高强高导铜合金及其制备方法

专利名称：高强高导铜合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及铜合金材料及其制备方法，特别是高强高导电铜合金材料及其制 备方法。 技术背景铜及其合金具有良好的导电导热性能，因而在电力、电子、能源、通讯、交 通等行业具有广泛的应用。现代工业的快速发展，以及节能降耗、稳定、高效和设备小型化的目的，相 关行业对高强高导铜合金综合性能的要求不断提高。CuCrZr系合金是应用比较广泛的高强高导电合金，其中以ASTM标准的 C18150最为普遍。研究表明，传统CuCrZr合金的性能可以通过合金成分优化和 适当的加工工艺得到进一步提高。表1列举了部分商用及先进CuCrZr合金的性 能参数。表l部分Cu-Cr-(X)合金牌号、成分及主要性能合金牌号 化学成分/ % T，，ef =^ 备注IACS% MPa就目前的数据来看传统的加工CuCrZr合金综合性能匹配不能达到理想的状 态，即抗拉强度600MPa以上，导电率80。/。IACS以上，当综合性能接近上述性 能指标时，塑性大幅度降低，延伸率通常<4%。专利申请査新结果表明，高强高导铜合金中，CuCrZr系以外的合金导电率 指标普遍不够理想，CuCrZr系合金的相关专利专利也大量涌现。闩本三菱伸铜株式会社2004年申请的专利CN 1683578A涉及的铜合金，旨在强调加工率较大(90%以上)的情况下，获得一定的织构组分的加工技术；美国奥林公司1993年申请的专利，国内授权公开号C1101081A，公开了两种性能 的高强高导电铜合金，其中一种具有90n/。IACS的导电率但是强度较低，另一种 含有Cr、Zr、Fe、Ti、Co等合金元素，导电率和强度分别为75 % IACS和570MPa;国内申请的相关专利包括如下。昆明贵金属研究所2003年申请的(公开号 CN 1488770A)专利涉及一种CuCrZr稀土合金，但是采用快速凝固方法制备坯 料。专利CN 1422968A涉及一种CuCrZrBe合金，指标分别为抗拉强度500550MPa,导电率75 % IACS;专利CN 1417357A涉及一种CuCrZr稀土合金， 性能分别为抗拉强度〉600MPa，导电率< 70 %和抗拉强度550MPa，导电率80 % IACS，并且延伸率均为5 %左右。专利CN 1384215A涉及一种CuZrMg稀土铜 合金，性能指标为抗拉强度420MPa，导电率82 % IACS。专利CN 1229857A涉 及一种CuCrZrMg稀土合金的铸造工艺。专利CN 1180757A涉及一种CuCrZrMg 合金，其抗拉强度较低。专利CN 1160771 A涉及一种析出强化CuCrZrMg稀土 铜合金，其抗拉强度〈400MPa。综上所述，上述国内外相关专利未涉及到或者详尽描述本专利提出的具有良 好综合性能匹配的高强高导铜合金及其制备方法。 发明内容本发明目的在于提供一种高强高导铜合金及其制备方法，通过调整合金元素 的含量和比例以及合理的加工工艺，得到同时具备高强度(>600 MPa)和电导 率(>80%IACS)，并且具有较高塑性(>8%)和软化温度(>550 °C)的铜合金。为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案一种高强度高导铜合金，其特征在于，该铜合金配方成分范围如下0.65-1.2 wt.%Cr， 0.065-0.12 wt.%Zr，其中Cr与Zr的重量比为8~ 12，以及0.01 ~ 0.05 wt. % Mg和0.01 ~ 0.03 wt. %的稀土元素，其中，稀土元素为Y、 Ce和混合稀土 中的一种，混合稀土为La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu、 Sc和Y中的两种或两种以上的混合物，其余为铜。在本发明的高强度高导铜合金中，其合金的化学成分的作用机理如下 Cr: 0.65 ~ 1.2 wt.%Cr在CuCr 二元合金共晶温度下的固溶度约为0.65 wt.%，随着温度降低， 溶解度迅速下降，室温状态下溶解度下降到、0.03 wt /。以下。细小弥散析出的 Cr相，是主要的强化相，因此适当增加Cr含量有助于提高合金的强度，同时由 于固溶度很低，合金的导电率仍然保持较高的水平。另外1%左右的&有助于细 化合金的晶粒度。为此，确定Cr含量按照重量计在0.65 ~ 1.2 %之间。 Zr: 0.065 ~ 0.12 wt.