CN115125406A - 一种铜铬合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜铬合金及其制备方法，属于合金材料技术领域，包括以下步骤：(1)将合金原料进行熔炼后浇铸，得到铸锭；所述浇铸为水冷铜模浇铸；(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、固溶处理、淬火、冷轧、时效处理和终轧，得到铜铬合金；所述铜铬合金中铬的质量含量大于5％。本发明在铜铬合金熔炼后采用水冷铜模浇铸，其冷却速度较快，可有效减少或者消除宏观偏析现象，使晶粒细化，获得较好的铸态组织，在经后续处理后提高合金的抗拉强度和导电性。实施例的结果显示，本发明制备的铜铬合金的抗拉强度为610MPa，导电率为54.8％IACS。

Description

一种铜铬合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种铜铬合金及其制备方法。
背景技术
铜铬合金因具有良好的导电性能和较高的强度，被广泛应用于集成电路引线框架和电气化铁路接触导线等。随着我国交通、通讯和电力等行业的发展，对铜铬合金的导电和强度提出了更高的要求，若要提高铜铬合金的强度势必增加铬的含量，随着铬含量的增加，合金的强度可显著提高，然而，当铬相含量超过5wt％时，合金存在严重的宏观偏析，且随铬原子加入势必大大降低铜基体的导电性能，致使铜铬的应用受到限制。
目前铜铬合金在浇铸过程中通常采用石墨模，为了提高高铬含量铜铬合金的性能通常采用多次固溶与时效相结合的方式，但是此种方法高能耗、噪音污染和高成本，且铜铬合金的导电性能和强度仍较差。
因此，如何提高高铬含量铜铬合金的性能成为现有技术的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜铬合金及其制备方法。本发明制备方法制备的铜铬合金具有优异的抗拉强度和导电率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铜铬合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将合金原料进行熔炼后浇铸，得到铸锭；所述浇铸为水冷铜模浇铸；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、固溶处理、淬火、冷轧、时效处理和终轧，得到铜铬合金；
所述铜铬合金中铬的质量含量大于5％。
优选地，所述铜铬合金中还包括微合金。
优选地，所述微合金包括Mg、Ag、Y、La或Ce。
优选地，所述步骤(1)中水冷铜模浇铸时水的温度为25～27℃。
优选地，所述步骤(2)中热轧的温度为850～950℃，热轧的总变形量为30～50％。
优选地，所述步骤(2)中固溶处理的温度为950～1100℃，固溶处理的时间为1～180min。
优选地，所述步骤(2)中冷轧的总变形量为60～90％。
优选地，所述步骤(2)中时效处理的温度为400～600℃，时效处理的时间为1～24h。
优选地，所述步骤(2)中终轧的温度为20～30℃，终轧的总变形量为30～60％。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的铜铬合金。
本发明提供了一种铜铬合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将合金原料进行熔炼后浇铸，得到铸锭；所述浇铸为水冷铜模浇铸；(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、固溶处理、淬火、冷轧、时效处理和终轧，得到铜铬合金；所述铜铬合金中铬的质量含量大于5％。本发明在铜铬合金熔炼后采用水冷铜模浇铸，其冷却速度较快，可有效减少或者消除铬含量较高时的宏观偏析现象，使晶粒细化，获得较好的铸态组织，只需进行一次固溶和时效处理就能够使得在合金中铬含量较高时仍具有优异的抗拉强度和导电性，制备方法简单。实施例的结果显示，本发明制备的铜铬合金的抗拉强度为610MPa，导电率为54.8％IACS，传统石墨模浇铸制备的铜铬合金的抗拉强度为562MPa，导电率为50.2％IACS。
附图说明
图1为本发明实施例1步骤(1)中铸锭的金相图；
图2为本发明实施例2步骤(1)中铸锭的金相图；
