CN114645151A - 一种高强高导铜合金及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强高导铜合金及其生产方法，所述高强高导铜合金包括以下质量百分比含量组分：铬：0.1～1.0％、锆：0.02～0.3％、镁：0.03～0.05％、铌：0.06～0.08％、钴：0.1～0.4％、稀土：0.05～0.10％、余量为铜。其通过1)配料、2)中频熔炼、3)铸锭、4)均匀化处理、5)热加工、6)固溶处理、7)冷加工、8)时效处理、9)机械加工至成品等步骤制得。本发明提供的高强高导铜合金的生产方法克服了合金生产过程的技术难点，制得的铜合金具有高强度和高导电率，性能优良，实用性高。

Description

一种高强高导铜合金及其生产方法

技术领域

本发明涉及铜合金技术领域，尤其涉及一种高强高导铜合金及其生产方法。

背景技术

电阻焊机电极广泛应用于汽车制造、航空工业、民用电器、轮船制造等行业，是保证焊接质量的重要零件。随着制造业的不断发展，电阻焊机随之快速发展，对电阻焊电极材料的用量越来越大，性能要求越来越高。铬锆铜系合金是重要的高强度、高导电铜合金材料，其强度是普通纯铜的3倍，有良好的导电性和导热性，硬度高，抗裂性以及软化温度高，焊接时电极损耗少，焊接速度快，焊接总成本低，适合作为电阻焊机电极材料。

铬锆铜系合金中含有铬、锆元素的化学活性较高，通常采用真空冶炼方式进行熔炼生产铜铬锆合金产品，真空冶炼工艺较复杂，设备投资较大，生产成本高。

因铜铬锆合金中铬、锆、铜三种元素熔点相差较大，另外锆元素易氧化烧损，在非真空环境下熔炼难度较大，一方面要解决熔炼过程中的氧化吸气问题，另一方面，铬、锆密度低，易悬浮于铜液表面，烧损严重。

故需要采用合适的生产工艺方法制备具有高强度和高导电率的铜合金。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有高强度和高导电率的铜合金及其生产方法。

为达此目的，本发明提供一种高强高导铜合金，包括以下质量百分比含量组分：铬：0.1～1.0％、锆：0.02～0.3％、镁：0.03～0.05％、铌：0.06～0.08％、钴：0.1～0.4％、稀土：0.05～0.10％、余量为铜。

所述的铬元素可通过固溶处理溶入铜基体中形成固溶体，经时效处理析出强化相，提高铜合金的强度。若铬含量较少时，则强化效果不明显；铬含量过多时，容易产生密集粗大的不均匀分布的铬相，破坏材料的塑性；并降低合金的导电性能。铬的含量控制在0.1～1.0％间。

所述的锆元素会与铜形成Cu-Zr中间化合物(强化相)，提高合金的热强性，对铜合金起到强化作用。若锆含量较小时，强化作用不理想；锆含量较大时，Cu-Zr中间相化合物在铜基体上的析出相增加，会降低合金导电性能。锆的含量控制在0.02～0.3％间。

所述的镁元素有脱氧作用，减少铜合金中的金属氧化物；同时镁可有效防止锆的氧化，起到净化晶界的作用。

所述的稀土元素可优化铜合金组织、细化晶粒、净化晶界、改善加工性能等，能起到强化作用。

所述的铌元素可溶解于固溶体，强化合金基体，有较好的强化作用；

所述的钴元素有固溶强化作用，提高合金的强度。钴添加量较高时，会影响合金的导电率；钴的含量控制在0.4％以下。

所述高强高导铜合金的生产方法包括以下步骤：

1)真空熔炼出铜铬中间合金、铜锆中间合金及铜铌中间合金，作为添加合金元素的原料；

2)将原料电解铜装入中频熔炼炉内，加入清渣剂，送电快速熔化；

3)原料电解铜完全熔化成熔液前，依次加入烘烤过的所述铜铬中间合金、所述铜铌中间合金及钴原料熔化；

4)加入草木灰和鳞片石墨复合覆盖剂；原料全部熔化后，加入镁铜合金进行脱氧；脱氧后再加入清渣剂，进行清渣处理；加金属镁终脱氧，加入稀土元素；

5)将合金熔液浇入中间包熔化所述铜锆中间合金，得到铜合金溶液；

6)铜合金溶液经过铸锭冷却脱模后，进行均匀化处理，再热加工，得到热锻成型后的铜合金料；

7)将成型后的铜合金料进行固溶处理，放入冷却介质中冷却；

8)将固溶处理后的铜合金料冷加工，再进行时效处理；

9)机械加工至成品。

进一步优选的，步骤1)中，所述铜铬中间合金为铬含量8～10％、余量为铜；所述铜铌中间合金为铌含量3～6％、余量为铜；所述铜锆中间合金为锆含量8～12％、余量为铜。

