多元微合金化铜合金材料及其制备方法与流程

专利2022-06-28 70

本发明涉及一种铜合金，本发明还涉及铜合金的制备方法。

背景技术：

随着铁路列车的不断提速和电气化铁路建设步伐的加快，对铜合金接触网线产品的性能和质量要求越来越高，促使网线材料及其制造技术不断升级，网线材料最重要的性能指标就是抗拉强度、导电率和抗软化温度。铜合金是重要的网线材料，在铜合金研究领域，通过合理添加微量合金元素，可以改善合金的显微组织，配合适当的形变热处理制度可使铜合金的强度、抗高温软化性等指标都能得到显著提高。

现有技术中也公开了很多关于改善铜合金力学性能的专利文献，如：

申请号为200610017523.2的中国发明专利申请公开《一种具备高强度和高导电性能的铜合金材料及其制备工艺》(公开号为cn1818109a)，该专利文献中铜合金材料主要包含有cu、cr、zr和混合稀土元素(ce y)元素，各成分的含量是：cr0.05～0.40wt％，zr0.05～0.20wt％，(ce y)≤0.20wt％，余量为cu。其处理工艺如下：900～960℃×1h固溶处理(水淬)→30％～45％冷拉拔变形→440～520℃时效处理0.5～4h→冷拉拔成型。其制得的铜合金具有高强度与高导电性兼顾的特点，其强度能够达到500～600mpa以上，电导率仍能保持在80％iacs以上，同时还具有较高的高温性能和耐磨性能。

申请号为201110037687.2《一种高强度高导电率铜合金的制备方法》(公开号为cn102108451a),该专利文献中涉及的铜合金包括铜铬(cu-cr)、铜锆(cu-zr)和铜铬锆(cu-cr-zr)，其中cr的含量为0.1～0.6％，zr的含量为0.01～0.5％。主要包括如下步骤：按上述重量百分比，采用混合熔炼，熔铸成cu-cr、cu-zr和cu-cr-zr合金；对铸锭进行固溶处理；在室温下对固溶处理的铜合金进行等通道变形；然后对等通道变形后的cu-cr、cu-zr和cu-cr-zr合金进行挤压、拉拔或轧制等加工；最后对工件进行时效处理。该方法克服了单一组元强化效果有限，减少了过量元素对导电性的不利影响，尤其是在不改变样品形状和尺寸的情况下，获得超细晶，易与挤压、拉拔或轧制等加工工艺相结合，可以生产期望形状的产品，充分发挥了细晶强化和时效强化作用。

申请号为201180059926.2的中国发明专利申请公开《铜合金及铜合金的制造方法》(公开号cn103328665a)，该专利文献中涉及的铜合金包含ni：3.0～29.5质量％、al：0.5～7.0质量％、si：0.1～1.5质量％，剩余部分由cu及不可避免的杂质构成的fcc结构的铜合金，且是在上述铜合金的母相中使包含si的l12结构的γ’相以平均粒径100nm以下析出的高强度铜合金。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而另外提供一种高抗拉强度、高导电率的多元微合金化铜合金材料。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种高抗拉强度、高导电率的多元微合金化铜合金材料的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种多元微合金化铜合金材料，包括如下组分及其重量配比：

cr：0.20～0.60％；

zr：0.05～0.10％；

te：0.05～0.35％；

p：0.003～0.01％；

nb：0.06～0.15％；

ti：0.04～0.08％；

ca：0.06～0.15％；

la：0.02～0.06％；

ce：0.02～0.06％；

余量为cu。

作为优选，该铜合金材料包括如下组分及其重量配比：

cr：0.35～0.50％；

zr：0.06～0.09％；

te：0.15～0.30％；

p：0.004～0.007％；

nb：0.08～0.12％；

ti：0.04～0.08％；

ca：0.06～0.12％；

la：0.04～0.06％；

ce：0.04～0.06％；

余量为cu。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种多元微合金化铜合金材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

①上引连续铸造：根据所述铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu、脱水木炭放入加热炉中，在大气环境下进行熔炼，加热至1150～1250℃，用纯铜片包裹cu-te、cu-nb、cu-p、cu-cr、cu-zr、cu-ca、cu-la、cu-ce中间合金以及纯ti放入铜液中保温3～5min，控制炉内合金溶液温度在1150～1250℃，再次添加脱水木炭，降低合金的烧损；然后进行上引连铸合金杆，并将合金杆材进行剪切处理；

