CN115125413B

CN115125413B - 一种综合性能优异的铜合金带材及其制备方法

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Publication number: CN115125413B
Application number: CN202210772085.XA
Authority: CN
Inventors: 华称文; 罗金宝; 巢国辉; 傅杰; 郑良玉; 项燕龙; 种腾飞; 唐国红
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2042-06-30
Also published as: CN115125413A

Abstract

本发明公开了一种综合性能优异的铜合金带材，其特征在于，该铜合金的质量百分组成为：0.1～0.6wt％的Cr，0.01～0.06wt％的Ti，0.01～0.06wt％的Si，余量为Cu和不可避免的杂质。本发明通过控制Cr、Ti与Si的含量，析出的沉淀相起弥散强化作用，从而获得良好的抗拉强度、屈服强度、弹性模量和耐热性能，综合性能优异，完全满足高速电机大驱动、大功率的端环材料要求。

Description

一种综合性能优异的铜合金带材及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种综合性能优异的铜合金带材及其制备方法。

背景技术

随着电气化时代到来，新能源汽车、高速列车等对动力牵引系统异步电机性能提出了大驱动、大功率的高要求。端环材料作为异步电机中的关键零部件，在异步电机中与转子导条连接形成转子绕组，用来实现电能与机械能、机械能与电能的转换，直接影响了电车的动力效果。

一般情况下，端环材料要求具有高硬度、强度和高导电性能，以此保障电机在旋转的电子磁场中输出充足的转矩和动力，同时考虑到冲压等加工，也要求有良好的塑性。此外，端环材料在连接过程中经过银焊或铜焊时，需要升温至560℃以上才可能焊接，焊接过程中内部金相组织容易发生变化，使晶粒变粗，机械强度降低，严重时出现断裂。因此，耐高温性能也是端环材料所重点关注的。

现有电动交通异步三相电机多为鼠笼式电机，其中的端环材料大多使用纯铜材料，也有部分使用铜铬、铜锆和铜铬锆等合金材料，其综合性能要求还无法完全满足电机大驱动、大功率的潜在要求。如纯铜材料作为异步电机端环材料，因其强度、硬度相对较低，缺点在于在旋转的电子磁场中输出转矩较小，动力不够。铜铬、铜锆等合金材料作为异步电机端环材料，导电率只有纯铜的80％，导电率较低。同时抗高温软化温度仅有550℃左右，无法有效保证电机的使用寿命。因此，为满足产品及市场需求，急需要发开出导电性能优、强度硬度较高、耐高温性能优等综合性能优异的端环材料。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高硬度、强度、导电率和软化温度等综合性能优异的铜合金带材。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种综合性能优异的铜合金带材，其特征在于，该铜合金的质量百分组成为：0.1～0.6wt％的Cr，0.01～0.06wt％的Ti，0.01～0.06wt％的Si，余量为Cu和不可避免的杂质。

本发明添加0.1～0.6wt％的Cr元素。Cr经过时效退火作用析出Cr粒子，产生时效硬化，提高硬度、强度和耐热性能，同时有利于导电性增加。另外，Cr粒子通过晶界的第二相钉扎来抑制晶粒生长，有利于组织晶粒细化及均匀性。但Cr含量高，超过在铜合金中的最大固溶度极限，极易产生粗大的第二相沉淀物，不仅不会更进一步增加合金硬度、强度，损失导电率，还会影响了铜合金的表面质量和电镀特性。因此，为获得这些有益效果，将Cr含量控制在0.1～0.6wt％。

本发明添加0.01～0.06wt％的Ti元素。Ti元素在铜合金中可以提高合金硬度、强度和耐热性能，同时有增强抗应力松弛性能作用。但过多的Ti对合金的导电率有不利的影响，且影响明显。因此，为获得合适的导电率和强度、耐热性能，将Ti含量控制在0.01～0.06wt％。

本发明添加0.01～0.06wt％的Si元素。Si不仅可以增强铜合金的合金强度和抗应力松弛性能，同时可以起到细化组织晶粒的作用。但Si的添加会影响合金的导电性能。因此，为保证最佳的综合性能，将Si含量控制在0.01～0.06wt％。

作为优选，该铜合金还包括0.001～0.05wt％Co，0.001～0.05wt％Ni，0.001～0.05wt％Mg。

Co可以增加合金的强度并且增强晶粒细化，有利于合金弯曲成形性。此外，Co与Si结合会形成钴硅沉淀相使合金发生时效强化，抑制晶粒长大，Co与Cu形成一种抗高温化合物，有利于提高合金的耐热性能和抗应力松弛性能。但是，过量的Co会明显降低导电率。因此，为保证最佳的综合性能，将Co含量控制在0.001～0.05wt％。

