一种高强高导Cu-Ag-Sc合金及其制备方法与流程

本发明属于有色金属合金技术领域，特别涉及一种高强高导cu-ag-sc合金及其制备方法。

背景技术：

随着现代工业和技术的发展，越来越多的领域需要强度和导电性匹配良好的导线材料；纯铜具有优异的导电性，但其强度远不能满足现代工业的需求，因此许多学者在纯铜中添加不同比例的ag，通过合金强化的方式进一步提高了材料的强度。

在cu-ag合金中，ag的析出相分为非连续性和连续性两种形式；非连续性析出相通常出现在低ag含量的cu-ag合金中(≤8wt％)，且分布在高角度晶界附近，呈粗大的纤维状；连续性析出相出现在高ag合金中(>8wt％)，分布在晶粒内部，细小弥散呈网状，因此连续性析出相的密度显著高于非连续性析出相的密度；大量实验表明，cu-ag复合材料的强度主要来自于高密度的ag纤维，而变形后ag纤维的密度与变形前cu-ag合金中ag析出相的密度呈正相关；所以如何得到大量的ag连续性析出相成为提高cu-ag复合材料的关键；研究表明，连续性析出相的比例是随着ag含量的增加而提高的(规律适应于8～30wt％之间)，但是由于金属ag的成本较高，如何在低ag含量的cu-ag合金中得到连续性析出相，就成为研究cu-ag合金的一个热点。

发明专利200510048639.8公布了通过添加re来细化cu-ag合金组织，并采用大变形和合理的热处理机制，得到强度和导电性匹配良好的纤维增强材料的方法；发明专利201310614153.0公布了通过zr的添加可以提高cu-ag合金再结晶温度、蠕变强度和抗高温热低周疲劳性能，提高合金的抗软化性和热强性的技术；发明专利02110785.8公布了在低ag的cu-ag合金中添加少量的cr、ce、la、nd的方法，在降低ag含量及简化工艺的条件下，其强度与导电性达到24％-25％ag的合金水平；发明专利201610218372.0通过在cu-ag合金中添加少量的fe，在磁场的作用下，提高了合金强度，降低了合金原料成本，但材料导电性出现了较大的下降；发明专利201610173651.x公布了添加nb、cr和mo后，通过合理的热处理温度和时间控制ag的析出方式，促进ag的连续性析出，进而提高cu-ag合金材料的强度和导电性的技术；然而，因为第三主元的熔点很高，此方法的铸态合金不易制备，限制了其应用价值。

一些学术文章对如何控制ag的析出方式进行了探讨；其中a.gaganov等(materialsscienceandengineering:a.2006,2:437)、j.freudenberger等(materialsscienceandengineering:a.2010,7-8:527)、j.b.liu等(materialsscienceandengineering:a.2012.1,532)发现通过添加zr元素可以抑制ag的非连续性析出相，提高连续性析出相；然而，zr的熔点高(1855℃)，与cu和ag几乎没有固溶度，铸锭的熔炼困难，尤其是工业生产所需要的大型铸锭。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的技术问题，提供一种高强高导cu-ag-sc合金及其制备方法，通过在低ag含量的cu-ag合金中添加微量sc元素，改变ag的析出方式，进而得到强度和导电性匹配良好的cu-ag-sc合金。

本发明的高强高导cu-ag-sc合金成分按质量百分比含ag1～10％，sc0.05～0.5％，余量为cu；其硬度88～148hv，导电性83～88％iacs。

本发明的高强高导cu-ag-sc合金的制备方法按以下步骤进行：

1、将金属ag和金属sc置于电弧炉中，真空条件下进行熔炼，然后随炉冷却至常温，制得ag-sc中间合金；ag-sc中间合金中sc的质量百分比为0.5～5％；

2、将ag-sc中间合金、电解铜和金属ag置于感应炉中，在真空条件下加热至1200～1300℃，保温10～60min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含ag1～10％，sc0.05～0.5％，余量为cu；

