的形核来保留亚稳态fcc-Cr相，提高合金软化温度。本发明目的在于提供一种通过添加Co元素和稀土Y配合加工制备具有稳定共格fcc-Cr相合金的配方及制备方法；具体技术方案为：
一种含Y的抗高温软化铜合金材料，该合金化学成分如下：Cr：0.6~0.8 wt.%；Co：0.05~0.20 wt.%；Y：0.005~0.02 wt.%；余量为Cu和不可避免地杂质。
本发明还公开了上述抗高温软化铜合金材料的制备步骤如下:
(1)配料，熔炼：根据上述铜合金化学成分进行配料，采用中频感应炉进行熔炼，原材料加入顺序为：纯Cu，所述纯Cu熔化后加入纯铜箔包裹的Cu-Cr和Cu-Y中间合金，保温1~2min，最后加入Co，保温0.5~1 min，扒渣后进行浇铸，熔炼温度为1200~1250 ℃，浇铸温度为1150~1200 ℃；
(2)铣面：铣去铸锭质量不佳的表面材料；
(3)热轧：将步骤(2)得到的铸锭在800~900 ℃保温1h使组织成分均匀化，然后进行热轧，总加工率为60~70%；
(4)固溶：将步骤(3)得到的板坯固溶处理，固溶温度为900~950 ℃，保温1~2 h，并进行水淬；
(5)冷轧：将步骤(4)得到的板材进行冷轧，总加工率为70%~85%；
(6)时效：将步骤(5)得的板材进行时效处理，时效温度为450 ℃，时间为4 h。
进一步，步骤1中纯Cu熔化后加入脱水木炭覆盖，覆盖厚度不少于10 mm，防止氧化。
进一步，步骤3中，热轧时终轧温度不得低于800 ℃。
进一步，所述步骤6中时效形成第二相粒子，其结构为面心立方结构，粒子直径为2~25 nm，Cr相粒子与基体呈共格关系。
本发明取得的有益效果：
本发明通过添加Co和Y制备Cu-Cr-Co-Y合金，能够使Cr相尺寸保持在20 nm以下，并且抑制Cr由fcc向bcc结构转变，从而有效提升合金综合性能，特别是高温软化性能。
具体实施方式
下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。
实施例1：
提供一种含Y的抗高温软化铜合金制备方法，其特征在于：所述合金的各组分质量百分比含量为：Cr：0.66 %；Co：0.05%；Y：0.01%，余量为铜及不可避免的杂质。
抗高温软化铜合金板材制备步骤如下：
(1)配料、熔炼：以纯度为99.95wt.%的阴极铜、纯度为99.99 wt.%的电解钴、Cr含量为8wt.%的Cu-Cr中间合金以及Y含量为10.6wt.%的Cu-Y中间合金为原材料。先将1518g的阴极铜和适量脱水木炭放入加热炉中，待纯Cu完全熔化后，加入纯铜箔包裹的Cu-Cr、Cu-Y中间合金，防止氧化，减少Cr烧损；保温2 min，应不少于1 min；其中，铜箔、Cu-Cr中间合金与Cu-Y中间合金的重量分别为1.8g、270g和9g。最后，加入1.4g纯Co保温1 min，应不少于0.5 min；扒渣后进行浇铸，熔炼温度为1250 ℃，应不低于1200 ℃；浇铸温度为1200 ℃，应不低于1150 ℃。最终，制得Cr含量为0.66wt.%；Co含量为0.05 wt.%；Y含量为0.01wt.%的方形Cu-Cr-Co-Y合金铸锭，方形铸锭的厚度和宽度分别为20mm和50mm。
(2)铣面：因铸锭表面质量不佳，切除铸锭头尾后铣去表面1 mm，得到厚度为18mm，长度为48mm，长度为140mm的方形铸锭。
(3)热轧：将上述得到铸锭放置保温炉中保温1h，温度为900 ℃，保温温度应不低于800 ℃，使铸锭组织成分均匀化。取出后快速轧制，轧制过程中使用红外线测温仪对板材温度进行实时测量，如果温度低于800 ℃，回炉加热后再进行轧制；轧制过程中，保证合金温度不得低于800 ℃。热轧过程为：18 mm-12.5 mm-7 mm，总加工率为61.1%。总加工率应控制在60%至70%之间。