图3为本发明实施例3步骤(1)中铸锭的金相图；
图4为本发明对比例1步骤(1)中铸锭的金相图；
图5为本发明实施例1制备的铜铬合金的金相图。
具体实施方式
本发明提供了一种铜铬合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将合金原料进行熔炼后浇铸，得到铸锭；所述浇铸为水冷铜模浇铸；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、固溶处理、淬火、冷轧、时效处理和终轧，得到铜铬合金；
所述铜铬合金中铬的质量含量大于5％。
如无特殊说明，本发明对所述各组分的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述铜铬合金中铬的质量含量大于5％。
在本发明中，所述铜铬合金中优选还包括微合金；所述微合金优选包括Mg、Ag、Y、La或Ce。在本发明中，所述Mg元素可显著细化Cr相，抑制枝晶偏析，促进时效过程中Cr相的析出；Ag元素可细化初生的Cr枝晶，强化Cu基体，降低Cr在Cu中的固溶度，同时提高合金的强度和电导率；稀土元素Y、La或Ce可细化晶粒，提高合金的力学性能，促进Cr相球化、细化，使其分布均匀化，改善Cu-Cr合金的宏观偏析现象，有利于材料力学性能的提高，促进Cr的析出，减少了Cr原子在铜基体中的固溶度，进而提高合金的导电性能，即微合金可降低基体中合金元素的固溶度，改变析出相的尺寸、数量、形态及分布，进而提高合金的导电性能和强度。
在本发明中，所述合金原料中微合金的质量优选为合金原料中铜和铬总质量的0.005～1％，更优选为0.01～0.5％，最优选为0.1～0.3％。本发明将微合金的质量限定在上述范围内，能够进一步降低合金元素的固溶度，改变析出相的尺寸、数量、形态和分布，进一步提高合金的性能。
本发明将合金原料进行熔炼后浇铸，得到铸锭。
在本发明中，所述合金原料优选包括电解铜和纯铬。
在本发明中，所述电解铜中铜的质量分数优选为≥99.9％。
在本发明中，所述纯铬中铬的质量分数优选为≥99.9％。
在本发明中，当所述铜铬合金包括微合金时，所述合金原料优选还包括微合金的原料，所述微合金的原料优选为纯镁、纯银、Y-Cu中间合金、La-Cu中间合金或Ce-Cu中间合金。
在本发明中，所述微合金的原料优选在电解铜和纯铬熔化后加入。在本发明中，所述微合金的原料优选以冲入法加入。本发明优选在加入所述微合金的原料后进行静置3～5min。在本发明中，所述冲入法能够使微合金与其他原料更加充分的混合。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为1300～1450℃，更优选为1350～1400℃；所述熔炼优选在真空和氩气条件下进行。本发明对所述熔炼的时间没有特殊的限定，保证合金原料完全熔化即可。本发明将熔炼的温度和条件限定在上述范围内，能够使得原料完全熔化并避免被空气中的氧气氧化。
在本发明中，所述浇铸为水冷铜模浇铸。在本发明中，所述浇铸的温度优选为熔炼的温度。在本发明中，所述水冷铜模浇铸冷却速度较快，可有效减少或者消除宏观偏析现象，使晶粒细化，获得较好的铸态组织，在经后续处理后提高合金的抗拉强度和导电性。
在本发明中，所述水冷铜模浇铸时水的温度优选为25～27℃，所述水优选为循环水。本发明将水冷铜模浇铸时水的温度和水冷方式限定在上述范围内，能够使得水保持较低的温度，提高冷却速度，进一步提高合金性能。
在本发明中，所述水冷铜模浇铸的温度终点优选为室温。
浇铸完成后，本发明优选将所述浇铸后的产物进行铣面，得到铸锭。本发明对所述铣面的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的铣面的技术方案即可。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭依次进行热轧、固溶处理、淬火、冷轧、时效处理和终轧，得到铜铬合金。
在本发明中，所述热轧的温度优选为850～950℃，更优选为880～920℃，最优选为900℃；所述热轧的道次优选为3～5；所述热轧的总变形量优选为30～50％，更优选为35～45％，最优选为40％。本发明将所述热轧的温度、道次和总变形量限定在上述范围内，能够在合金内部引入大量位错，并在晶界处形成位错塞积，合金再结晶程度增加，晶界处粗大的第二相被破碎，晶粒尺寸减少并消除显微组织的缺陷，使组织密实，进一步提高合金性能。
