CN115198133A

CN115198133A - 一种高强耐热导电铜合金管材及其制备方法

Info

Publication number: CN115198133A
Application number: CN202210638997.8A
Authority: CN
Inventors: 李航; 张忠涛; 杨帆; 牛冬涛
Original assignee: Zhongke Jinlong Metal Material Development Co ltd; Taiyuan University of Technology; Golden Dragon Precise Copper Tube Group Inc
Current assignee: Zhongke Jinlong Metal Material Development Co ltd; Taiyuan University of Technology; Golden Dragon Precise Copper Tube Group Inc
Priority date: 2022-06-07
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2042-06-07
Also published as: CN115198133B

Abstract

本发明公开了一种高强耐热导电铜合金管材及其制备方法，包括一定重量配比的如下各组分：Co、Ti、Te、Fe、P，余量为Cu；制备方法包括非真空熔炼；均匀化处理；行星轧制；拉拔；时效处理。得到基体中沉淀析出的Cu₂Te颗粒致密分布和Fe₂P颗粒弥散分布的微观组织；本发明的铜合金管材具有高的强度、优异的耐热性以及良好的导电性。

Description

一种高强耐热导电铜合金管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及导电铜合金管材技术领域，具体涉及一种高强耐热导电铜合金管材及其制备方法。

背景技术

重量轻、强度高且有着良好的导热、导电、耐蚀及加工性能的铜合金管被广泛应用于机械、电工、电子等领域各种装置的导电元件及仪器用管。目前以纯铜为基体添加一种或几种其他元素所得到的铜合金是这些领域广泛使用的铜管材料，但是随着各个行业迅速发展，铜管的应用场景不断拓展，对其强度和耐热性的要求不断提高，传统的铜管材料已经难以满足要求，特别是当需要在较高温度环境下暴露或者加工处理时铜管可能会发生高温软化从而可靠性发生下降。因此开发出一种新型高强耐热的导电铜合金管材具有广泛的市场需求和重要的实际意义。

沉淀强化和形变强化均可以有效提高铜合金的强度和耐热性能。对于沉淀强化而言选用合适的沉淀相是关键，大的塑性变形可以产生更高的加工硬化，并且形成更高的位错密度有助于沉淀强化相的析出，但是铜管在经过大的塑性变形时容易产生起皱、裂纹等缺陷。综上，考虑联合添加多种微量的合金元素，旨在设计出一种具有高再结晶温度、低层错能且有利于沉淀析出的Cu合金，通过大的塑性变形和时效处理，从而获得具有高强度和优良耐热性的导电铜管材料。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高强耐热导电铜合金管材及其制备方法，具有高强度，高的抗软化温度，良好的导电率，同时具有良好的耐蚀性和表面质量，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强耐热导电铜合金管材，其合金化学成分按照重量百分比为：Co：0.1～0.2％，Ti：0.03～0.05％，Te：0.35～0.5％，Fe：0.06～0.10％，P：0.03～0.05％，余量为Cu。

优选的，所述高强耐热导电铜合金管材的抗拉强度为440～480Mpa，屈服强度为320～360MPa，导电率为59～65％IACS，抗软化温度为540～570℃。

另外，为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种高强耐热导电铜合金管材的制备方法，包括如下步骤：

S1、将纯铜在高温下熔化，使用木炭和石墨粉混合覆盖，保温10min，逐次加入纯Co、Ti、Te，Cu-Fe和Cu-P中间合金，每次加料后保温5-10min；

S2、将完全熔化的熔体进行搅拌，随后加入精炼剂滤除浮渣，再将温度降至1150℃浇注到钢模具得到管坯试样；

S3、对管坯试样进行退火处理，后送入三辊行星轧机进行轧制，再通过多道次拉拔调整铜管的壁厚及直径；

S4、进行时效处理得到高强耐热导电铜合金管材。

优选的，所述步骤S1中将纯铜在高温下熔化，是指将纯铜在1200～1250℃下熔化。

优选的，所述步骤S1中纯Co、Ti、Te，Cu-Fe和Cu-P中间合金在加入前，要进行表面清洗去除杂质，具体是先置于丙酮中进行超声清洗去除表面杂质，随后在烘干箱中加热到120℃保温1h。