(4)固溶：将步骤(3)得到的板坯放置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间为1 h，然后，水淬。固溶温度应不低于900 ℃。
(5)冷轧：将步骤(4)得到的板材进行冷轧，冷轧至1.4 mm，冷轧过程为7 mm-6 mm-3.7 mm-2.6 mm-2 mm-1.4 mm，总道次加工率为80%。总加工率应控制在70%至85%之间。
(6)时效：将步骤(5)得到的板材放置于保温炉中进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为4 h，得到直径为10 nm左右的第二相粒子，其结构为面心立方，与基体呈现共格关系。实施例中通过Co和Y元素的合理添加，使得Co和Y元素在富Cr相粒子的外围偏聚，抑制析出相的长大及FCC-BCC转变，使析出相保持FCC结构及较小颗粒尺寸，有利于合金的高温抗软化性。
(7)采用200HVS-5型显微维氏硬度计以及Sigmascope SMP350型涡流金属电导仪涡流电导率仪分别对合金的硬度及电导率进行测试，合金抗软化温度的测试依据于国标GB/T 33370-2016。经测试，最终制备的铜铬钴钇合金硬度达到150.7 HV，导电率达到82.3%AICS，抗软化温度为570 ℃。
实施例2：
提供一种含Y的抗高温软化铜合金制备方法，其特征在于：所述合金的各组分质量百分比含量为：Cr：0.80%；Co：0.10%；Y：0.01%，余量为铜及不可避免的杂质。
抗高温软化铜合金板材制备步骤如下：
(1) 配料、熔炼：以纯度为99.95wt.%的阴极铜、纯度为99.99 wt.%的电解钴、Cr含量为8wt.%的Cu-Cr中间合金以及Y含量为10.6wt.%的Cu-Y中间合金为原材料。先将1426g的阴极铜和适量脱水木炭放入加热炉中，待纯Cu完全熔化后，加入纯铜箔包裹的Cu-Cr、Cu-Y中间合金保温2 min，应不少于1 min；其中，铜箔、Cu-Cr中间合金与Cu-Y中间合金的重量分别为2.2g、360g和9g。最后，加入2.8g纯Co保温1 min，应不少于0.5 min；扒渣后进行浇铸，熔炼温度为1250 ℃，应不低于1200 ℃；浇铸温度为1200 ℃，应不低于1150 ℃。最终，制得Cr含量为0.8wt.%；Co含量为0.1 wt.%；Y含量为0.01wt.%的方形Cu-Cr-Co-Y合金铸锭，方形铸锭的厚度和宽度分别为20mm和50mm。
(2)铣面：因铸锭表面质量不佳，切除铸锭头尾后铣去表面1 mm，得到厚度为18mm，长度为48mm，长度为140mm的方形铸锭。
(3)热轧：将上述得到铸锭放置保温炉中保温1h，温度为900 ℃，使铸锭组织成分均匀化。取出后快速轧制，终轧温度不得低于800 ℃。热轧过程为：18 mm-12.5 mm-7 mm，总加工率为61.1%。
(4)固溶：将步骤(3)得到的板坯放置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间为1 h，水淬。
(5)冷轧：将步骤(4)得到的板材进行冷轧，冷轧至1.4 mm，冷轧过程为7 mm-6 mm-3.7 mm-2.6 mm-2 mm-1.4 mm，总道次加工率为80%。
(6)时效：将步骤(5)得到的板材放置于保温炉中进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为4 h，得到直径为9 nm左右的第二相粒子，其结构为面心立方，与基体呈现共格关系。
(7) 采用200HVS-5型显微维氏硬度计以及Sigmascope SMP350型涡流金属电导仪涡流电导率仪分别对合金的硬度及电导率进行测试，合金抗软化温度的测试依据于国标GB/T 33370-2016。经测试，最终制备的铜铬钴钇合金硬度达到153.5 HV，导电率达到78.5%AICS，抗软化温度为590 ℃。
