CN101709401B - 硼、银、稀土元素添加Cu-Cr原位复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过硼、银、稀土元素添加Cu-Cr原位复合材料及其制备方法，它是利用多元微合金化、固溶强化、时效强化、细晶强化、形变强化、纤维强化等多方式综合强化技术，以Cu为基体，加入少量Cr以及微量的Ag、B元素、稀土或稀土混合物，通过熔炼、浇铸、热锻或热轧、固溶处理、冷轧或冷拔、时效等工艺，制备出高性能铜合金原位复合材料。本发明具有制备出的材料不仅强度高而且导电导热性好、制备工艺简单、成本低的优点，从而实现在电工开关、触头材料、电阻电极、电大型高速涡轮发电机转子导线、电车及电力火车架空导线、超大规模集成电路引线框架等方面工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过硼、银、稀土元素添加Cu-Cr原位复合材料及其制备方法，属有色金属材料技术领域。
背景技术
随着电子、通讯、交通、电力、航天、精密仪器等高技术领域的快速发展，对于铜合金的要求愈来愈高。要求所用铜合金材料不仅具备高强度、高导电导热性能之外，还必须有较高的软化温度、抗氧化性、抗蠕变、耐高压等特性，传统的高强高导铜合金已经难以达到要求。近几十年来，世界各国相继开展了高性能铜合金的研究与开发，已经在一些行业上得到了应用。由于我国在此领域的研究工作起步较晚，工业所需的高性能电铜合金材料主要依赖进口，而我国是铜资源大国，拥有众多的铜加工企业，因此，对高性能铜合金材料进行研究开发，逐步建立拥有自主知识产权的铜合金材料体系具有重要意义。
铜合金材料的导电性与强度是一对难以兼顾的矛盾，即电导率好则强度差，而强度提高则导电率降低。形变原位复合材料法制备高强高导电铜合金材料是一种获得最好强度与导电性组合的可靠方法，也是目前铜合金材料研究领域的热门和前沿。目前形变铜基原为复合材料的研究主要集中于Cu-Nb和Cu-Ag原位复合材料，但是由于Nb和Ag都是贵金属，而且Nb的熔点高达2648℃，液态Cu和Nb又存在较大的不溶混间隙，因此限制了这类新材料的制备和应用。由于Cr在Cu中的固溶度很低，Cu在Cr中的固溶度更小，所以Cu-Cr合金结合了Cr的高硬度和Cu良好的导电导热性，在制备电工开关、触头材料、电阻电极、电大型高速涡轮发电机转子导线、电车及电力火车架空导线、超大规模 集成电路引线框架等方面，尤其是在大功率真空高压开关中显示出广阔的应用前景。
公告号CN1233492公开了一种W-Cu或Cu-Cr粉末形变复合电极材料制备方法，它采用Cu和Cr或W和Cu单质粉末为原料，第一步进行机械球磨制粉；第二步进行冷压制坯；第三步进行真空固相烧结，第四步为热静液挤压。公开号CN101384739公开了一种Cr-Cu合金、其制造方法、半导体用散热板和半导体用散热部件，所述Cr-Cu合金通过包含Cu基体和扁平的Cr相的粉末冶金得到，其中，使Cr-Cu合金中的Cr含量超过30％且在80％以下。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有高强高导电、导热性，而且制备工艺简单、成本低的Cu-Cr原位复合材料及其制备工艺。
本发明的技术方案是，本发明的Cu-Cr原位复合材料是通过配料、熔炼、浇铸、热锻或热轧、冷轧、冷拔最后成型的铜材。
本发明的Cu-Cr原位复合材料的配方成分组成为(按质量百分比计)：
Cr：5～28；
Ag：0.01～1.00；
B：0.001～0.500；
稀土金属或稀土混合物：0.001～1.000；
Cu：余量；
本发明的Cu-Cr原位复合材料配方中的稀土是指含铈或钇或镧元素的金属或合金或氧化物，稀土混合物是指含铈或钇或镧中的二种或三种元素的合金或氧化物混合物。
本发明的Cu-Cr原位复合材料是通过以下步骤制备：
1、配料：
按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯Cr或含Cr合金、纯Ag或含Ag合金、含B合金、稀土金属或稀土混合物或含稀土合金混合，得到配料；
2、熔炼：
将配好的配料放入中频电磁感应炉或其他熔炼炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化；
3、浇铸：
将熔化了的金属液浇入水冷钢模、石墨模或其他模中得到铸锭；
4、热锻或热轧：
将上述浇铸铸件放入热处理炉中，加热至800℃～1000℃区间的某一温度，保温1～5小时，然后热锻或在常规热轧机上热轧，使其达到20％以上的变形；
5、固溶处理：
将热锻或热轧后的合金装入热处理炉中，加热至950℃～1100℃区间的某一温度，保温0.2～5小时，然后进行淬火处理；
