CN116287846A - 一种高强高导铜银合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的高强高导铜银合金的重量百分比组成为：0.5‑12％的Ag，0.1‑1.5％的B，0.1‑2.0％的Mn，余量为Cu和不可避免的杂质。本发明通过在Cu‑Ag合金中同时添加Mn和B元素，在高温下形成高熔点B‑Mn化合物，提高合金的强度，对导电性能的影响很小，并且由于高熔点的硬质B‑Mn化合物的弥散强化与Ag纤维相、Cu基体加工硬化的共同作用，实现合金优异的热稳定性、抗拉强度、硬度、导电性能等综合性能。该合金的抗拉强度在600MPa以上，导电率在65％IACS以上，维氏硬度在200HV以上，在180℃下保温24h后，抗拉强度的降低率不超过8％，可应用于电力、电子、通讯、电磁转换等行业。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金领域，具体是一种高强高导铜银合金及其制备方法。
背景技术
铜合金是一种具有很好导电性能的材料，广泛应用于国民经济的众多领域。近年来随着电子技术的迅猛发展，对铜合金的性能要求越来越高。特别是对电子元器件小型化多功能化的需求，要求铜合金不但有很好的导电性能还要具有很高的强度和很好的成型加工性能。而铜银系列合金作为高强高导铜合金的代表，能够满足上述性能需求，常被应用于高端线束等产品。
铜银系列合金是一种典型的加工硬化型合金，生产过程往往需要进行较大程度的塑性加工，以达到提高力学性能的目的，但对应的导电性能会下降。这是由于铜银合金在加工过程中产生位错堆积，加工率越大，相应的位错堆积的密度越大，合金的强度越高，铜银合金的高强度就来源于此，但同时经过大加工率之后堆积的大量位错并不稳定，在高温工况下，随着温度的上升和时间的延长，其力学性能严重恶化，导致材料失效乃至报废，因而铜银合金的热稳定性不佳，在一些大功率元器件中的应用存在问题。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种具有优异热稳定性的高强高导铜银合金。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高强高导铜银合金，该合金的重量百分比组成为：0.5-12％的Ag，0.1-1.5％的B，0.1-2.0％的Mn，余量为Cu和不可避免的杂质。
本发明合金中Ag作为主要合金元素，通过固溶于铜基体中形成过饱和固溶体，以析出相的形式提高合金的强度、硬度。随着Ag含量的增加，合金的力学性能逐渐提高而导电性逐渐下降，根据加工程度的不同，Ag的析出相还会出现纤维化，进一步提升合金的力学性能。银是已知金属元素中对铜的导电率影响最小的元素。若Ag含量过高，对力学性能的改善极为有限，且因为合金强度和硬度高，造成加工难度的大幅提高和成本的浪费；而若Ag含量过低，析出强化和加工硬化的作用不足，合金强度和硬度不能满足需求。因此本发明合金将Ag的含量控制在0.5-12wt％。
B在铜合金中的溶解度很低，一般作为脱氧剂加入。微量的B元素在铜基体中会以单质形式分布于铜基体的晶界上，使得合金塑性恶化，另一方面却能起到细化晶粒，提高合金强度和硬度的作用。通常在铜合金中用于脱氧和细化组织所用的B元素添加量不超过0.1wt％，因过多的B加入会引起B单质的偏聚，对铜合金的力学性能造成明显的不利影响。而本发明合金中B的含量为0.1-1.5wt％，B更为重要的作用是与Mn产生强烈的相互作用，产生高熔点的B-Mn硬质金属间化合物析出相，以起到弥散强化的作用，提高合金力学性能。若B的含量低于0.1wt％，导致含B的析出相颗粒数量减少，对位错运动的阻力不够，达不到所需的强化效果；若B的含量超过1.5wt％，过高的B含量，会导致含B相的聚集和偏析，从而影响铜合金的力学和加工性能，同时也不利于保持高导电率。
Mn在铜合金中可以无限固溶，通过大量固溶于铜基体中起到固溶强化的作用。Mn元素对铜合金的强度和硬度起到提高作用，同时由于固溶产生的大量晶格畸变也会增强电子的散射作用，大幅降低铜合金的导电率，所以现有的高导电铜合金中往往不含有锰元素。而本发明合金的Mn含量以0.1-2.0wt％为宜，本发明通过添加适量的Mn与B产生强烈的相互作用，产生高熔点的B-Mn硬质金属间化合物析出相，均匀地分布于铜基体中，起到弥散强化的作用，从而在保证合金力学性能的同时，能够改善合金的热稳定性。