%Zr元素可以有效提高铜合金的再结晶温度，CuCr合金中添加Zr元素后，合 金的软化温度提高，避免了 50(TC以下时效处理的过时效问题。但是Zr含量较 高时，容易造成微观组织粗化，所以要适当降低Zr与Cr的质量比例。为此，确 定Cr与Zr的质量比为8~12。 Mg: 0.01 ~ 0.05 wt. %Mg与Cr、 Zr形成细小弥散分布的化合物析出相，强化效果显著。另外Mg 非常活泼，适量添加具有除氧、净化熔体的效用。但是由于Mg在Cu中的固溶 度比较高，对电导率影响较大。为此，确定Mg的添加量为0.01 ~ 0.05 wt.%。 稀土元素0.01 ~ 0.03 wt. %稀土元素具有较强的活性，与O的结合力远大于Cu与O的结合力，因此， 添加微量稀土元素可以有效去除各种原因带入熔体的残余O,并与P、 S等元素 形成稳定的化合物，从而净化容体。稀土元素具有细化晶粒、促进析出相弥散分 布的作用，因此适量添加稀土元素高合金的软化温度，对合金导电率影响不大， 在一定的添加范围内，会提高Cu合金的导电率。因此，确定稀土添加量为O.Ol ~ 0.03 wt.%.稀土元素选择Y、 Ce或者混合稀土，其中添加Y对合金性能的优 化效果更佳，因此，所述的稀土元素优选为Y。混合稀土为La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu、 Sc和Y中的两种或两种以上的混 合物，它们之间的混合比例是任意的，在混合稀土中，稀土元素的混合比例优选 为等重量比例。一种制备本发明的高强度高导铜合金的制造方法，该制造方法包括下列加工 步骤(1)按照上述的铜合金配方成分备料，铜合金配方成分中的合金元素以中 间合金或者纯元素形式为原料；(2) 合金采用真空熔炼，合金元素添加顺序依次为先添加铜，铜熔化后， 添加Cr，熔炼20 40分钟后；通入保护气氛，然后在保护气氛中，添加Zr、 Mg和稀土，待合金烙体降温到1200土5(TC后，浇注造成合金铸锭；(3) 将合金铸锭加热至800 1000 °C，保温0.5 lh，然后热挤或轧制成棒坯；(4) 将合金坯料加热，在固溶温度为900~ 1000 'C条件下，保温0.5 2h 后，水淬处理；(5) 将棒坯冷拔加工，变形量为20~40%;(6) 将冷拔加工后的合金在450 ~ 550'C保温2 ~ 4 h;(7) 合金经时效处理后，终拔成形，加工率45~65%。 在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(1)中，Cr和Zr优选是以纯元素形式为原料，Cr和Zr纯元素分别为颗粒状或片状，颗粒状直 径或者片状厚度分别〈3mm。在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(4)中，根据 合金成分不同，固溶温度优选为950-980 °C。在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(2)中，采用 真空熔炼的真空度为O.lPa。在本发明的制备高强度高导铜合金的方法中，在所述的步骤(2)中，所述 的保护气氛优选为Ar气，压强为50 ~ 100Pa。本发明的优点是按照本发明提供的合金成分及工艺制作的合金，具有良好 的综合机械性能和导电性能。其抗拉强度> 600 MPa，硬度H70Hv，延伸率> 8 %， 导电率〉80y。IACS，软化温度> 550 'C。本发明的高强高导铜合金可在高速电气 化列车接触线中应用。
具体实施方式
实施例1按照表2的实施例1的合金成分范围及下述的加工制备工艺，做作铜合金， 其中，"稀土"为Y。实施例1的实测性能见表3。(1)、应用真空感应电炉，真空度为0.1Pa，将电解铜板在坩锅中熔化后， 添加Cr。熔炼30分钟后添加Mg， Zr，稀土，并通入Ar气保护，压强为90Pa。缓慢降低熔体温度至1200±50 t:时，进行浇注。(2) 、将合金铸锭加热至90(TC，保温lh,然后热挤或热轧成棒坯；(3) 、将合金坯料加热到930 'C，保温2h后，水淬处理。(4) 、将棒坯冷轧或冷拔加工，变形量控制为30%;(5) 、合金在450 'C保温4h，以获得充分的析出相，并释放变形能，恢复塑性；(6) 、合金经过时效处理后，终拔成形，加工率5 0%。 实施例2按照表2的实施例2的合金成分范围及下述的加工制备工艺，做作铜合金， 其中，"稀土"为混合稀土，混合稀土为La、 Ce，他们的混合的重量比为l: 1。 实施例2的实测性能见表3。