一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法与流程

本发明涉及一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，属于粉末冶金材料制备领域。

背景技术：

高强高导铜合金具有较高的导电导热性能、强度和低周热疲劳性能[J S Andrus,R G Bordeau.NASA CR 187207(1992)1-184]，在航空航天结构、高磁场脉冲电极、集成电路引线框架、电阻焊电极等方面具有广泛应用前景[S C Krishna,K T Tharian,B Pant,et al.J Mater Eng Perform 22(2013)3884-3889；J Lyubimova,J Freudenberger,C Mickel,et al.Mater Sci Eng:A,527(2010)606-613]。但是，铜合金的强度与电导率之间是一对矛盾，提高电导率会使强度降低，或提高强度会使电导率降低。

目前，高强高导铜合金主要采用熔炼铸造方法制备。即首先通过真空熔炼、铸造制备合金铸锭，并进行均匀化处理，然后进行固溶处理，获得固溶体组织，再经过轧制/锻压、时效处理得到所需的铜合金。该方法制备工艺路线较长，制备的合金或电导率高但强度较低，或强度较高但电导率较低。宋练鹏等人[宋练鹏、孙伟、尹志民，Ag和Zr对Cu-Ag-Zr合金组织和性能的影响，金属热处理，31(2006)：46-48]采用此方法制备的Cu-3Ag-0.2Zr合金，其电导率水平较高，达到87％IACS，但是强度较低。

针对上述问题，Coddet等人[P Coddet,C Verdy,C Coddet,et al.Surf Coat Technol 232(2013)652-657]采用真空等离子喷涂(VPS)工艺制备了NARloy-Z合金，其抗拉强度可以达到600MPa；Lyubimova等人[J Lyubimova,J Freudenberger,C Mickel,et al.Mater Sci Eng:A,527(2010)606-613]对Cu-Ag-Zr合金进行复杂的大塑性变形与热处理加工，来提高合金的力学性能，所制备的合金抗拉强度达到1200MPa。这些方法制备的铜合金强度较高，但是均未报道导电率数据，通常其电导率水平都较低，限制了该合金的应用。

总之，现有制备高强高导铜合金所用方法存在技术路线长、工艺复杂，耗费时间久等不足，无法满足高强高导铜合金需要同时提高强度和电导率的要求。本发明提供了一种能够使铜银锆合金的抗拉强度和电导率同时得到有效提高，且工艺简单的制备方法。

技术实现要素：

本发明针对现有制备高强高导铜合金所用方法存在的不足，提供一种效率高、工艺简单的制备方法。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，包括下述步骤：以Cu-Ag-Zr合金粉末为原料，通过放电等离子烧结，得到成品；所述放电等离子烧结时，控制烧结温度为600-800℃、烧结时间为1-10min、烧结压力为30-50MPa。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所述Cu-Ag-Zr合金粉末的粒度小于等于150μm，优选为小于等于75μm、进一步优选为75μm。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所述Cu-Ag-Zr合金粉末是通过气雾化法制备的。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所述Cu-Ag-Zr合金粉末以质量百分比计包括下述组分：

Ag：3-7％；

Zr：0.1-0.5％；

余量为Cu。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所述Cu-Ag-Zr合金粉末以质量百分比计包括下述组分：

Ag：3-5％；

Zr：0.3-0.5％；

余量为Cu。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，包括下述步骤：以Cu-Ag-Zr合金粉末为原料，将原料置于放电等离子烧结设备中，以80-120K/min的升温速率升温至600-800℃、优选为650-800℃、进一步优选为750-800℃后，保温时间1-10min、优选为2-8min、进一步优选为2-6min，得到成品；烧结时，控制烧结压力30-50MPa。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所得成品的致密度大于等于96.9％。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所得成品的室温抗拉强度达到335MPa以上。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所得成品的硬度达到81HB以上。硬度的测试条件为：2.5mm钢球，62.5kg的载荷，保压30s。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所得成品的电导率达到70％IACS以上。

本发明一种放电等离子烧结制备高强高导铜合金的方法，所得成品经固溶处理后，电导率大于等于77％IACS；

所得成品经固溶处理、冷轧和时效处理后，室温抗拉强度大于等于400MPa、电导率大于等于80％IACS、进一步优选为88％IACS；

所述固溶处理的温度为900-950℃；

所述固溶处理的时间为0.5-5小时，优选为1-2小时；

所述冷轧的压下量为40-60％，优选为50％；

所述时效处理的温度为480-520℃，优选为500℃；

所述时效处理的时间为0.5-4小时、优选为1小时。

优点和积极效果：

本发明采用放电等离子烧结法对气雾化铜合金粉末进行烧结，通过各参数的协同作用实现一次烧结成形，得到了晶粒细小、均匀，尤其是第二相尺寸细小且弥散分布的成品，代替目前采用的真空熔炼铸造制坯、均匀化处理、固溶处理、变形加工(轧制/锻压等)、时效处理工艺，大幅度缩短了制备工艺技术路线，工艺简单。

本发明采用放电等离子烧结法对气雾化铜合金粉末进行烧结，充分利用气雾化合金粉末快速凝固的组织特点，得到的合金成分、组织均匀，有效地解决了现有制备方法所制备的合金容易出现内部偏析现象，成品质量容易得到控制。