Ni可以降低Co在铜中的溶解度，同时也可以与Si形成镍硅沉淀相，抑制晶粒长大，但过多的Ni会使合金中出现β相，严重影响着合金的抗应力松弛和疲劳性能，因此，为保证最佳的综合性能，将Ni含量控制在0.001～0.05wt％。

Mg具有脱氧、脱硫以及提高合金耐应力松弛性能的效果，同时对合金的导电性的影响较小，在一定程度上也可提高合金的的加工硬化效果，但如果Mg含量过大，易导致合金的铸造性能及弯曲加工性能下降，并且过量的Mg会明显降低导电率。因此，为保证最佳的综合性能，将Mg含量控制在0.001～0.05wt％。

作为优选，该铜合金还包括0.001～0.01wt％的M，所述M选自包括V、Mo、Sb、Y、Ce、Sm和La中的至少一种。添加V、Mo、Sb、Y、Ce、Sm和La元素均为细化晶粒、增强合金强度和耐热性能的作用，当其含量低于0.001wt％时细化晶粒和耐热性能提升效果不明显，但含量高于0.01wt％时不利于合金的导电性能。因此，添加0.001～0.01wt％的M。

作为优选，该铜合金带材含有黄铜织构、铜型织构和立方织构，所述黄铜织构的面积占比为5～15％、铜型织构的面积占比为5～15％、立方织构的面积占比为25～45％。

黄铜织构、铜型织构因施密特因子最小，其临界变形力最大，直接影响了铜合金的强度、耐热性能，当黄铜织构、铜型织构比例较高时，带材的强度、耐热性能较好，反之较差。当立方织构比例较高时，带材的冲压、折弯等加工性能较好，反之较差。当黄铜织构、铜型织构的面积占比均在5％以下时，带材的屈服强度低于460MPa，软化温度小于620℃；当黄铜织构、铜型织构的面积占比均超过15％时，端环材料在冲压加工过程中容易出现变形翘曲，严重时开裂。因此，本发明中黄铜织构的面积占比为5～15％、铜型织构的面积占比为5～15％范围内为最佳。

本发明铜合金端环材料既要求具有良好的屈服强度和软化温度，也要确保带材在下游客户处冲压加工时平整度良好且不开裂，因此须控制本发明铜合金端环材料中的立方织构含量。当本发明的铜合金带材的立方织构的面积占比为25％～45％且黄铜织构的面积占比为5～15％、铜型织构的面积占比为5～15％时，本发明的铜合金端环材料在保证具有良好的冲压加工性能的同时，铜合金端环材料的屈服强度要在460MPa以上、软化温度在620℃以上。

作为优选，所述立方织构、黄铜织构与铜型织构的面积占比满足：1.0≤a/(b+c)≤1.5，其中a为立方织构的面积占比，b为黄铜织构的面积占比，c为铜型织构的面积占比。合金中的黄铜织构、铜型织构和立方织构的面积占比对材料的综合性能有直接的影响。当立方织构、黄铜织构、铜型织构的面积占比a/(b+c)＜1.0时，由于立方织构的占比偏低，导致冲压加工性能变差；当立方织构、黄铜织构、铜型织构的面积占比a/(b+c)＞1.5时，虽然带材的加工性能非常优异，但带材的力学性能会变差。只有当立方织构、黄铜织构、铜型织构的面积占比满足1.0≤a/(b+c)≤1.5时，本发明的端环材料既有良好的冲压加工性能，又具有高的力学性能。

作为优选，该铜合金的硬度≥160HV，抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥460MPa，，延伸率≥8％，电导率≥48MS/m，软化温度≥620℃，弹性模量≥140GPa；在90°折弯时，好方向R/t值为0，坏方向R/t值为0.5，抗应力松弛性能在150℃下保温24小时，应力松弛率≤8％。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种综合性能优异的铜合金带材的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种综合性能优异的铜合金带材的制备方法，其特征在于，该铜合金的制备工艺流程包括：配料→半连续铸造→热轧→冷轧→时效退火；所述热轧的初轧温度为950～1000℃，热轧总加工率≥90％，热轧后进行在线淬火，淬火温度为720～800℃，淬火后自然冷却至室温；淬火后带材中立方织构的面积占比在30％以上。