实施例3：
提供一种含Y的抗高温软化铜合金制备方法，其特征在于：所述合金的各组分质量百分比含量为：Cr：0.68%；Co：0.19%；Y：0.02%，余量为铜及不可避免的杂质。
抗高温软化铜合金板材制备步骤如下：
(1) 配料、熔炼：以纯度为99.95wt.%的阴极铜、纯度为99.99 wt.%的电解钴、Cr含量为8wt.%的Cu-Cr中间合金以及Y含量为10.6wt.%的Cu-Y中间合金为原材料。先将1509g的阴极铜和适量脱水木炭放入加热炉中，待纯Cu完全熔化后，加入纯铜箔包裹的Cu-Cr、Cu-Y中间合金保温2 min，其中，铜箔、Cu-Cr中间合金与Cu-Y中间合金的重量分别为2g、270g和14g。最后，加入5g纯Co保温1 min，扒渣后进行浇铸，熔炼温度为1250 ℃，浇铸温度为1200℃。最终，制得Cr含量为0.68wt.%；Co含量为0.19 wt.%；Y含量为0.02wt.%的方形Cu-Cr-Co-Y合金铸锭，方形铸锭的厚度和宽度分别为20mm和50mm。
(2)铣面：因铸锭表面质量不佳，切除铸锭头尾后铣去表面1 mm，得到厚度为18mm，长度为48mm，长度为140mm的方形铸锭。
(3)热轧：将上述得到铸锭放置保温炉中保温1 h，温度为900 ℃，使铸锭组织成分均匀化。取出后快速轧制，终轧温度不得低于800 ℃。热轧过程为：18 mm-12.5 mm-7 mm，总加工率为61.1%。
(4)固溶：将步骤(3)得到的板坯放置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间为1 h，水淬。
(5)冷轧：将步骤(4)得到的板材进行冷轧，冷轧至1.4 mm，冷轧过程为7 mm-6 mm-3.7 mm-2.6 mm-2 mm-1.4 mm，总道次加工率为80%。
(6)时效：将步骤(5)得到的板材放置于保温炉中进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为4 h，得到直径为7 nm左右的第二相粒子，其结构为面心立方，与基体呈现共格关系。
(7) 采用200HVS-5型显微维氏硬度计以及Sigmascope SMP350型涡流金属电导仪分别对合金的硬度及电导率进行测试，合金抗软化温度的测试依据于国标GB/T 33370-2016。经测试，最终制备的铜铬钴钇合金硬度达到151.7 HV，导电率达到72.3%AICS，抗软化温度为610 ℃。
对比例：
提供一种抗高温软化铜合金制备方法，其特征在于：所述合金的各组分质量百分比含量为：Cr：0.66%；Co：0.05%，余量为铜及不可避免的杂质。
抗高温软化铜合金板材制备步骤如下：
(1)配料、熔炼：以纯度为99.95wt.%的阴极铜、纯度为99.99 wt.%的电解钴以及Cr含量为8wt.%的Cu-Cr中间合金为原材料。先将1525g的阴极铜和适量脱水木炭放入加热炉中，待纯Cu完全熔化后，加入纯铜箔包裹的Cu-Cr保温2 min，其中，铜箔与Cu-Cr中间合金的重量分别为2.2g、270g。最后，加入2.8g纯Co保温1 min，扒渣后进行浇铸，熔炼温度为1250℃，浇铸温度为1200 ℃。最终，制得Cr含量为0.66wt.%；Co含量为0.1 wt.%的方形Cu-Cr-Co合金铸锭，方形铸锭的厚度和宽度分别为20mm和50mm。
(2)铣面：因铸锭表面质量不佳，切除铸锭头尾后铣去表面1 mm，得到厚度为18mm，长度为48mm，长度为140mm的方形铸锭。
(3)热轧：将上述得到铸锭放置保温炉中保温1 h，温度为900 ℃，使铸锭组织成分均匀化。取出后快速轧制，终轧温度不得低于800 ℃。热轧过程为：18 mm-12.5 mm-7 mm，总加工率为61.1%。