本发明利用等离子烧结快速成形特点以及气雾化合金粉末快速凝固组织特点，通过各参数的协同作用，实现粉末烧结与基体第二相均匀析出，有效降低基体的过饱和度，使合金的强度和电导率均得到有效提高，达到了熔炼铸造法需进行热处理和变形加工的效果。

本发明所得成品经固溶处理、冷轧和时效处理后，其力学性能和导电性能有了意想不到的提升。

总之，本发明采用等离子烧结成形方法直接对气雾化铜合金粉末进行烧结成形，实现了电导率和强度共同提高，具有工艺简单，制备周期短、所得成品性能、质量优良等优势，便于产业化生产。

附图说明

附图1是本发明实施实例1所制备的Cu-3.7Ag-0.4Zr合金的显微组织图。

附图2是本发明实施实例2所制备的Cu-5.2Ag-0.36Zr合金的显微组织图。

附图1表明Cu-3.7Ag-0.4Zr合金的显微组织晶粒均匀细小。

附图2表明Cu-5.2Ag-0.36Zr合金中分布着大量细小的弥散析出相。

具体实施方式

下面结合附图1、2和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

Cu-3.7Ag-0.4Zr

实验采用粒度为-200目(-75um)的气雾化合金粉末(成分为Cu-3.7Ag-0.4Zr，质量分数)进行放电等离子烧结成形，得到成品。烧结温度为800℃、加载压力为30MPa、升温速率为120K/min、保温时间为2min。合金成品的显微组织形貌如附图1所示，晶粒细小均匀，晶粒尺寸约为3.6μm，密度为8.66g/cm³，致密度达到96.11％，其室温抗拉强度最低为342MPa，硬度为85HB(w2.5/62.5)，合金的电导率为71％IACS，断后伸长率达到32％。

对比例1

制备成分以及各成分含量完全与实施例1一致的对比样品1；

实验采用粒度为-200目(-75um)的气雾化合金粉末(成分为Cu-3.7Ag-0.4Zr，质量分数)进行放电等离子烧结成形，得到对比样品1。烧结温度为590℃、加载压力为30MPa、升温速率为80K/min、保温时间为2min。检测得到：对比样品1的密度为7.39g/cm³、致密度为82.1％％，其室温抗拉强度最低为102MPa，硬度为44HB(w2.5/62.5)，合金的电导率为39％IACS，断后伸长率为1.2％。

实施例2：

Cu-5.2Ag-0.36Zr

实验采用粒度为-200目(-75um)的气雾化合金粉末(成分为Cu-5.2Ag-0.36Zr，质量分数)进行放电等离子烧结成形，得到成品。烧结温度为800℃、加载压力为30MPa、升温速率为100K/min、保温时间为2min。合金成品的显微组织形貌如附图2所示，在其晶界上存在大量细小的第二相粒子。合金晶粒尺寸约为3.27μm，密度为8.8g/cm³，致密度达到97.4％，其室温抗拉强度最低为348MPa，硬度为91HB(w2.5/62.5)，合金的电导率为72％IACS，断后伸长率达到33％。

对比例2

实验采用粒度为-200目(-75um)的气雾化合金粉末(成分为Cu-5.2Ag-0.36Zr，质量分数)进行放电等离子烧结成形，得到对比样品2。烧结温度为900℃、加载压力为50MPa、升温速率为100K/min、保温时间为2min。制备成分以及个成分含量完全与实施例2一致的对比样品2，在烧结过程中在样品当中出现了部分液相，制备的样品由圆柱状变为成鼓形，且样品中间部分塌陷，形成废品导致实验失败。检测得到样品中心部位与边缘部位的性能存在差别：中心部位的密度为8.91g/cm³、致密度为98.9％，而边缘部位的密度为7.23g/cm³、致密度为80.3％。样品存在密度梯度，各部分性能不一，无法应用。

实施例3：

Cu-4.88Ag-0.37Zr

实验采用粒度为-200目(-75um)的气雾化合金粉末(成分为Cu-4.88Ag-0.37Zr，质量分数)进行放电等离子烧结成形，得到成品。烧结温度为800℃、加载压力为50MPa、升温速率为100K/min、保温时间为6min。合金成品的平均晶粒尺寸约为3.55μm，密度为8.95g/cm³，致密度达到99.33％，其室温抗拉强度最低为352MPa，硬度为96HB(w2.5/62.5)，合金的电导率为74.4％IACS，断后伸长率达到49.5％。

所得成品经910℃固溶处理1小时，制品的室温抗拉强度为316MPa，电导率为81.5％IACS。

所得成品经950℃固溶处理1小时，然后进行50％冷轧，再于500℃时效处理1小时，制品的室温抗拉强度达到428MPa、电导率达到88％IACS。

对比例3

文献[宋练鹏、孙伟、尹志民，Ag和Zr对Cu-Ag-Zr合金组织和性能的影响，金属热处理，31(2006)：46-48]对Cu-3Ag-0.2Zr采用真空中频熔炼、铸造制坯，经热轧和冷轧得到带状试样，然后在940℃固溶处理1小时，在冷轧变形之后再进行500℃/6h时效处理，合金的抗拉强度为314MPa，硬度为85.5HB(w2.5/62.5)，电导率为87.2％IACS，断后延伸率为19.6％。