在制备过程中，合金的织构会随着工艺的进程发生转变。在热轧加工过程中会形成铜型织构，在进行后续的高温固溶淬火时，部分铜型织构会转化成立方织构，在进行后续的冷轧加工时，剩下的铜型织构会转化成黄铜织构，然后再进行时效退火处理时，立方织构会向黄铜织构及铜型织构转化。因此，控制整个形变、热处理过程中的，材料立方织构、黄铜织构、铜型织构的面积占比变化关系，才能获得综合性能优异的带材。

热轧过程通过产生一定的畸变能，从而控制组织织构，影响最终的产品性能。本发明铜合金材料的热轧初轧温度控制在950～1000℃。热轧初轧温度低于950℃时，热轧过程中铜合金中的滑移系减少，无法产生足够占比的铜型织构，不利于固溶后转化特定占比的立方织构；热轧初轧温度高于1000℃时，铸锭会出现过热或过烧现象，使铜合金的晶粒过分粗大或出现局部熔化现象。

淬火温度控制在720～800℃，目的是确保Cr、Ti、Si等溶质原子全部固溶进入铜基体中形成过饱和固溶体，便于后续时效过程中析出足够多的弥散分布的沉淀相。当淬火温度低于720℃时，溶质原子未完全溶于铜基体中，剩余的析出物粒子会影响变形均匀性，甚至会造成轧制开裂；当淬火温度高于800℃时，会导致晶粒过分粗大，影响带材的冲压加工性能。因此，热轧初轧温度为950～1000℃，终轧后进行在线淬火，淬火温度为720～800℃，淬火后自然冷却至室温。

热轧总加工率在90％以上，目的是使热轧过程中形成合适的畸变能，确保产生形成特定占比的铜型织构，便于在固溶并淬火处理后，形成适量占比的立方织构。当热轧总加工率小于90％时，畸变能不足，无法形成特定占比的铜型织构，从而影响立方织构的转化。因此，热轧总加工率≥90％，热轧、淬火后带材中立方织构的面积占比在30％以上。

作为优选，所述冷轧的总加工率≥80％，轧制后带材的黄铜织构的面积占比在10％以上。

冷轧的总加工率低于80％，则无法为时效退火处理储备足够的内能，影响时效效果，导致带材的导电率低于46MS/m，强度小于480MPa。同时无法完成固溶时产生的铜型织构向黄铜织构的顺利转化，从而影响最终产品的黄铜织构、铜型织构和立方织构面积占比，不利于获得综合性能优异的端环材料。

作为优选，所述时效退火温度为400～500℃，退火时间为6～10h，其作用是使过饱和固溶体发生固态相变，析出形成NixSiy、CoxSiy、CuxTiy等弥散强化相。当时效退火温度低于400℃时，溶质原子扩散速度较慢，无法从过饱和固溶体中析出需要的沉淀相数量；当时效退火温度高于500℃时，时效析出的沉淀相颗粒会发生长大，导致沉淀相颗粒数量减少，不利于力学性能和导电率的提高。同时，本发明中时效保温时间为6～10h，如果保温时间低于6h，无法形成足够多的时效沉淀相粒子，对力学性能不利；如果保温时间超过10h，则时效析出的沉淀相都会过度长大，导致协同强化效果变差，从而导致带材的力学性能下降。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1)本发明通过控制Cr、Ti与Si的含量，析出的沉淀相起弥散强化作用，从而获得良好的抗拉强度、屈服强度、弹性模量和耐热性能，实现铜合金带材的硬度≥160HV，抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥460MPa，延伸率≥8％，电导率≥48MS/m，软化温度≥620℃，弹性模量≥140GPa；在90°折弯时，好方向R/t值为0，坏方向R/t值为0.5，抗应力松弛性能在150℃下保温24小时，应力松弛率≤8％；综合性能优异，完全满足高速电机大驱动、大功率的端环材料要求。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

选取14个实施例合金按照本发明制备方法制备带材，具体成分见表1，制备工艺流程为：配料→半连续铸造→锯切→热轧→铣面→一次冷轧→剪边→清洗→二次冷轧→时效退火→清洗→剪切→定尺，具体制备方法为：

