一種高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金及其制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

[0001]

本發(fā)明屬于銅合金制備領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金及其制備方法。

背景技術(shù)：

[0002]

銅合金憑借其優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性、耐蝕性、無磁性及高強(qiáng)度等性能，廣泛的應(yīng)用于航天航海、電氣電力等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和需要，對銅合金的性能提出了更加茍刻的要求，其中最重要的就是必須同時(shí)具備高導(dǎo)電和高強(qiáng)度性能。

[0003]

目前，高性能銅合金的研究開發(fā)主要通過兩種手段。一種是通過固溶處理在銅基體中加入符合沉淀彌散強(qiáng)化條件的合金化元素，獲得過飽和固溶體，此時(shí)由于固溶強(qiáng)化效果合金的強(qiáng)度得到提高，但由于合金元素對電子的散射作用使得合金的導(dǎo)電性能大幅降低，為了提高合金的導(dǎo)電性能并進(jìn)一步提高合金強(qiáng)度將過飽和固溶體進(jìn)行時(shí)效處理，使合金化元素與銅或其他元素化合，此時(shí)過飽和固溶體分解，銅基體中析出大量的由合金元素形成的沉淀相，合金導(dǎo)電率迅速提高。而彌散析出的第二相粒子還可以起到沉淀強(qiáng)化的作用，使得合金的強(qiáng)度在很大程度上得到提高。

[0004]

在銅合金中添加稀土元素方面也已經(jīng)有相關(guān)的研究。在銅合金中添加低含量的y元素可以顯著改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高再結(jié)晶溫度，并改變其塑性變形機(jī)制。加入微量的稀土元素，可以使合金的機(jī)械性能顯著提高。此外，在cu-zn-al合金中添加混合稀土元素也可以顯著提高斷裂強(qiáng)度。sc是一種與過渡元素同周期的稀土元素。據(jù)報(bào)道，sc元素也是鋁合金和鋼鐵的最佳改性劑之一。在al-cu合金中引入sc元素可以促進(jìn)θ

′

相的析出并增強(qiáng)析出強(qiáng)化效應(yīng)。結(jié)果表明，在cu-zn-al形狀記憶合金加入sc元素是可以有效的細(xì)化晶粒，并產(chǎn)生細(xì)小彌散的沉淀，從而提高合金的硬度。據(jù)報(bào)道，在cu-ag合金中添加極低的sc元素，可抑制不連續(xù)ag沉淀的形成，從而保持合金的高導(dǎo)電性，硬度增加可達(dá)41.5％。然而，sc元素在銅合金中作為單一添加元素的具體作用目前仍不清楚。

[0005]

低溫軋制是獲得具有優(yōu)良力學(xué)性能的超細(xì)晶(ufg)銅基合金的有效預(yù)處理方法，這一方法已被證實(shí)適用于cu-zn合金、cu-al合金和cu-zr合金。低溫軋制工藝可以抑制動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，從而提高塑性變形的效率。此外，在時(shí)效過程之前，低溫軋制工藝可以獲得更高的畸變應(yīng)變能和高位錯密度，促進(jìn)后續(xù)時(shí)效處理時(shí)的沉淀過程，從而改善合金的機(jī)械性能。低溫軋制在cu-mg，cu-cr-zr合金中不僅可以抑制位錯活動，還有利于變形孿晶的引入。研究發(fā)現(xiàn)低溫軋制比室溫軋制更能細(xì)化cu-mg合金的層狀組織。因此，低溫軋制工藝及后續(xù)的時(shí)效處理是制備高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的二元銅合金的一種很有前途的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

[0006]

本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的成分設(shè)計(jì)與低溫軋制與時(shí)效處理的綜合制備方法，使制備的材料比其他常用冷軋制備的cu-cr系和cu-zr系銅合金材料具有更高的綜合性能。

[0007]

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

[0008]

一種高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的成分設(shè)計(jì)與低溫軋制與時(shí)效處理綜合的處理工藝，包括如下步驟：

[0009]