②固溶处理：将步骤①所得的合金杆置于保温炉中进行固溶处理，随后进行水淬处理，对所得合金杆进行酸洗；

③旋锻处理：将步骤②所得的合金杆件，经至少二道次旋锻，每道次变形量控制在15～25％，总变形量60～75％；

④时效处理：步骤③所得的合金杆件置于保温炉中分别进行时效处理，随后进行酸洗处理；

⑤冷变形：将步骤④所得的合金杆件经至少二道次冷拉拔，每道次变形量控制在15～20％，冷拉拔总变形量65～75％。

作为优选，步骤①中第一添加的脱水木炭的覆盖层的厚度为10～12cm。

作为优选，步骤①中纯铜片的厚度为30～35μm。

作为优选，步骤②中所述固溶处理条件如下：固溶温度为920～950℃，处理时间1.5～2h。

作为优选，步骤④中所述的时效处理条件如下：时效温度440～460℃，时效时间2～3h。

微合金化元素cr、zr、te对铜合金导电性能影响较小，cr、zr能显著提升合金的力学性能和抗软化性能，te以弥散独立相cu2te存在于铜中，提高合金的灭弧性能；微量p的加入能提高铜的流动性以及具有脱氧的作用，微合金化元素nb、la、ce能够显著细化铜合金的组织，同时提升合金塑性和抗拉性能，除此之外稀土元素la、ce能够有效除去纯铜中pb、si等杂质元素，净化基体，另一方面，nb与cr反应生成的cr2nb颗粒促使基体中的cr析出，减少了电子散射，同时也与zr形成了固溶体，增加了合金的硬度；微量ca、ti以固溶的形式存在于基体中，且ti元素的添加能够稳定纳米cr相共格析出，进一步提升合金的力学性能和抗软化性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过添加多种微合金化元素配合上引连续铸造及旋锻技术制备高强度、高导电、高热稳定性铜合金杆材，经过合适的形变热处理，相比普通的高强高导cu-cr-zr合金，软化温度最高可提升140℃左右。微合金化元素cr、zr能显著提升合金的力学性能和抗软化性能，微量te以弥散独立相cu2te存在于铜中，提高合金的灭弧性能；微量p的加入能提高铜的流动性以及具有脱氧的作用，微量高熔点nb作为合金凝固时的异质核心从而细化晶粒，同时提升合金塑性和抗拉性能，另一方面，nb与cr反应生成的cr2nb颗粒促使基体中的cr析出，减少了电子散射，同时也与zr形成了固溶体，增加了合金的硬度；稀土元素la、ce能够显著细化铜合金的组织，有效除去纯铜中pb、si等杂质元素，净化基体，微量ca、ti以固溶的形式存在于基体中，且ti元素的添加能够稳定纳米cr相共格析出，进一步提升合金的抗软化性能和力学性能。具体地：

通过本发明所制备的高性能铜合金材料，有着优异的力学、电学性能，并且具备一定的灭弧性能，在新能源汽车电池系统、换流器、电动马达、高压线缆等部分都有着良好的应用前景。目前高速铁路接触线主要采用纯铜、铜镁、铜银合金，但随着电气化进程的加快以及高铁运行速度的增加，接触线材料急需升级，本发明所制备的高性能铜合金线材，性能指标满足接触线所需各项要求，有着极好的应用价值。此外，该合金还能应用于高强高导引线框架类产品、电阻焊电极材料等等。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

(1)上引连续铸造：根据所述多元微合金化铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu、足量脱水木炭放入加热炉中(脱水木炭覆盖层的厚度在12cm左右)，在大气环境下进行熔炼，加热至1150～1250℃，用纯铜片(30μm)包裹cu-3tewt.％、cu-20nbwt.％、cu-14pwt.％、cu-8crwt.％、cu-40zrwt.％、cu-20cawt.％、cu-10lawt.％、cu-10cewt.％中间合金以及纯ti放入铜液中保温5min，控制炉内合金溶液温度在1150～1250℃，再次添加脱水木炭，降低合金的烧损；然后进行上引连铸制备φ＝28mm合金杆，并将合金杆材进行剪切处理(单根合金杆长度为1200mm)。其成分为cr：0.50wt.％；zr：0.09wt.％；te：0.3wt.％；p：0.005wt.％；nb：0.12wt.％；ti：0.08wt.％；ca：0.12wt.％；la：0.05wt.％；ce：0.05wt.％。

(2)固溶处理：将步骤(1)所得的合金杆置于保温炉中进行固溶处理，固溶温度为950℃，处理时间1.5h，随后进行水淬处理，对所得合金杆进行酸洗。

(3)旋锻处理：将步骤(2)所得的合金杆件，经多道次旋锻至φ＝15mm，每道次变形量控制在15～25％，旋锻冷变形过程为(φ＝28mm→φ＝22mm→φ＝18mm→φ＝15mm)，总变形量71％。