(1) 、应用真空感应电炉，真空度为O.lPa，将电解铜板在坩锅中熔化后， 添加Cr。熔炼30分钟后添加Mg, Zr，稀土，并通入Ar气保护，压强为80Pa。 缓慢降低熔体温度至1200±50 'C时，进行浇注。(2) 、将合金铸锭加热至98(TC，保温0.5h，然后热挤或热轧成棒坯；(3) 、将合金坯料加热到980'C，保温0.5h后，水淬处理；(4) 、将棒坯冷轧或冷拔加工，变形量控制为35%;(5) 、合金在55(TC保温4 h，以获得充分的析出相，并释放变形能，恢复塑性；(6) 、合金经过时效处理后，终拔成形，加工率45%。表2<table>table see original document page 8</column></row><table><table>table see original document page 9</column></row><table>实施例1、 2得到的铜合金均具有良好的综合机械性能和导电性能，其强度 >600Mpa;电导率〉80。/。IACS;塑性>8%;软化温度>550 °C。
权利要求
1. 一种高强度高导铜合金，其特征在于，该铜合金配方成分范围如下0.65～1.2wt.％Cr，0.065～0.12wt.％Zr，其中Cr与Zr的重量比为8～12，以及0.01～0.05wt.％Mg和0.01～0.03wt.％的稀土元素，其中，稀土元素为Y、Ce和混合稀土中的一种，混合稀土为La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc和Y中的两种或两种以上的混合物，其余为铜。
2. 根据权利要求1所述的高强度高导铜合金，其特征在于，所述的稀土 元素为Y。
3. 制备权利要求1所述的高强度高导铜合金的制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列加工步骤(1) 按照权利要求1所述的铜合金配方成分备料，铜合金配方成分中的合金元素以中间合金或者纯元素形式为原料；(2) 合金采用真空熔炼，合金元素添加顺序依次为先添加铜，铜熔化 后，添加Cr，熔炼20 40分钟后；通入保护气氛，然后在保护气氛中，添 加Zr、 Mg和稀土，待合金熔体降温到1200土5(TC后，浇注造成合金铸锭；(3) 将合金铸锭加热至800 1000 °C，保温0.5 lh，然后热挤或轧制 成棒坯；(4) 将合金坯料加热，在固溶温度为900 1000 。C条件下，保温0.5~2 h后，水淬处理；(5) 将棒坯冷拔加工，变形量为20 ~ 40 %;(6) 将冷拔加工后的合金在450 ~ 550。C保温2 ~ 4 h;(7) 合金经时效处理后，终拔成形，加工率45~65%。
4. 根据权利要求3所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在于， 在所述的步骤(1)中，Cr和Zr是以纯元素形式为原料，Cr和Zr纯元素分 别为颗粒状或片状，颗粒状直径或者片状厚度分别< 3 mm。
5. 根据权利要求3或4所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在 于，在所述的步骤(4)中，固溶温度为950 980 °C。
6. 根据权利要求5所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，采用真空熔炼的真空度为O.lPa。
7.根据权利要求6所述的制备高强度高导铜合金的方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，所述的保护气氛为Ar气，压强为50 100Pa。
全文摘要
本发明涉及一种高强高导电铜合金材料及其制备方法。材料成分为0.65～1.2wt.％Cr，0,065～0.12wt.％Zr，0.01～0.05wt.％Mg以及含量为0.01～0.03wt.％的稀土元素，其余为铜。经过热挤、固溶、冷拔、时效、冷拔等处理工艺，得到抗拉强度＞600MPa，硬度＞170Hv，延伸率＞8％，导电率＞80％IACS，软化温度＞550℃的铜合金。合金可应用于热沉材料、高强度导线、接触线以及电阻焊电极材料等。
文档编号C22C9/00GK101265536SQ20071006435
公开日2008年9月17日 申请日期2007年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者李华清, 米绪军, 谢水生 申请人:北京有色金属研究总院