步驟1、成分設(shè)計(jì)與熔煉鑄造。在銅基體中加入0.1-0.4wt.％的sc元素，在真空感應(yīng)爐中制備cu-sc合金，最后澆注成鑄錠。成分設(shè)計(jì)依據(jù)：sc的添加可導(dǎo)致的晶粒細(xì)化，sc微合金化銅合金的晶粒細(xì)化且比普通銅合金更均勻。cu-sc和cu-zr相圖具有相似的固溶和析出變化趨勢，cu-sc合金可被視為另一種有前景的高導(dǎo)電材料。在共晶溫度下sc和zr在銅基體中的最大溶解度分別為0.4wt.％和0.15wt.％，由于sc比zr在銅基體中的溶解度更高，時(shí)效處理后可產(chǎn)生更大的硬化效應(yīng)。

[0010]

步驟2、均勻化處理。將鑄錠轉(zhuǎn)入電阻爐內(nèi)加熱、保溫，使合金元素均勻地溶解于銅基體中。加熱溫度為820-870℃，保溫時(shí)間為6-8h，之后用水進(jìn)行淬火冷卻。

[0011]

步驟3、熱變形處理。對鑄錠進(jìn)行軋制，對其進(jìn)行多道次的軋制，熱軋溫度為820-870℃，軋成8-12mm厚的板材。

[0012]

步驟4、固溶處理。將軋制后的cu-sc合金進(jìn)行固溶處理，其中，固溶溫度為860-880℃，保溫時(shí)間為1-2h，隨后水淬至室溫。

[0013]

步驟5、低溫軋制。將固溶處理后的cu-sc合金浸入液氮中保溫冷卻，對液氮冷卻的cu-sc合金進(jìn)行多道次的軋制，每道次間液氮冷卻，軋制到0.8-1.2mm厚。低溫軋制溫度通過液氮控制在-160℃以下,變形量為80-90％。

[0014]

步驟6、時(shí)效處理。將低溫軋制后的cu-sc合金進(jìn)行時(shí)效處理，得到高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金樣品。時(shí)效處理溫度控制在400-600℃，保溫時(shí)間為0.5-16h，空冷至室溫。

[0015]

本發(fā)明技術(shù)在于設(shè)計(jì)了一種加入sc元素的二元銅合金，并通過低溫軋制與時(shí)效處理工藝的結(jié)合，調(diào)節(jié)樣品的組織，使樣品獲得更高的性能。樣品經(jīng)低溫軋制與時(shí)效處理后強(qiáng)度較常規(guī)處理有一定提升。本發(fā)明所得cu-sc合金樣品的強(qiáng)度超過冷軋cu-cr-zr合金樣品，其表面硬度達(dá)到200～240hv，通過低溫軋制和隨后在400℃下時(shí)效4h的綜合處理后，cu-sc合金可獲得屈服強(qiáng)度不低于695.8mpa和導(dǎo)電率不低于62.8％iacs的良好匹配。

[0016]

相比現(xiàn)有的銅合金及處理工藝，本發(fā)明具有如下有益效果：

[0017]

本發(fā)明采用低溫軋制與后續(xù)時(shí)效處理相結(jié)合的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷軋后固溶時(shí)效，形成大量細(xì)小彌散的強(qiáng)化相，不僅有更高的強(qiáng)化效果，而且均勻分布的強(qiáng)化相能改善塑性；低溫軋制改善位錯分布，有利于細(xì)化晶粒，使塑性得到更大的提高。本發(fā)明利用低溫軋制前的預(yù)時(shí)效和低溫軋制后的溫軋相結(jié)合來代替?zhèn)鹘y(tǒng)冷軋后長時(shí)間時(shí)效，不僅大大縮短工藝周期，操作簡單，且提高生產(chǎn)效率。采用本發(fā)明的形變熱處理方法制得的cu-sc合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，作為一些高性能銅合金的替代材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

[0018]

應(yīng)當(dāng)理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細(xì)地描述的額外構(gòu)思的所有組合只要在這樣的構(gòu)思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。另外，所要求保護(hù)的主題的所有組合都被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。

[0019]

結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導(dǎo)的前述和其他方面、實(shí)施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實(shí)施方式的特征和有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的具體實(shí)施方式的實(shí)踐中得知。

附圖說明

[0020]

圖1為本發(fā)明一種高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的制備方法的流程示意圖。

[0021]

圖2為本發(fā)明方法的中低溫軋制后的cu-sc合金顯微組織圖。

具體實(shí)施方式

[0022]

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。

[0023]

如圖1所示，本發(fā)明一種制備上述的高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的方法，所述方法具體包括以下步驟：