6、冷轧：将淬火后的合金进行20％以上的变形处理；
7、退火：将冷轧后的合金在400℃～700℃之间的某一温度，保温0.1～3小时，随炉冷；
8、冷拔：将处理后的合金进行多道次30％以上的变形处理；
9、时效处理：将合金在250℃～650℃某一区间，保温1～24小时。
本发明通过在Cu-Cr合金中添加一定含量的Ag，主要其三方面的作用，一是降低了高温下Cr在Cu中的固溶度，促进低温下Cr从Cu基体析出，是材料的导电性能提高；二是细化了Cr枝晶，使之变成球形状，是材料的强度得到显 著提高；三是改善材料的塑性，极其显著的提高了材料的冷变形性能，从而大幅度提高材料的成材率。
本发明通过添加一定含量的B元素，主要起两方面的作用，一是进化作用，降低材料中的气体和杂质元素含量，是材料的导电性能提高；二是提高材料的再结晶温度，有利于提高时效和退火温度，促进Cr粒子析出，是材料获得最佳的强度和导电综合性能。
本发明通过添加适量的稀土金属或稀土混合物，提高了金属熔体的纯净度，同时对材料晶粒细化也起到了重要作用，有利于同时提高材料的强度和导电性能。
本发明通过多道次形变将Cr单质变成纤维状，规则的排列在铜基中，使得材料的位错运动阻力增大，从而使材料强度得以强化。
本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明将铜合金材料基体净化，组织细化与形变强化相结合，利用Cr纤维增强和Cr粒子弥散强化结合，使得材料的强度与导电性能达到了最佳的组合，材料的伸强度达到800～1300MPa，导电率达到70～85％IACS，而且制备方法简单，原材料成本低能够实现其在电工开关、触头材料、电阻电极、电大型高速涡轮发电机转子导线、电车及电力火车架空导线、超大规模集成电路引线框架，大功率真空高压开关等方面广泛应用。
附图说明
附图为本发明工艺流程图
具体实施方式
实施例1
(1)配料：按化学成分要求，将符合配方质量百分比的纯Cr 8％、纯Ag 0.05％、含B合金0.05％、稀土金属Ce 0.01％、电解铜为余量，得到配料；
(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；
(3)浇铸：将熔化了的金属液浇入石墨模中得到铸锭；
(4)热锻或热轧：将上述浇铸铸件放入热处理炉中，加热至900℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到40％的变形；
(5)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至980℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；
(6)冷轧：将淬火后的合金进行80％的变形处理；
(7)退火：将冷轧后的合金，加热至450℃，保温0.5小时，随炉冷；
(8)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理；
(9)时效处理：将合金在480℃，保温1小时。
最后制得的铜合金材料
抗拉强度：≥800MPa
电导率：≥80％IACS
实施例2
(1)配料：按化学成分要求，将符合配方质量百分比的含Cr合金10％、纯Ag 0.05％、含B合金0.05％、稀土元素Y 0.01％、电解铜为余量，得到配料；
(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；
(3)浇铸：将熔化了的金属液浇入水冷钢模中得到铸锭；
(4)热锻或热轧：将上述浇铸铸件放入热处理炉中，加热至900℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到40％的变形；
(5)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至980℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；
(6)冷轧：将淬火后的合金进行80％的变形处理；
(7)退火：将冷轧后的合金，加热至470℃，保温0.5小时，随炉冷；
(8)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理。
(9)时效处理：将合金在480℃，保温4小时；
最后制得的铜合金材料
抗拉强度：≥900MPa
电导率：≥75％IACS
实施例3
(1)配料：按化学成分要求，将符合配方质量百分比的纯Cr 12％、含Ag合金0.1％、含B合金0.05％、稀土元素La0.01％、电解铜为余量，得到配料；