本发明优选先将所述铸锭加热至热轧的温度进行保温，然后进行热轧。在本发明中，所述保温的时间优选为1～5h，更优选为2～4h，最优选为3h。在本发明中，所述保温能够使得铸锭成分均匀化，进一步提高合金性能。
热轧完成后，本发明优选将所述热轧后的产物进行冷却。
在本发明中，所述冷却优选为空冷至室温。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为950～1100℃，更优选为1000～1050℃；所述固溶处理的时间优选为1～180min，更优选为50～150min，最优选为90～120min。在本发明中，所述固溶处理能够溶解基体内的各相，得到均匀的过饱和固溶体，便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的强化相，同时消除加工时产生的应力，使合金发生再结晶，提高合金性能。本发明将固溶处理的温度和时间限定在上述范围内，能够细化晶粒，消除应力，进一步提高合金性能。
在本发明中，所述淬火优选为水淬；所述水淬的水温优选为25～30℃；所述水淬的时间优选为60～80min，更优选为70～80min。在本发明中，所述淬火能够使合金组织进行转变，提高合金的强度。本发明将淬火的时间和方式限定在上述范围内，能够使得合金组织充分转化，进一步提高合金强度。
在本发明中，所述冷轧的总变形量优选为60～90％，更优选为70～80％；所述冷轧的道次优选为4～6。本发明将冷轧的总变形量和道次限定在上述范围内，能够使合金产生较大的塑性变形，进一步提高合金性能。
在本发明中，所述时效处理的温度优选为400～600℃，更优选为450～550℃，最优选为500℃；所述时效处理的时间优选为1～24h，更优选为5～20h，最优选为10～15h。本发明将时效处理的温度和时间限定在上述范围内，能够消除合金的内应力，稳定组织和尺寸，提高合金性能。
时效处理完成后，本发明优选将所述时效处理后的产物进行冷却。本发明对所述冷却的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却的技术方案即可。
在本发明中，所述终轧的温度优选为20～30℃，更优选为25～30℃；所述终轧的总变形量优选为30～60％，更优选为40～50％；所述终轧的道次优选为3～5。本发明将终轧的总变形量限定在上述范围内，能够改善合金内部缺陷，细化晶粒，提高合金强度。
本发明采用水冷铜模进行浇铸，其冷却速度较快，可有效减少或者消除宏观偏析现象，使晶粒细化，获得较好的铸态组织，添加微合金，能够降低合金元素的固溶度，改变析出相的尺寸、数量、形态及分布，提高合金性能，配合轧制和固溶、时效处理，并控制各步骤的温度等工艺参数，促进Cr相析出及均匀分布，在高铬含量下提供合金的强度和导电性。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的铜铬合金。
本发明制备的铜铬合金具有优异的抗拉强度和导电性。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，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。
实施例1
(1)将电解铜(质量分数99.9％)和纯铬(质量分数99.9％)采用中频电磁感应炉熔炼，其中纯铬和电解铜质量比为6:100，熔炼温度为1350℃，熔化后熔炼5min，将熔化的金属液浇铸到水冷铜模中，冷却至室温后铣面，得到
Figure BDA0003736181110000061
的铸锭，水冷铜模采用25℃的循环水；
(2)将铸锭在900℃保温4h，然后在热轧机上进行4道次，总变形量为40％的变形轧制，将热轧后的材料空冷至室温后装入热处理炉中，在1000℃下保温90min进行固溶处理，然后采用25℃水进行淬火处理75min，将淬火处理后的材料进行4道次、总变形量为80％的冷轧处理，将冷轧后的材料在550℃，保温1h进行时效处理，冷却至室温进行4道次、总变形量为60％的终轧处理，得到铜铬合金Cu-6Cr。
实施例2
在实施例1步骤(1)中待电解铜和纯铬熔化后采用冲入法加入电解铜和纯铬总质量0.05％的Cu-5％Y，然后静置3min，再浇铸到水冷铜模中，其他参数均与实施例1相同，得到Cu-6Cr-0.05Y合金。
实施例3