优选的，所述步骤S3的退火处理为均匀化退火处理，温度为850℃，保温2h。

优选的，所述步骤S3中行星轧机进行轧制时，温度为680～700℃，轧制变形量为90％～92％。

优选的，所述步骤S3中多道次拉拔时，温度为室温，拉拔速度为18～20m/min，拉拔总道次为3～4次，总变形量为75～80％。

优选的，所述步骤S4中的时效处理是在450℃保温3～4h，空冷至室温。

本发明的有益效果是：本发明成分的铜合金具有高的再结晶温度和低的层错能，通过普通的非真空熔炼、行星轧制、拉拔、时效处理等常规的工艺手段，得到基体中Cu₂Te颗粒致密分布和Fe₂P颗粒弥散分布的铜管微观组织，从而使铜合金管材实现高强度、高的抗软化温度和良好的导电性。本发明可以满足目前机械、电工、电子等各个行业对高强耐热导电铜管的要求，对于扩展铜管材料的应用领域具有重要意义，也为铜合金管材行业提供更多一种可选择的材料。

附图说明

图1为本发明方法制备流程图；

图2是本发明实例1中铜合金管材在拉拔变形后的金相组织图；

图3是本发明实例1中铜合金管材在时效处理后的金相组织图；

图4是本发明实例1铜合金管材中沉淀析出相的SEM观察图；

图5是本发明实例1和实例2两种铜合金管材的显微硬度随退火温度的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。

对于沉淀强化而言选用合适的沉淀相是关键，Cu₂Te相导电性优异但是质软，Fe₂P相具有高硬度，且Te和Fe元素在Cu中固溶度很小，只需微量的添加便可以沉淀析出，因此在Cu基体中同时生成致密分布的Cu₂Te颗粒和弥散分布的Fe₂P颗粒，不仅对合金导电性影响较小，其协同作用可以显著提高合金的强度和抗高温软化性能。此外，大的塑性变形可以产生更高的加工硬化，并且形成更高的位错密度有助于沉淀强化相的析出，但是铜管在经过大的塑性变形时容易产生起皱、裂纹等缺陷。而部分高熔点元素如Co、Ti等既可以显著提高Cu的再结晶温度，还可以降低Cu合金的层错能，促使其在变形时由滑移机制转变为以滑移和孪生共同作用机制，从而使材料的塑性变形能力能得到极大提升。

因此，考虑联合添加多种微量的合金元素，本发明提供了一种高强耐热导电铜合金管材，其合金化学成分按照重量百分比为：Co：0.1～0.2％，Ti：0.03～0.05％，Te：0.35～0.5％，Fe：0.06～0.10％，P：0.03～0.05％，余量为Cu。其制备方法流程如图1所示，包括非真空熔炼、均匀化处理、行星轧制、拉拔、时效处理。

实施例1

一种高强耐热导电铜合金管材，合金成分为：Co：0.2％，Ti：0.05％，Te：0.5％，Fe：0.1％，P：0.05％，余量为铜。

本实施例中高强耐热导电铜合金管材的制备方法为：

S1：计算并称量纯Cu(纯度≥99.9％)，纯Co(纯度≥99.9％)，纯Ti(纯度≥99.9％)，纯Te(纯度≥99.9％)，Cu-10Fe中间合金(Fe含量为9.9～10.1％)，Cu-14P中间合金(P含量为13.8～14.2％)，将原料置于丙酮中进行超声清洗去除表面杂质，随后在烘干箱中加热到120℃保温1h。

S2：将纯Cu放置于石墨坩埚中，使用中频感应炉加热到1200℃进行熔化，Cu液表面使用木炭和石墨粉混合覆盖，保温10min，按顺序加入纯Co、纯Ti、纯Te、Cu-10Fe和Cu-14P中间合金，每次加料后保温8min。

S3：待合金完全熔化以后使用高纯石墨棒进行搅拌，随后加入商用精炼剂，将浮至铜液表面的氧化渣去除，然后待铜液温度下降到1150℃浇注到钢模具中得到外径75mm，壁厚15mm，高度180mm的管坯试样，钢模具提前预热到200℃。

S4：将试样进行均匀化退火，温度为850℃，保温2h，随后炉冷。将退火后的试样表面进行铣面，随后将试样加热到700℃使用三辊行星轧机进行轧制，轧后的管材外径为35mm，壁厚为3mm。

S5：将管材在室温下进行三道次的联合拉拔变形，每道次拉拔后管材尺寸分别为外径28mm，壁厚2.4mm；外径21mm，壁厚1.8mm；外径15mm，壁厚1.5mm，拉拔速度均为20m/min。