作为优选，该合金的重量百分比组成中，B、Mn的重量百分比含量满足：0.1≤Mn/B≤8。本发明合金的热稳定性在很大程度上会受到B、Mn两种元素含量的影响。随着合金加工率增加，合金的位错堆积密度逐渐上升，在高温下的稳定性也随之变差。在合金位错密度堆积的情况下，微量的B分布于铜基体的晶界上，能够缓解基体在加工变形过程中位错密度的过分集中，但过量的B容易在基体中发生偏聚。一定含量的Mn能够促进高熔点的硬质B-Mn化合物形成，避免过多的B以单质的形式聚集于铜基体中；当Mn过多时，Mn的过度固溶又会显著降低合金的导电性能和加工性能。因此本发明将B、Mn的重量百分比含量控制在0.1≤Mn/B≤8。
作为优选，该合金横截面上的B-Mn化合物颗粒的数量为0.005-0.2个/μm2。本发明在Cu-Ag合金的基础上同时添加适量的Mn和B元素，利用B和Mn在高温金属熔体中相互作用形成均匀分布的B-Mn化合物，该B-Mn化合物具有很高的硬度，通过Ag纤维相和铜基体的加工硬化以及硬质B-Mn化合物的弥散强化作用相叠加，进一步提高合金力学性能。另一方面，由于B-Mn化合物为高熔点化合物，熔点超过1800℃，均匀分布于合金基体中能够有效改善合金的热稳定性。
作为优选，该合金的重量百分比组成中还包括含量为0.001-0.5wt％的X元素，X元素选自Mg、Co、Si、Fe、La、Ce、Pr、Nd中的至少一种。上述部分X元素的添加有助于细化晶粒、脱氧除碳，提高合金纯净度，从而改善合金的导电性能，此外，部分X元素还能够通过形变热处理工艺形成析出强化相，促进合金元素析出，提升合金强化效果，使合金具有更高的强度、硬度。当X元素的含量大于等于0.001wt％时能够起到上述强化效果，但如果添加的含量超过0.5wt％，会降低X元素的溶解度极限，粗化析出相的颗粒，降低合金力学性能，反而不利于合金加工应用。因此，本发明将X元素的含量控制在0.001-0.5wt％。
作为优选，该合金的抗拉强度在600MPa以上，导电率在65％IACS以上，维氏硬度在200HV以上，在180℃下保温24h后，抗拉强度的降低率不超过8％。
本发明所要解决的第二个技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种具有优异热稳定性的高强高导铜银合金的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种高强高导铜银合金的制备方法，制备工艺流程包括：熔铸，热加工，固溶处理，时效处理和冷加工。根据最终成品的具体规格，热加工可采用热轧、热锻、挤压等方式，冷加工可采用冷轧、拉伸等方式，此外时效处理和冷加工工序可根据需要调换顺序或重复进行。
作为优选，固溶处理的温度为700-950℃，保温时间为4-6h。为获得均匀、偏析程度小的固溶体组织，需要对固溶处理的温度和保温时间加以控制。由于Ag、Mn、B等元素在Cu中的溶解度随温度升高而增大，因而随温度升高，固溶在基体中的程度也越充分；但若温度过高，会导致组织的过度粗大，以及熔点较低的组织和晶界熔化，影响合金的性能。本发明将固溶处理的保温时间控制在4-6h，以保证Ag充分固溶，另一方面，给予B和Mn充足的时间在基体中扩散，有效地降低B在铜基体及晶界上偏聚的倾向，并且能够为后续时效处理过程中B-Mn化合物的析出提供良好的条件。若保温时间过短，固溶和扩散效果不足；若保温时间过长，固溶原子的电散射作用过大，造成合金导电性能的急剧降低。因此本发明将固溶温度控制在700-950℃，保温时间控制在4-6h，以获得均匀、偏析程度小的固溶体组织，同时为后续的时效析出提供充足的动力。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明通过在Cu-Ag合金中同时添加Mn和B元素，利用B与Mn在高温下形成高熔点B-Mn化合物的特点，改进了B在合金中容易发生偏聚的问题，提高了合金的强度，而对导电性能的影响很小。
(2)本发明通过Mn和B的相互作用，在高温铜熔体中形成高熔点的硬质B-Mn化合物，通过B-Mn化合物的弥散强化与Ag纤维相、Cu基体加工硬化的共同作用，实现对合金的强化作用，最终实现合金优异的热稳定性、抗拉强度、硬度、导电性能等综合性能。
(3)本发明合金可以实现抗拉强度在600MPa以上，导电率在65％IACS以上，维氏硬度在200HV以上，在180℃下保温24h后，抗拉强度的降低率不超过8％的性能；在具有高强度和高导电性能的同时还兼具优异的热稳定性，可应用于电力、电子、通讯、电磁转换等行业。
附图说明
图1为实施例4的线材样品的扫描电镜图。
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。
按实施例1-15、对比例1-4的成分配料并制备
的合金线材，制备流程为熔铸→挤压→固溶处理→时效处理→拉伸→成品，包括下列步骤：