进一步优选的，所述铜铬中间合金采用分二次真空冶炼方式制成，第一次真空冶炼先制备含铬量4～5％的铜铬中间合金，在此基础上进行第二次真空冶炼制备出含铬量8～10％的铜铬中间合金。

进一步优选的，步骤2)和步骤4)中所述清渣剂加入量均为原料装入量的的0.2～0.5％。

进一步优选的，步骤4)中所述镁铜合金中镁含量16～20％、余量为铜。

进一步优选的，步骤4)中草木灰和鳞片石墨复合覆盖剂覆盖厚度为20～30mm；进行清渣处理后，再调整合金熔液温度在1250～1350℃间，加金属镁终脱氧。

进一步优选的，步骤5)中，铜锆中间合金先放入中间包中，用合金熔液冲包熔化。

进一步优选的，步骤6)中，所述均匀化处理工艺为升温至820～850℃后保温4～5小时，在炉内冷却至常温；所述热加工工艺为升温加热至920～960℃，保温2小时，热锻成型。

进一步优选的，步骤7)中，所述固溶处理工艺为升温至900～940℃，保温1.5～2小时后，快速冷却；所述冷却介质为饱和盐水，盐水温度不高于40℃。

进一步优选的，步骤8)中，所述铜合金料冷加工的变形量为30～80％；所述时效处理工艺为升温至400～500℃，保温4～6小时，在炉内冷却至常温。

有益效果：本发明提供的高强高导铜合金及其生产方法，克服了现有技术中的技术难点，制得的铜合金具有优良的导电性和高强度，综合性能好，满足行业需要，实用性高。

本发明通过添加铬、锆、铌、钴、稀土等元素，使铜合金获得高强度的同时具有良好的导电性；采用真空冶炼方式熔炼出铜铬、铜锆及铜铌中间合金方式来加入铬、锆、铌等金属元素，可降低合金熔炼温度，减少金属元素的烧损，提高收得率，保证成分的命中率；铜铬中间合金采用分二次真空冶炼方式制成，使得铜铬中间合金成分均匀、偏析少，添加量精准控制；用合金熔液冲包熔化铜锆中间合金，可减少锆元素烧损，从而保证合金性能；熔炼过程中材料的氧化吸气会很大程度上影响合金的性能，因此在熔炼过程中采用草木灰和鳞片石墨做覆盖剂，隔绝与氧的接触，再用清渣剂可进一步隔绝氧，并可减少合金的杂质，提高合金纯度；热锻成型后的铜合金料进行固溶处理时采用饱和盐水做冷却介质，可提高淬透性，保证合金性能均匀。

具体实施方式

下面所描述的实施例仅仅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作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。

实施例一

本实施例提供一种高强高导铜合金及其生产方法，其包括以下步骤：

将原料按比例放入真空熔炼炉内分别熔炼出铜铬、铜锆及铜铌中间合金；铜铬中间合金的质量百分比是铬8％、余量为铜；铜锆中间合金的质量百分比是锆9％、余量为铜；铜铌中间合金的质量百分比是铌3％、余量为铜。

其中铜铬中间合金采用分二次真空冶炼方式制成；第一次真空冶炼先制备的铜铬中间合金的质量百分比是铬4％、余量为铜；在此基础上进行第二次真空冶炼再添加铬，制备出铜铬中间合金，其质量百分比是铬8％、余量为铜。

将原料电解铜41.1kg装入中频炉内，加入0.1kg的CURG81清渣剂，送电快速熔化；待原料完全熔化成溶液前，加入烘烤过的铜铬中间合金6.4kg，待铜铬中间合金全部熔化完后，再添加烘烤过的铜铌中间合金1.34kg、钴颗粒0.057kg；加入草木灰和鳞片石墨的复合覆盖剂，厚度约为25mm；原料全部熔化完后加入含镁18％的镁铜合金0.14kg进行脱氧，脱氧后再加入0.25kg的CURG81清渣剂，进行清渣处理；调整铜合金熔液温度在1280℃，加入金属镁0.033kg进行终脱氧，再加入镧铈混合稀土0.095kg。