(4)固溶：将步骤(3)得到的板坯放置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间为1 h，水淬。
(5)冷轧：将步骤(4)得到的板材进行冷轧，冷轧至1.4 mm，冷轧过程为7 mm-6 mm-3.7 mm-2.6 mm-2 mm-1.4 mm，总道次加工率为80%。
(6)时效：将步骤(5)得到的板材放置于保温炉中进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为4 h。
(7) 采用200HVS-5型显微维氏硬度计以及Sigmascope SMP350型涡流金属电导仪分别对合金的硬度及电导率进行测试，合金抗软化温度的测试依据于国标GB/T 33370-2016。经测试，最终制备的铜铬钴合金硬度达到143.4 HV，导电率达到84.1%AICS，抗软化温度为510 ℃。
实施例，对比例性能测试结果参数见表1
表1实施例，对比例的性能
实施例、对比例 硬度/HV 导电率/%AICS 软化温度/℃
实施例1 150.7 82.3 570
实施例2 153.5 78.5 590
实施例3 151.7 72.3 610
对比例 143.4 84.1 510
实施例和对比例中，热轧过程加工率应控制在60%至70%；冷轧过程加工率应控制在70%~85%。考虑材料的烧损，原料中Cr、Co、Y应根据经验或试验获得的材料的烧损率进行适当调整。
以上具体实例是对本发明所作的进一步详细说明,并不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明提出的合金成分范围及形变热处理工序,可以做适当的成分调整和改善,但都应视为属于本发明所提交权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种含Y的抗高温软化铜合金材料，其特征在于，组分如下：Cr：0.6~0.8 wt.%；Co：0.05~0.20 wt.%；Y：0.005~0.02 wt.%；余量为Cu和不可避免地杂质。
2.如权利要求1所述的抗高温软化铜合金材料的制备步骤如下:
(1)配料，熔炼：根据上述铜合金化学成分进行配料，采用中频感应炉进行熔炼，原材料加入顺序为：纯Cu，所述纯Cu熔化后加入纯铜箔包裹的Cu-Cr和Cu-Y中间合金，保温1~2min，最后加入Co，保温0.5~1 min，扒渣后进行浇铸，熔炼温度为1200~1250 ℃，浇铸温度为1150~1200 ℃；
(2)铣面：铣去铸锭后铸锭表面质量不佳的表面材料；
(3)热轧：将步骤(2)得到的铸锭在800~900 ℃保温1h使组织成分均匀化，然后进行热轧，总加工率为60~70%；
(4)固溶：将步骤(3)得到的板坯固溶处理，固溶温度为900~950 ℃，保温1~2 h，并进行水淬；
(5)冷轧：将步骤(4)得到的板材进行冷轧，总加工率为70%~85%；
(6)时效：将步骤(5)得的板材进行时效处理，时效温度为450 ℃，时间为4 h。
3.如权利要求2所述抗高温软化铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纯Cu熔化后加入脱水木炭覆盖，覆盖厚度不少于10 mm，防止氧化。
4.如权利要求2所述抗高温软化铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，热轧时终轧温度不得低于800 ℃。
5.如权利要求2所述抗高温软化铜合金材料制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中时效形成第二相粒子，其结构为面心立方结构，粒子直径为2~25 nm，Cr相粒子与基体呈共格关系。
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