1)配料：按照表1的成分进行配料；

2)半连续铸造：熔炼温度为1280℃，铸造温度为1230℃，铸锭规格为180×420mm；

3)锯切：锯切后获得180×420×4500mm规格铸锭；

4)热轧：初轧温度为950～1000℃，热轧后进行在线淬火，淬火温度为720～800℃，淬火后自然冷却至室温；

5)铣面：上、下各铣面0.5mm，侧面各铣面1.0mm；

6)一次冷轧：采用四辊轧机进行一次冷轧；

7)剪边：边部各厚剪6mm；

8)清洗：清洗速度为80m/min，采用800～1500目数特殊研磨颗粒的不织布刷子进行研磨；

9)二次冷轧：采用六辊轧机进行中轧，一次冷轧、二次冷轧的总加工率为≥80％；

10)时效退火：时效退火温度为400～500℃，保温时间为6～10h；

11)清洗：清洗速度为50m/min，采用2000～3000目数特殊研磨颗粒的不织布刷子进行研磨；

12)剪切：剪切后平整度小于≤0.1mm/m(冲压前平整度)；

13)定尺：按端环冲压进料尺寸进行定尺横剪；

本实施例中，冷轧分两次，即一次冷轧、二次冷轧。

具体工艺参数控制见表2。

对比例为C18150，具体成分见表1。

对于制备得到的14个实施例及对比例合金进行室温拉伸力学性能、导电率、弹性模量、耐热性能、90°折弯和抗应力松弛等性能检测，同时采用EBSD分析实施例带材的微观组织，具体数据见表3。

室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，在电子万能力学性能试验机上进行测试，采用宽度为20mm带头试样，拉伸速度为5mm/min。

导电率测试试验按照《GB/T 32791-2016铜及铜合金导电率涡流测试方法》在涡流计上进行测试。

耐热性能试验按照《YS/T 466-2003铜板带箔材耐热性能试验方法》取10mm×10mm尺寸的小片作为测试用样品，进行耐热性能(耐高温软化温度)测试。

弹性模量试验按照GB/T 22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》测试铜合金的弹性模量。

折弯性能测试按照《GB/T232-2010金属材料弯曲试验方法》通过对应弯曲模具在万能试验机上进行，样品宽度为10mm，长度为50mm。

抗应力松弛试验按照GB/T 10120-2013《金属材料拉伸应力松弛试验方法》规定的试验方法，测试铜合金在150℃温度下加热24h的抗应力松弛率。

通过表4可以得出，本发明铜合金带材的硬度≥160HV，抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥460MPa，，延伸率≥8％，电导率≥48MS/m，软化温度≥620℃，弹性模量≥140GPa；在90°折弯时，好方向(弯曲方向与轧制方向垂直)R/t值为0，坏方向(弯曲方向与轧制方向平行)R/t值为0.5，抗应力松弛性能在150℃下保温24小时，应力松弛率≤8％，以上性能完全满足电机大驱动、大功率端环材料的潜在要求。

表1本发明实施例、对比例的成分

表2本发明实施例的关键工艺参数控制

表3本发明实施例的微观组织

表4本发明实施例、对比例的性能

Claims

1.一种综合性能优异的铜合金带材，其特征在于，该铜合金的质量百分组成为：0.1～0.6wt％的Cr，0.01<Ti≦0.06 wt％，0.01<Si≦0.06wt％，余量为Cu和不可避免的杂质；

所述铜合金带材含有黄铜织构、铜型织构和立方织构，所述黄铜织构的面积占比为5～15％、铜型织构的面积占比为5～15％、立方织构的面积占比为25～45％；

所述铜合金的制备工艺流程包括：配料→半连续铸造→热轧→冷轧→时效退火；所述热轧的初轧温度为950～1000℃，热轧总加工率≥90%，热轧后进行在线淬火，淬火温度为720～800℃，淬火后自然冷却至室温；淬火后带材中立方织构的面积占比在30％以上；

所述轧制的总加工率≥80%，轧制后带材的黄铜织构的面积占比在10％以上；

所述退火温度为400～500℃，退火时间为6～10h。

2.根据权利要求1所述的综合性能优异的铜合金带材，其特征在于，该铜合金还包括0.001～0.05wt％Co，0.001～0.05wt％Ni，0.001～0.05wt％Mg。

3.根据权利要求1所述的综合性能优异的铜合金带材，其特征在于，该铜合金还包括0.001～0.01wt%的M，所述M选自包括V、Mo、Sb、Y、Ce、Sm和La中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的综合性能优异的铜合金带材，其特征在于，所述立方织构、黄铜织构与铜型织构的面积占比满足：1.0≤a/(b+c)≤1.5，其中a为立方织构的面积占比，b为黄铜织构的面积占比，c为铜型织构的面积占比。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的综合性能优异的铜合金带材，其特征在于，该铜合金的硬度≥160HV，抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥460MPa，延伸率≥8%，电导率≥48MS/m，软化温度≥620℃，弹性模量≥140GPa；在90°折弯时，好方向R/t值为0，坏方向R/t值为0.5，抗应力松弛性能在150℃下保温24小时，应力松弛率≤8％。