将粒度小于5mm、烘烤过的铜锆中间合金1kg放在中间包内，用合金熔液冲包熔化铜锆中间合金；合金熔液浇入铸锭模内，浇注完后加草木灰覆盖帽口上面；铸锭冷却脱模后，进行均匀化处理：升温至850℃后保温4小时，在炉内冷却至常温。

铸锭取样分析铜合金含量组分的质量百分比是铬：0.99％、锆：0.12％、镁：0.048％、铌：0.08％、钴：0.11％、稀土：0.093％、余量为铜。

将铜合金锭进行热加工，升温加热至930℃，保温2小时后热锻成型；热锻成型后的铜合金料进行固溶处理：加热升温至940℃后，保温1.5小时，放入饱和盐水池中冷却，水温不高于40℃；将固溶处理后的铜合金料进行冷加工，加工变形量为50％；将冷加工过的铜合金料进行时效处理：升温至440℃后保温6小时，在炉内冷却至常温；时效处理后的铜合金取样检测性能，最后进行机械加工成产品。

铜合金取样检测性能结果为导电率(％)82.41，硬度(HRB)80。

实例二

将原料按比例放入真空熔炼炉内分别熔炼出铜铬、铜锆及铜铌中间合金；铜铬中间合金的质量百分比是铬8％、余量为铜；铜锆中间合金的质量百分比是锆9％、余量为铜；铜铌中间合金的质量百分比是铌3％、余量为铜。

其中铜铬中间合金采用分二次真空冶炼方式制成；第一次真空冶炼先制备的铜铬中间合金的质量百分比是铬4.7％、余量为铜；在此基础上进行第二次真空冶炼再添加铬，制备出铜铬中间合金，其质量百分比是铬8％、余量为铜。

将原料电解铜43.5kg装入中频炉内，加入0.25kg的CURG81清渣剂，送电快速熔化；待原料完全熔化成溶液前，加入烘烤过的铜铬中间合金4.38kg，待铜铬中间合金全部熔化完后，再添加烘烤过的铜铌中间合金1.02kg、钴颗粒0.19kg；加入草木灰和鳞片石墨的复合覆盖剂，厚度约为25mm；原料全部熔化完后加入含镁18％的镁铜合金0.11kg进行脱氧，脱氧后再加入0.1kg的CURG81清渣剂，进行清渣处理；调整铜合金熔液温度在1350℃，加入金属镁0.025kg进行终脱氧，再加入镧铈混合稀土0.065kg。

将粒度小于5mm、烘烤过的铜锆中间合金0.85kg放在中间包内，用合金熔液冲包熔化铜锆中间合金；合金熔液浇入铸锭模内，浇注完后加草木灰覆盖帽口上面；铸锭冷却脱模后，进行均匀化处理：升温至820℃后保温5小时，在炉内冷却至常温。

铸锭取样分析铜合金含量组分的质量百分比是铬：0.68％、锆：0.08％、镁：0.032％、铌：0.06％、钴：0.37％、稀土：0.055％、余量为铜。

将铜合金锭进行热加工：升温加热至960℃，保温2小时后热锻成型；热锻成型后的铜合金料进行固溶处理：加热升温至910℃后，保温2小时，放入饱和盐水池中冷却，水温不高于40℃；将固溶处理后的铜合金料进行冷压加工，加工变形量为40％；将冷压加工过的铜合金料进行时效处理：升温至460℃后保温4小时，在炉内冷却至常温；时效处理后的铜合金取样检测性能，最后进行机械加工成产品。

铜合金取样检测性能结果为导电率(％)80.08，硬度(HRB)80.3。

实施例三

将原料按比例放入真空熔炼炉内分别熔炼出铜铬、铜锆及铜铌中间合金；铜铬中间合金的质量百分比是铬8％、余量为铜；铜锆中间合金的质量百分比是锆9％、余量为铜；铜铌中间合金的质量百分比是铌3％、余量为铜。

其中铜铬中间合金采用分二次真空冶炼方式制成；第一次真空冶炼先制备的铜铬中间合金的质量百分比是铬5％、余量为铜；在此基础上进行第二次真空冶炼再添加铬，制备出铜铬中间合金，其质量百分比是铬8％、余量为铜。

将原料电解铜45.85kg装入中频炉内，加入0.2kg的CURG81清渣剂，送电快速熔化；待原料完全熔化成铜液前，加入烘烤过的铜铬中间合金1.4kg，待铜铬中间合金全部熔化完后，再添加烘烤过的铜铌中间合金1.2kg、钴颗粒0.13kg；加入草木灰和鳞片石墨的复合覆盖剂，厚度约为25mm；原料全部熔化完后加入含镁18％的镁铜合金0.08kg进行脱氧，脱氧后再加入0.2kg的CURG81清渣剂，进行清渣处理；调整铜合金熔液温度在1330℃，加入镁0.031kg进行终脱氧，再加入镧铈混合稀土0.08kg。

