专利名称：用于焊机电极的高强度、高导电性铜合金的制作方法
技术领域：
本发明属于铜合金领域，特别涉及一种用于焊机电极的高强度、高导电率铜合金。
背景技术：
冷轧带钢在进入轧机轧制前，必须用焊机把两卷带钢的头尾焊接起来。电极是焊机焊接过程中的关键材料，其作用是对被焊件同时提供电流和压力。焊接时，由于被焊件的不同规格和要求，电极上通过的电流从数十安培到数万安培，压力从几百牛顿到几万牛顿，而且是在电流通过产生高温的同时承受压力，因此电极材料必须具有高导电性、较高的硬度和强度。如果铜合金的抗氧化性差，则电极在工作过程中表面会生成氧化膜，造成电极表面电阻升高，进而造成电器的温升过高，因此电极还必须具有良好的抗氧化性。
为满足上述性能要求，国内外对焊机电极用铜合金材料作了很多研究工作。专利CN85107530提供了一种电极用铜合金，其合金成分重量百分比为Zr 0.1-0.25％，Mg 0.02-0.07％，Nb 0.06-0.15％，Re(La+Ce)0.02-0.06％，其余为铜，经铸造、锻拔、固溶处理、冷变形后，导电率为90～97％IACS(IACS为国际韧铜标准，100％IACS等于100％纯铜的导电率)，硬度为60～72HRB。专利CN1115789提供了一种适用于电气元件具有高强度高导电性的铜合金，其合金成分重量百分比为Cr 0.05～0.4％，Zr 0.03-0.25％，Fe 0.1～0.18％，Ti0.1-0.8％，其余为铜。经铸造、热轧、固溶处理、冷轧、时效、消除应力后，导电率为50％IACS，强度≥637MPa。专利CN1260403提供了一种具有高强度高导电性的铜合金，其合金成分重量百分比为Cr≤1.0％，Zr 0.05～0.4％，M 0.1～1.0％(M选自Co、Fe、Ni)，添加剂≤5％(选自Nb、V、Sn、Pb、Bi、Mn、Mg、B、Al、Ca、Li)，其余为铜。经铸造、热轧、冷轧、退火、固溶处理、冷轧、时效处理后，导电率70％IACS，屈服强度549MPa。
上述专利和其他有关铜合金的专利，用做电极的铜合金导电率高，则强度低，强度高，则导电率受影响，而导电率和强度平衡匹配后，又未涉及抗氧化性这个参数。因而这些专利涉及的铜合金不能很好地满足焊机电极材料的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于闪光对焊焊机电极的新型铜合金及其制造方法。
该种铜合金是沉淀硬化型铜合金，是通过如下方式实现的首先通过在铜中加入Cr、B、Mg、Zn、Nb、Re合金，其合金的重量百分比为Cr 0.1～0.4％，B 0.08～0.30％，Mg 0.08～0.65％，Zn 0.3-1.2％，Nb0.02～0.08％，Re 0.05～0.15％，其余为铜和不可避免的杂质。经熔炼、铸锭、热锻、固溶处理、冷变形、时效处理等工艺制造。该合金不仅具有良好的导电性能，室温和工作温度下的强度高的特点，而且还具有良好的抗氧化性。
本发明是按照多元少量的复合合金化原则，即加入多种固溶强化效果良好的合金元素，而每种元素的量是较少或很少的，使固溶体的成分复杂化，以增大原子扩散的阻力，从而使再结晶温度升高，但又不明显降低合金熔点，并且具有较高扩散激活能的原则。采用多种强化途径，使合金在具有高强度和硬度的同时，保持较高的导电率，这是本发明的技术关键所在。因此，实现本发明目的的关键是选择那些合金元素和它们的重量配比，以及工艺参数的调整。
一般而言，铜合金的导电率和强度是一对相互矛盾的技术指标，导电率高，则强度降低，强度高，则导电率降低。要解决这个问题，必须从相关因素入手。纯铜具有优良的导电性，但其强度不高，仅为225～235MPa，要进一步提高铜的强度，就必须加入某些在铜中的溶解度随温度的降低而急剧减小的元素，使其合金化，但这些元素的加入会不同程度降低合金的导电率，例如在纯铜中分别加入0.02％的铝、0.1％的镍、0.1％的锌、0.1％的硅，若以纯铜的导电率为100％，则加入元素后的导电率将分别下降至95％、94％、95％、50％。因此，本发明铜合金的合金化原则是在获得高强度的同时，尽可能减少导电率的降低。考虑到在铜中，当合金元素形成化合物时，对导电率的损害比分别加入相等含量的单个相应元素对导电率的损害要小。因此，必须使合金元素基本上以化合物形式存在于铜基体中，把合金加热到低于熔点的某个温度时，这些化合物熔解，固溶到基体中去，然后投入到介质中急冷使化合物来不及析出，使铜合金在室温下保持过饱和状态，再使过饱和固溶体在一定温度下发生脱溶分解，即沉淀分解。大量脱溶质点高度弥散分布于基体中，这样的合金不但具有较高的强度和硬度，还有良好的导电性能。
实现本发明内容的铜合金其制造工艺如下①本发明提供的配方铸造铜合金；②B是以含B2％的中间合金加入；③将铜合金加热到850～900℃，保温1.5～2小时后进行锻拔；④将铜合金加热到950～1000℃，保温1.5～2小时后进行固溶处理，然后在介质中进行急冷；⑤将铜合金进行冷变形，变形量40～60％；⑥时效处理第一次将铜合金加热到500～520℃，保温3小时后放到空气中冷却，第二次将铜合金加热到450～470℃，保温3小时后放到空气中冷却。
在本发明的铜合金中各元素的重量百分比及制造工艺与以往有关电极的专利不同之处在于1、含B0.08～0.3％，且B是以含B2％的中间合金加入。2、对合金进行二次时效处理。