[0024]

s1)按照設(shè)計(jì)成份分別稱取各個原料，在真空感應(yīng)爐中制備cu-sc合金，最后澆注成鑄錠；

[0025]

s2)將s1)得到的鑄錠轉(zhuǎn)入電阻爐內(nèi)加熱、保溫，使合金元素均勻地溶解于銅基體中；

[0026]

s3)對經(jīng)過s2)處理后的鑄錠在設(shè)定的溫度下進(jìn)行多道次軋制，并軋成板材；

[0027]

s4)對s3)得到的板材進(jìn)行固溶處理；

[0028]

s5)對經(jīng)過s4)處理后的板材進(jìn)行低溫軋制；

[0029]

s6)對經(jīng)過s5)處理后的合金進(jìn)行時(shí)效處理，得到高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金樣品。

[0030]

所述高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的各個組份的質(zhì)量百分比為：sc0.1-0.4wt.％，余量為銅。

[0031]

所述s1)中熔煉溫度為1200-1250℃，并通入氬氣作為保護(hù)氣體。

[0032]

所述s2)中加熱溫度為820-870℃，保溫時(shí)間為6-8h，之后用水進(jìn)行淬火冷卻至室溫。

[0033]

所述s3)中熱軋溫度為820-870℃，每道次軋制壓下量控制在6-12％，軋成8-12mm厚的板材。

[0034]

所述s4)中固溶處理的加熱溫度為860-880℃，保溫1-2h，水冷至室溫。

[0035]

所述s5)中的低溫軋制的工藝為，將s4)處理的合金置于液氮中，從液氮中取出材料立即在室溫下進(jìn)行多道次軋制，每道次壓下量控制在8-15％，每道次間浸入液氮中保溫5-8min。

[0036]

所述s6)中的效處理溫度控制在400-600℃，保溫時(shí)間為0.5-16h，空冷至室溫。

[0037]

所述高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的屈服強(qiáng)度不低于695.8mpa和導(dǎo)電率不低于62.8％iacs的良好匹配。

[0038]

實(shí)施例1:

[0039]

合金成分質(zhì)量百分比為：sc：0.35wt.％，余量為cu。

[0040]

熔煉鑄造后的cu-sc合金在860℃進(jìn)行均勻化處理，鑄錠均勻化后進(jìn)行熱軋?zhí)幚?，熱軋溫度?60℃。將熱軋態(tài)的樣品進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為870℃保溫2h，采用水進(jìn)行淬火冷卻。將固溶處理后得到的樣品浸入液氮中冷卻后取出板材在室溫下進(jìn)行軋制，總變形量為90％，每道次間浸入液氮中保溫6min。將低溫軋制后的樣品進(jìn)行時(shí)效處理，具體時(shí)效處理工藝為：加熱溫度為400℃，保溫2h后空冷至室溫。對樣品進(jìn)行硬度、拉伸性能和導(dǎo)電性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

[0041]

實(shí)施例2:

[0042]

合金成分質(zhì)量百分比為：sc：0.40wt.％，余量為cu。

[0043]

熔煉鑄造后的cu-sc合金在850℃進(jìn)行均勻化處理，鑄錠均勻化后進(jìn)行熱軋?zhí)幚?，熱軋溫度?50℃。將熱軋態(tài)的樣品進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為880℃保溫2h，采用水進(jìn)行淬火冷卻。將固溶處理后得到的樣品浸入液氮中冷卻后取出板材在室溫下進(jìn)行軋制，總變形量為90％，每道次間浸入液氮中保溫7min。將低溫軋制后的樣品進(jìn)行時(shí)效處理，具體時(shí)效處理工藝為：加熱溫度為400℃，保溫4h后空冷至室溫。對樣品進(jìn)行硬度、拉伸性能和導(dǎo)電性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

[0044]

實(shí)施例3

[0045]

合金成分質(zhì)量百分比為：sc：0.30wt.％，余量為cu。

[0046]

熔煉鑄造后的cu-sc合金在870℃進(jìn)行均勻化處理，鑄錠均勻化后進(jìn)行熱軋?zhí)幚?，熱軋溫度?40℃。將熱軋態(tài)的樣品進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為880℃保溫1.5h，采用水進(jìn)行淬火冷卻。將固溶處理后得到的樣品浸入液氮中冷卻后取出板材在室溫下進(jìn)行軋制，總變形量為90％，每道次間浸入液氮中保溫8min。將低溫軋制后的樣品進(jìn)行時(shí)效處理，具體時(shí)效處理工藝為：加熱溫度為450℃，保溫0.5h后空冷至室溫。對樣品進(jìn)行硬度、拉伸性能和導(dǎo)電性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