将粒度小于5mm、烘烤过的铜锆中间合金1.4kg放在中间包内，用合金熔液冲包熔化铜锆中间合金；合金熔液浇入铸锭模内，浇注完后加草木灰覆盖帽口上面；铸锭冷却脱模后，进行均匀化处理：升温至840℃后保温4.5小时，在炉内冷却至常温。

铸锭取样分析铜合金含量组分的质量百分比是铬：0.2％、锆：0.19％、镁：0.04％、铌：0.07％、钴：0.25％、稀土：0.08％、余量为铜。

将铜合金锭进行热加工：升温加热至920℃，保温2小时后热锻成型；热锻成型后的铜合金料进行固溶处理：加热升温至920℃后，保温2小时，放入盐水池中冷却，水温不高于40℃；将固溶处理后的铜合金料进行冷压加工，加工变形量为35％；将冷压加工过的铜合金料进行时效处理：升温至450℃后保温4小时，在炉内冷却至常温；时效处理后的铜合金取样检测性能，最后进行机械加工成产品。

铜合金取样检测性能结果为导电率(％)80.13，硬度(HRB)80.8。

由以上实施例可知，本发明提供的高强高导的铜合金及其生产方法，通过对合金成分设计及生产工艺的优化，解决了现有技术中铬锆铜系合金熔炼难度大，易烧损及氧化吸气等问题和技术难点，制备出具有优良的导电性和高强度的铜合金。

以上所揭露的仅为本发明几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种高强高导铜合金，其特征在于，包括以下质量百分比含量组分：铬：0.1～1.0％、锆：0.02～0.3％、镁：0.03～0.05％、铌：0.06～0.08％、钴：0.1～0.4％、稀土：0.05～0.10％、余量为铜。

2.一种高强高导铜合金的生产方法，用于制备如权利要求1所述的高强高导合金，其特征在于，包括以下步骤：

1)真空熔炼出铜铬中间合金、铜锆中间合金及铜铌中间合金；

2)将原料电解铜装入中频熔炼炉内，加入清渣剂，送电快速熔化；

3)原料电解铜完全熔化成熔液前，依次加入所述铜铬中间合金、所述铜铌中间合金及钴原料熔化；

4)加入草木灰和鳞片石墨复合覆盖剂，原料全部熔化后，加入镁铜合金脱氧、清渣剂清渣处理；加金属镁终脱氧后，加入稀土；

5)将合金熔液浇入中间包熔化所述铜锆中间合金，得到铜合金溶液；

6)铜合金溶液经过铸锭冷却脱模、均匀化处理、热加工，得到热锻成型后的铜合金料；

7)将成型后的铜合金料进行固溶处理，放入冷却介质中冷却；

8)将固溶处理后的铜合金料冷加工，再进行时效处理；

9)机械加工至成品。

3.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，步骤1)中，所述铜铬中间合金为铬含量8～10％、余量为铜；所述铜铌中间合金为铌含量3～6％、余量为铜；所述铜锆中间合金为锆含量8～12％、余量为铜。

4.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，所述铜铬中间合金采用分二次真空冶炼方式制成，第一次真空冶炼先制备含铬量4～5％的铜铬中间合金，在此基础上进行第二次真空冶炼制备出含铬量8～10％的铜铬中间合金。

5.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，步骤2)和步骤4)中，所述清渣剂加入量均为原料装入量的0.2～0.5％。

6.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，步骤4)中所述镁铜合金中镁含量16～20％、余量为铜。

7.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，步骤5)中，铜锆中间合金先放入中间包中，采用合金熔液冲包熔化。

8.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，步骤6)中，所述均匀化处理工艺为升温至820～850℃后保温4～5小时，在炉内冷却至常温，所述热加工工艺为升温加热至920～960℃，保温2小时，热锻成型。

9.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，步骤7)中，所述固溶处理工艺为升温至900～940℃，保温1.5～2小时后，快速冷却；所述冷却介质为饱和盐水，盐水温度不高于40℃。

10.如权利要求2所述的高强高导铜合金的生产方法，其特征在于，步骤8)中，所述铜合金料冷加工的变形量为30～80％；所述时效处理工艺为：升温至400～500℃，保温4～6小时，在炉内冷却至常温。