在本发明中B的作用是提高再结晶温度，提高铜合金的强度，同时提高铜合金的抗氧化性。铬、锌主要是以第二相析出提高铜合金的强度。铬和锆在提高铜合金强度的同时，对导电性影响较小。镁的作用是脱氧、除气及第二相析出。铌和稀土的作用是脱气、净化钢液、细化晶粒、抑制柱状晶的发展，从而提高了铜合金的强度，改善了浇注和锻造性能。将铜合金加热到850～900℃，保温1.5～2小时后进行锻拔，消除或减轻了铸造缺陷。将铜合金加热到950～1000℃，保温1.5～2小时进行固溶处理，然后在盐水中急冷，这样可避免固溶体的分解，以获得理想的过饱合固溶体。将固溶处理后的铜合金进行40～60％的冷变形，目的在于增加过饱合固溶体的晶体缺陷(如提高位错密度等)，形成更多的非自发晶核成为脱溶核心，以加快时效处理时固溶体的分解速度，使时效强化效果更为显著。本发明铜合金的时效温度为480～500℃，保温4小时后出炉空冷。为使析出相充分析出，进行二次时效处理。随着失效温度的升高和时间的延长，固溶于基体中的合金化合物析出，这些脱溶相大量地极其弥散地分布在基体中，使基体产生大量的晶格畸变(析出相周围形成应变场)使位错线难以切割或绕过，极大地阻碍了位错线的移动，从而使材料的综合性能显著提高(析出强化)。由于析出相的熔点很高，原子间结合力很强，大大提高了原子的自扩散激活能，减缓合金原子在高温下的扩散速度，因此改善了合金的高温性能。
根据本发明的配比与制造工艺所获得的铜合金具有以下性能导电率大于75％IACS，屈服强度大于539MPa，而且抗氧化性能较好，高温软化温度超过500℃。
具体实施例方式
1、合金成份及所占重量百分比为Cr 0.25％，B 0.09％，Mg 0.41％，Zn 0.75％，Nb 0.053％，Re 0.11％，其余为铜和不可避免的杂质。
2、合金成份及所占重量百分比Cr 0.37％，B 0.28％，Mg 0.22％，Zn1.1％，Nb 0.037％，Re 0.094％，其余为铜和不可避免的杂质。
将上述两种不同配比的铜合金加热到870℃，保温2小时后进行锻拔；固溶处理将铜合金加热到970℃，保温2小时，随后在盐水中进行急冷；然后将铜合金进行40～60％的冷变形；最后时效处理第一次将铜合金加热到500～520℃，保温3小时后放到空气中冷却；第二次将铜合金加热到450～470℃，保温3小时后放到空气中冷却。
经上述工艺处理后，实施例1中成分配比的铜合金性能导电率75％IACS，屈服强度579MPa，软化温度510℃；实施例2中成分配比的铜合金性能导电率77％IACS，屈服强度558MPa，软化温度510℃，而且铜合金的抗氧化性好。
按照本发明提供的铜合金除了可用于焊机电极外，还可用于其他任何需要高导电率、高强度的设备中。
权利要求
1，一种用于焊机电极的高强度、高导电性铜合金，其特征在于此铜合金所含元素的重量百分比为Cr 0.1～0.4％，B 0.08～0.30％，Mg 0.08～0.65％，Zn 0.3-1.2％，Nb 0.02～0.08％，Re 0.05～0.15％，其余为铜和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述用于焊机电极的高强度、高导电性铜合金，其特征在于所含各元素的重量百分比为Cr 0.25％，B 0.09％，Mg 0.41％，Zn 0.75％，Nb 0.053％，Re 0.11％，其余为铜和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的用于焊机电极的高强度、高导电性铜合金，其特征在于所含各元素的重量百分比为Cr 0.37％，B 0.28％，Mg0.22％，Zn 1.1％，Nb 0.037％，Re 0.094％，其余为铜和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的用于焊机电极的高强度、高导电性铜合金，其特征在于含B0.08～0.3％，且B是以含B2％的中间合金加入。
5.一种用于焊机电极的高强度、高导电性铜合金的制造方法，其特征在于主要包括以下步骤①铸造按发明配方的铜合金；②将铜合金加热到850～900℃，保温1.5～2小时后进行锻拔；③固溶处理将铜合金加热到950～1000℃，保温1.5～2小时，然后在介质中进行急冷；④将铜合金进行冷变形，变形量40～60％；⑤时效处理第一次将铜合金加热到500～520℃，保温3小时后放到空气中冷却；第二次将铜合金加热到450～470℃，保温3小时后放到空气中冷却。
全文摘要
本发明公开了一利用于焊机电极的高强度、高导电性铜合金,所含合金元素的重量百分比为:Cr 0.1～0.4%,B0.08～0.30%,Mg 0.08～0.65%,Zn 0.3－1.2%,Nb 0.02～0.08%,Re 0.05～0.15%,其余为铜和不可避免的杂质。合金制造工艺为铸造、锻拔、固溶处理、冷变形、二次时效处理。这种铜合金具有强度高,导电性好,同时具有良好的抗氧化性,除适合做焊机电极外,还可应用于其它任何需要高强度、高导电率的铜合金设备中。
文档编号B23K35/22GK1353203SQ01133399
公开日2002年6月12日 申请日期2001年11月2日 优先权日2001年11月2日
发明者张业彭, 王义栋, 沙庆云, 常桂华, 曹东 申请人:张业彭