(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；
(3)浇铸：将熔化了的金属液浇入石墨模中得到铸锭；
(4)热锻或热轧：将上述浇铸铸件放入热处理炉中，加热至930℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到40％的变形；
(5)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至1000℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；
(6)冷轧：将淬火后的合金进行80％的变形处理；
(7)退火：将冷轧后的合金，加热至490℃，保温0.5小时，随炉冷；
(8)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理；
(9)时效处理：将合金在480℃，保温4小时。
最后制得的铜合金材料
抗拉强度：≥1000MPa
电导率：≥70％IACS
实施例4
(1)配料：按化学成分要求，将符合配方质量百分比的纯Cr 13％、纯Ag0.1％、含B合金0.05％、稀土元素La0.01％和Ce0.01％、电解铜为余量，得到配料；
(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；
(3)浇铸：将熔化了的金属液浇入石墨模中得到铸锭；
(4)热锻或热轧：将上述浇铸铸件放入热处理炉中，加热至950℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到40％的变形；
(5)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至1000℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；
(6)冷轧：将淬火后的合金进行80％的变形处理；
(7)退火：将冷轧后的合金，加热至500℃，保温0.5小时，随炉冷；
(8)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理；
(9)时效处理：将合金在500℃，保温4小时。
最后制得的铜合金材料
抗拉强度：≥1050MPa
电导率：≥70％IACS
Claims (2)
1.一种硼、银、稀土元素添加Cu-Cr原位复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法中Cu-Cr原位复合材料的配方成分组成为(按质量百分比计)：Cr：5～28；Ag：0.01～1.00；B：0.001～0.500；稀土金属或稀土混合物：0.001～1.000；Cu：余量；
所述方法中Cu-Cr原位复合材料是通过配料、熔炼、浇铸、热锻或热轧、冷轧、冷拔最后成型的铜材，其制备工艺步骤如下：
(1)配料：按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯Cr或含Cr合金、纯Ag或含Ag合金、含B合金、稀土金属或稀土混合物或含稀土合金混合，得到配料；
(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉或其他熔炼炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化；
(3)浇铸：将熔化了的金属液浇入水冷钢模、石墨模或其他模中得到铸锭；
(4)热锻或热轧：将上述浇铸铸件放入热处理炉中，加热至800℃～1000℃区间的某一温度，保温1～5小时，然后热锻或在常规热轧机上热轧，使其达到20％以上的变形；
(5)固溶处理：将热锻或热轧后的合金装入热处理炉中，加热至950℃～1100℃区间的某一温度，保温0.2～5小时，然后进行淬火处理；
(6)冷轧：将淬火后的合金进行20％以上的变形处理；
(7)退火：将冷轧后的合金在400℃～700℃之间的某一温度，保温0.1～3小时，随炉冷；
(8)冷拔：将处理后的合金进行多道次30％以上的变形处理；
(9)时效处理：将合金在250℃～650℃某一区间，保温1～24小时。
2.根据权利要求1所述的一种硼、银、稀土元素添加Cu-Cr原位复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法中Cu-Cr原位复合材料配方中的稀土是指含铈或钇或镧元素的金属或合金或氧化物，稀土混合物是指含铈或钇或镧中的二种或三种元素的合金或氧化物混合物。
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