(1)根据表1的各实施例及对比例成分进行配料，在1200-1400℃下进行熔炼，检测熔体成分合格后铸成厚度100-300mm的铸锭；
(2)将上述铸锭以不小于75％的加工率在700-980℃下进行挤压，得到Ф20-70mm线坯；
(3)挤压后以700-950℃的固溶温度，保温4-6h进行固溶处理，随后进行水冷或气冷处理，冷却速度控制在100-1000℃/s；
(4)将固溶处理后的线坯在350-600℃，保温时间3-12h进行时效处理；
(5)冷却后进行减径拉伸，加工率不小于70％，最终得到Ф5mm的线材样品。
对于得到的线材样品，在以下条件下进行特性评价。
抗拉强度：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测试线材样品的抗拉强度。
导电率：采用《GB/T 32791-2016铜及铜合金导电率涡流测试方法》，测试线材样品的导电率。
维氏硬度：按照《GB-T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，在数显维氏硬度计上进行线材样品的硬度测试，测定条件为：动力49.03N，动力保持时间10s。
热稳定性：将线材样品加热至180℃，保温24h后冷却至室温，测量抗拉强度，并计算抗拉强度的降低率，计算公式为：(原始强度－加热后强度)÷原始强度)×100％，用于评价热稳定性。
B-Mn化合物颗粒的数量：使用扫描电镜观察线材样品的微观组织结构，在10μm×10μm的视场条件下选取10个视场进行观察，计算同时含有B和Mn的粒状物数量，将长径在1μm以上的粒状物认定为B-Mn化合物颗粒，并计算其数量平均值。
实施例1-15、对比例1-4的合金成分见表1，性能见表2。
图1为实施例4的线材样品的扫描电镜图，可以发现B-Mn化合物以较小尺寸的颗粒形式均匀弥散地分布于基体中。图1中“谱图1”点处的能谱分析结果见表3。
通过本发明合金实施例与对比例合金的综合性能对比发现，本发明合金表现出优异的抗拉强度、硬度、导电性能等综合性能，同时具有优异的热稳定性，其抗拉强度在600MPa以上，导电率在65％IACS以上，维氏硬度在200HV以上，在180℃下保温24h后，抗拉强度的降低率不超过8％，说明在具有高强度和高导电性能的同时还兼具优异的热稳定性能。
表1实施例及对比例合金的成分
表2实施例及对比例合金的性能
表3实施例4的线材样品的能谱分析结果
| 元素 | wt％ | 原子百分比 |
| B | 15.15 | 49.80 |
| Mn | 38.39 | 24.84 |
| Cu | 43.69 | 24.44 |
| Ag | 2.78 | 0.91 |
| 总量 | 100.00 | 100.00 |
Claims (8)
1.一种高强高导铜银合金，其特征在于，该合金的重量百分比组成为：0.5-12％的Ag，0.1-1.5％的B，0.1-2.0％的Mn，余量为Cu和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强高导铜银合金，其特征在于，该合金的重量百分比组成中，B、Mn的重量百分比含量满足：0.1≤Mn/B≤8。
3.根据权利要求1所述的高强高导铜银合金，其特征在于，该合金的微观组织中含有B-Mn化合物颗粒。
4.根据权利要求3所述的高强高导铜银合金，其特征在于，该合金横截面上的B-Mn化合物颗粒的数量为0.005-0.2个/μm2。
5.根据权利要求1所述的高强高导铜银合金，其特征在于，其特征在于，该合金的重量百分比组成中还包括含量为0.001-0.5wt％的X元素，X元素选自Mg、Co、Si、Fe、La、Ce、Pr、Nd中的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的高强高导铜银合金，其特征在于，该合金的抗拉强度在600MPa以上，导电率在65％IACS以上，维氏硬度在200HV以上，在180℃下保温24h后，抗拉强度的降低率不超过8％。
7.权利要求1-5中任一项所述的高强高导铜银合金的制备方法，其特征在于，制备工艺流程包括：熔铸，热加工，固溶处理，时效处理和冷加工。
8.根据权利要求7所述的高强高导铜银合金的制备方法，其特征在于，固溶处理的温度为700-950℃，保温时间为4-6h。
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2023
- 2023-02-17 CN CN202310126096.5A patent/CN116287846A/zh active Pending
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