[0047]

對比例

[0048]

合金成分質(zhì)量百分比為：sc：0.4wt.％，余量為cu。

[0049]

熔煉鑄造后的cu-sc合金在850℃進(jìn)行均勻化處理，鑄錠均勻化后進(jìn)行熱軋?zhí)幚恚瑹彳垳囟葹?40℃。將熱軋態(tài)的樣品進(jìn)行固溶處理，固溶工藝為870℃保溫2h，采用水進(jìn)行淬火冷卻。將固溶處理后得到的樣品在室溫下進(jìn)行軋制，總變形量為90％。將軋制后的樣品進(jìn)行時(shí)效處理，具體時(shí)效處理工藝為：加熱溫度為400℃，保溫2h后空冷至室溫。對樣品進(jìn)行硬度、拉伸性能和導(dǎo)電性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

[0050]

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明低溫軋制+時(shí)效工藝處理的cu-sc合金，強(qiáng)度相較于常規(guī)室溫冷軋工藝在相同時(shí)效時(shí)間下屈服強(qiáng)度提高了111mpa，硬度提高了28hv。在更長時(shí)間的時(shí)效下，導(dǎo)電率增加的同時(shí)仍然保持了較高的強(qiáng)度和硬度。由此可見本發(fā)明既可以使cu-sc合金樣品具有較高的導(dǎo)電率，又可以使樣品具有更高的強(qiáng)度和硬度。cu-sc合金通過低溫軋制和隨后在400℃下時(shí)效4h的工藝可以實(shí)現(xiàn)屈服強(qiáng)度(695mpa)和導(dǎo)電率(62％iacs)的理想結(jié)合。

[0051]

表1實(shí)施例1、2、3和對比例1樣品的力學(xué)和電學(xué)測試性能數(shù)據(jù)

[0052][0053]

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。技術(shù)特征：

1.一種高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金,其特征在于，所述高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的各個組份的質(zhì)量百分比為：sc 0.1-0.4wt.％，余量為銅。2.一種制備如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的方法，其特征在于，所述方法具體包括以下步驟：s1)按照設(shè)計(jì)成份分別稱取cu和sc金屬粉末，在真空感應(yīng)爐中制備cu-sc合金，最后澆注成鑄錠；s2)將s1)得到的鑄錠轉(zhuǎn)入電阻爐內(nèi)加熱、保溫，使合金元素均勻地溶解于銅基體中；s3)對經(jīng)過s2)處理后的鑄錠在設(shè)定的溫度下進(jìn)行多道次軋制，并軋成板材；s4)對s3)得到的板材進(jìn)行固溶處理；s5)對經(jīng)過s4)處理后的板材進(jìn)行低溫軋制；s6)對經(jīng)過s5)處理后的合金進(jìn)行時(shí)效處理，得到高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金樣品。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述s1)中熔煉溫度為1200-1250℃，并通入氬氣作為保護(hù)氣體。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述s2)中加熱溫度為820-870℃，保溫時(shí)間為6-8h，之后用水進(jìn)行淬火冷卻至室溫。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述s3)中熱軋溫度為820-870℃，每道次軋制壓下量控制在6-12％，軋成8-12mm厚的板材。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述s4)中固溶處理的加熱溫度為860-880℃，保溫1-2h，水冷至室溫。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述s5)中的低溫軋制的工藝為，將s4)處理的合金置于液氮中，從液氮中取出材料立即在室溫下進(jìn)行多道次軋制，每道次壓下量控制在8-15％，每道次間浸入液氮中保溫5-8min。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述s6)中的效處理溫度控制在400-600℃，保溫時(shí)間為0.5-16h，空冷至室溫。9.根據(jù)權(quán)利要求2-8所述的方法，其特征在于，所述高強(qiáng)高導(dǎo)cu-sc合金的屈服強(qiáng)度不低于695.8mpa和導(dǎo)電率不低于62.8％iacs。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明屬于銅合金制備領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)高導(dǎo)Cu

技術(shù)研發(fā)人員：解國良 郝紫帆 劉新華 汪銳

受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京科技大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2020.09.27

技術(shù)公布日：2021/1/23