3、在惰性气氛条件下，将合金铸锭加热至700～850℃，保温1～15h进行热处理，然后水淬至常温，获得热处理合金铸锭；

4、在惰性气氛条件下，将热处理合金铸锭加热至400～500℃，保温2～20h进行时效处理，空冷至常温，制成高强高导cu-ag-sc合金。

上述步骤1和2的真空条件为真空度≤10^-2mpa。

上述的惰性气氛为氩气气氛。

已有技术中，未有涉及以sc元素为第三组元制备的cu-ag合金及其相关制备技术和方法；sc元素的熔点为1541℃，低于zr(1855℃)，且与ag有一定固溶度(在926℃时固溶度为4.6wt.％)，所以本发明通过ag-sc中间合金把sc均匀添加到cu-ag合金中；通过合理的热处理方法，ag以连续性析出相的方式分布在cu基体中，且sc与cu和ag均有中间化合物形成，可以进一步起到强化的作用，cu-ag-sc合金的强度显著高于相同条件下的cu-ag合金。

本发明方法通过使用中间合金ag-sc的方式，得到了各成分均匀分布的cu-ag-sc合金，解决了sc难熔于cu中的问题。

附图说明

图1为本发明实施例2中对比试验获得的cu-2.8ag合金的电镜扫描金相图；

图2为本发明实施例2中的高强高导cu-ag-sc合金电镜扫描金相图。

具体实施方式

本发明实施例采用微观硬度计测量硬度，采用四点探针法检测复合材料的导电率。

本发明实施例中采用的金属ag为银棒材，纯度为99.990～99.998％。

本发明实施例中采用的金属sc纯度为99.75～99.99％。

本发明实施例中采用的电解铜纯度为99.95～99.99％。

以下为本发明优选实施例。

实施例1

将金属ag和金属sc置于电弧炉中，真空条件下进行熔炼，真空度≤10^-2mpa，然后随炉冷却至常温，制得ag-sc中间合金；ag-sc中间合金中sc的质量百分比为5％；

将ag-sc中间合金、电解铜和金属ag置于感应炉中，在真空条件下加热至1300℃，真空度≤10^-2mpa，保温15min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含ag1％，sc0.1％，余量为cu；

在惰性气氛条件下，将合金铸锭加热至800℃，保温4h进行热处理，然后水淬至常温，获得热处理合金铸锭；

在氩气气氛条件下，将热处理合金铸锭加热至475℃，保温4h进行时效处理，空冷至常温，制成高强高导cu-ag-sc合金，硬度88hv，导电性87.5％iacs。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)ag-sc中间合金中sc的质量百分比为3％；

(2)感应炉中，在真空条件下加热至1250℃，保温20min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含ag3％，sc0.3％，余量为cu；

(3)合金铸锭加热至760℃，保温2h；

(4)时效处理温度450℃，保温8h；高强高导cu-ag-sc合金硬度108hv，导电性88％iacs；

与传统不加sc的cu-2.8ag合金相比，cu-3ag-0.3sc合金的硬度提高44.6％，cu-2.8ag合金电镜扫描如图1所示，电镜扫描如图2所示；由图可见，cu-3ag-0.3sc合金中只有细小均匀的连续性ag析出相，而cu-3ag中出现了粗大的非连续性ag析出相。

本实验cu-3ag-0.3sc合金的硬度均高于cu-3ag。450℃时效后的cu-3ag-0.3sc合金的硬度为108hv,与同条件下的cu-3ag相比提高44.6％.在扫描电镜下，cu-3ag-0.3sc合金中只有细小均匀的连续性ag析出相,而cu-3ag中只出现了粗大的非连续性ag析出相(图1)。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)ag-sc中间合金中sc的质量百分比为5％；

(2)感应炉中，在真空条件下加热至1250℃，保温15min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含ag3％，sc0.4％，余量为cu；

(3)合金铸锭加热至760℃，保温10h；

(4)时效处理温度450℃，保温4h；高强高导cu-ag-sc合金硬度115hv，导电性84％iacs。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

(1)ag-sc中间合金中sc的质量百分比为2％；

(2)感应炉中，在真空条件下加热至1300℃，保温20min进行熔炼，然后浇铸并随炉冷却至常温，制成合金铸锭；合金铸锭的成分按质量百分比含ag7％，sc0.07％，余量为cu；

(3)合金铸锭加热至760℃，保温6h；

(4)时效处理温度450℃，保温16h；高强高导cu-ag-sc合金硬度148hv，导电性83％iacs。