S6：将管材试样进行时效处理，温度为450℃，保温4h，空冷至室温。最终得到高强耐热导电铜合金管材。

本实施例所述高强耐热导电铜合金管材的抗拉强度为480MPa、屈服强度为360MPa，导电率为59％IACS，抗软化温度为570℃。

实施例2

一种高强耐热导电铜合金管材，合金成分为：Co：0.1％，Ti：0.03％，Te：0.35％，Fe：0.06％，P：0.03％，余量为铜。

其制备方法与实施例1相同，本实施例所述高强耐热导电铜合金管材的抗拉强度为440MPa、屈服强度可达320MPa，导电率为65％IACS，抗软化温度为540℃。

图2为实施例1制备的高强耐热导电铜合金管材在拉拔变形后的金相照片，从图中可以看出，合金具有沿着拉拔方向的细长晶粒，晶粒长度约为60-100μm，晶粒宽度约为8-10μm，晶粒内部可以观察到大量的滑移带和许多形变孪晶，表明合金具有良好的变形能力。

图3为时效处理后铜合金管材的金相照片，可以观察到发生再结晶的等轴晶粒，且晶内和晶界处存在大量的析出相颗粒。图4为铜合金管材中沉淀析出相的SEM观察图，可以发现基体中析出相(Cu₂Te相和Fe₂P相)颗粒弥散均匀分布，其中尺寸较小的颗粒为Cu₂Te相，粒径约为10～20nm，较大的颗粒为Fe₂P相，粒径约为30～40nm。表明铜管材料在经过大的塑性变形和时效处理后，在微观组织中能够有效析出大量纳米尺寸的Cu₂Te和Fe₂P颗粒。在受到外应力作用时，致密分布的Cu₂Te颗粒和弥散分布的Fe₂P颗粒能够阻碍位错运动产生沉淀强化，从而使铜管材料实现高的强度和高的抗软化温度。此外，纳米尺寸的Cu₂Te和Fe₂P颗粒对材料电子散射作用的影响较小，且Cu₂Te相自身导电性优异，所以获得的铜管材料具有良好的导电性。

图5为实施例1和实施例2所述铜合金管材在不同温度进行退火处理，保温1h，然后测得显微硬度随退火温度的变化曲线。实施例1铜合金管材的室温显微硬度为157.6HV，退火温度为570℃时硬度下降为127.3HV。实施例2铜合金管材的室温显微硬度为151.2HV，退火温度为540℃时显微硬度下降为122.1HV。

本发明通过大的塑性变形和时效处理，从而获得具有高强度和优良耐热性的导电铜管材料，可以满足目前机械、电工、电子等各个行业对高强耐热导电铜管的要求，对于扩展铜管材料的应用领域具有重要意义，也为铜合金管材行业提供更多一种可选择的材料。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高强耐热导电铜合金管材，其特征在于，其合金化学成分按照重量百分比为：Co：0.1～0.2％，Ti：0.03～0.05％，Te：0.35～0.5％，Fe：0.06～0.10％，P：0.03～0.05％，余量为Cu。

2.根据权利要求1所述的高强耐热导电铜合金管材，其特征在于：所述高强耐热导电铜合金管材的抗拉强度为440～480Mpa，屈服强度为320～360MPa，导电率为59～65％IACS，抗软化温度为540～570℃。

3.一种根据权利要求1～2中任一项所述高强耐热导电铜合金管材的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S4、进行时效处理得到高强耐热导电铜合金管材。

4.根据权利要求3所述的高强耐热导电铜合金管材的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中将纯铜在高温下熔化，是指将纯铜在1200～1250℃下熔化。

5.根据权利要求3所述的高强耐热导电铜合金管材的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中纯Co、Ti、Te，Cu-Fe和Cu-P中间合金在加入前，要进行表面清洗去除杂质，具体是先置于丙酮中进行超声清洗去除表面杂质，随后在烘干箱中加热到120℃保温1h。

6.根据权利要求3所述的高强耐热导电铜合金管材的制备方法，其特征在于：所述步骤S3的退火处理为均匀化退火处理，温度为850℃，保温2h。

7.根据权利要求3所述的高强耐热导电铜合金管材的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中行星轧机进行轧制时，温度为680～700℃，轧制变形量为90％～92％。

8.根据权利要求3所述的高强耐热导电铜合金管材的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中多道次拉拔时，温度为室温，拉拔速度为18～20m/min，拉拔总道次为3～4次，总变形量为75～80％。

9.根据权利要求3所述的高强耐热导电铜合金管材的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中的时效处理是在450℃保温3～4h，空冷至室温。