在实施例1步骤(1)中待电解铜和纯铬熔化后采用冲入法加入电解铜和纯铬总质量0.2％的Cu-5％Y，然后静置3min，再浇铸到水冷铜模中，其他参数均与实施例1相同，得到Cu-6Cr-0.2Y合金。
对比例1
将质量分数94％电解铜、6％纯铬配置成Cu-6Cr合金。采用中频电磁感应炉熔炼按照常规Cu-Cr系材料冶炼工艺熔炼，在1350±10℃范围内浇铸到石墨模中，对浇铸的铸锭进行铣面，之后放置950℃加热，保温120min，之后挤压
Figure BDA0003736181110000071
的杆件，合金线材经过8道次冷拉拔至
Figure BDA0003736181110000072
之后950℃下保温90min进行淬火处理，合金由
Figure BDA0003736181110000073
经10道次冷拉拔达到0.6mm，将二次冷拉拔变形后的合金在500℃时效60min。
采用金相显微镜对实施例1～3和对比例1步骤(1)中的铸锭进行观察，得到的金相图分别如图1～4所示。从图1中可以看出，采用水冷铜模浇铸的Cu-6Cr合金的析出相较石墨模浇铸的Cr相的树枝结构尺寸较小，且分布均匀。从图2中可以看出，稀土Y的添加促使Cr相析出，Cr相团球化，枝晶结构基本消失。与实施例1相比较：Cr相尺寸小、数量多、呈球状颗粒均匀分布于铜基体中。从图3中可以看出，随着Y元素含量增加，促进Cr相的析出，并且有大量的树枝晶结构出现。从图4中可以看出，采用石墨模浇铸的Cu-6Cr合金的析出Cr相含有大量枝晶结构，且Cr相分布不均。
采用金相显微镜对实施例1制备的铜铬合金进行观察，得到的金相图如图5所示。从图5中可以看出，铜铬合金中的Cr纤维相平均尺寸和间距减小，分布更加均匀。
测试实施例1～3和对比例1制备的合金的抗拉强度和导电率，结果列于表1中。
表1实施例1～3和对比例1制备的合金的抗拉强度和导电率
合金成分 抗拉强度(MPa) 导电率(％IACS)
对比例1 562 50.2
实施例1 610 54.8
实施例2 645 59.5
实施例3 658 57.4
从表1中可以看出，采用水冷铜模浇铸制备的合金具有优异的抗拉强度和导电率，微合金的加入能够进一步提高合金的抗拉强度和导电率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铜铬合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将合金原料进行熔炼后浇铸，得到铸锭；所述浇铸为水冷铜模浇铸；
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次进行热轧、固溶处理、淬火、冷轧、时效处理和终轧，得到铜铬合金；
所述铜铬合金中铬的质量含量大于5％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜铬合金中还包括微合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述微合金包括Mg、Ag、Y、La或Ce。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中水冷铜模浇铸时水的温度为25～27℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中热轧的温度为850～950℃，热轧的总变形量为30～50％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中固溶处理的温度为950～1100℃，固溶处理的时间为1～180min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中冷轧的总变形量为60～90％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中时效处理的温度为400～600℃，时效处理的时间为1～24h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中终轧的温度为20～30℃，终轧的总变形量为30～60％。
10.权利要求1～9任意一项所述制备方法制备的铜铬合金。
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