一種Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的制備方法
【專利摘要】一種Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域，各組分的重量百分比：鉻0.2～0.5%、鋯0.1～0.3%、鎂0.05～0.2%、鈰0.01～0.02%，通過控制離心速率和離心時間，鑄造出含有納米顆粒的銅合金。這種納米顆粒在熔融態(tài)時作為形核核心，晶粒尺寸顯著減小。由于第二相納米顆粒對位錯運(yùn)動的阻礙以及細(xì)小的晶粒，鑄態(tài)下銅合金的強(qiáng)度得到一定程度的提高。通過后續(xù)形變強(qiáng)化和固溶時效，以及與基體保持共格或半共格的Cr納米顆粒的作用下合金的強(qiáng)度比同等合金顯著提高，時效后導(dǎo)電率也得到了很好地保持，強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別達(dá)到：560MPa～640MPa，70%IACS～83%IACS。
【專利說明】一種Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，可以適用于引線框架、電車線、電氣工程開關(guān)觸橋、發(fā)電機(jī)等需要高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率銅合金的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子行業(yè)及其高速列車事業(yè)的迅猛發(fā)展，對銅合金的性能提出了更高的要求。不僅需要強(qiáng)度指標(biāo)而且對導(dǎo)電性能也提出了較高的要求，高強(qiáng)高導(dǎo)是銅合金發(fā)展的趨勢。目前國內(nèi)高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金技術(shù)比較落后，還嚴(yán)重依賴進(jìn)口。因此發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，不僅具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有良好的社會效益。
[0003]國內(nèi)外大量的研究表明，通過在銅中添加多種固溶強(qiáng)化型合金元素(Cr、Ag、Sn、Zr、Mg、Si等)或者增加合金元素的質(zhì)量百分比，然后經(jīng)過固溶-軋制-時效工藝可以顯著提高合金的強(qiáng)度，但隨著合金元素種類和含量的增加，導(dǎo)電率迅速降低。我們知道，通過傳統(tǒng)的方法制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的難點(diǎn)就是合金強(qiáng)度和導(dǎo)電性的反函數(shù)關(guān)系，即通過傳統(tǒng)方法提高強(qiáng)度往往是以犧牲導(dǎo)電率為代價，或者為改善導(dǎo)電率往往損失了強(qiáng)度。因此通過特殊的工藝方法制備的銅合 金，在提高強(qiáng)度的同時，又不損害導(dǎo)電率是高性能銅合金研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高銅合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電率，本發(fā)明提供了一種Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的制備方法。
[0005]一種Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的制備方法，合金成分質(zhì)量百分比為(0.2~0.5%)Cr,(0.1 ~0.3%) Zr, (0.05 ~0.2%)Mg，(0.01 ~0.02%) Ce，其余為 Cu，該方法的步驟如下:
[0006]I)真空感應(yīng)熔煉，采用木炭保護(hù)，感應(yīng)爐升溫至1150°C熔化電解Cu,，再添加Cu-Cr、Cu-Mg 和 Cu-Zr 中間合金；
[0007]2)升溫至1250~1350°C保溫20~25min，利用電磁感應(yīng)的攪拌作用混合均勻；
[0008]3)迅速降溫至1080°C~1100°C，然后升溫至1150°C~1200°C，進(jìn)行離心澆鑄100r/min ~120r/min,離心 IOmin ~15min ；
[0009]4 )對合金進(jìn)行固溶水淬；
[0010]5)對合金進(jìn)行冷軋
[0011]6)對合金退火。
[0012]通過合金元素一定的配比和離心真空鑄造，鑄造出含有納米顆粒的鑄造銅合金，這種納米級的顆粒作為形核核心可以明顯的起到細(xì)化晶粒的作用，使鑄態(tài)的銅合金由有常規(guī)鑄造的樹枝晶和柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，Cr納米顆粒與銅基體保持共格或半共格關(guān)系，銅合金性能顯著提高。通過后續(xù)的固溶(溫度為960°C~980°C，時間為2h~4h)、冷軋(變形量40%、60%、80%)、退火(溫度為450°C~480°C，時間為2h~8h)進(jìn)一步提高綜合性能，強(qiáng)度和導(dǎo)電率分別達(dá)到:560MPa~640MPa，70%IACS~83%IACS。[0013]本設(shè)計(jì)發(fā)明Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的主要原則是:
[0014](I)通過合金元素合適的配比和離心，使銅合金在熔融狀態(tài)下生成Cr納米級顆粒，這種顆粒彌散分布于熔體中，作為形核的核心大量形核。一定的離心速率使晶粒受到剪切力的作用，長大的晶粒被分割成細(xì)小的晶粒，因此鑄態(tài)下晶粒比較細(xì)小。
[0015](2)鉻、鋯、鎂這些合金元素，在銅中高溫和低溫的溶解度差別很大，固溶處理效果明顯，可以形成過飽和的固溶體。為后續(xù)的時效處理奠定基礎(chǔ)。
[0016](3)時效后析出相能彌散的分布在基體里，并與基體保持著共格或半共格的關(guān)系，強(qiáng)度得到大幅度提高，導(dǎo)電率也得到很好保持。 [0017]本發(fā)明Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅，通過精確控制熔體流場流動、濃度場和溫度場分布，在Cu合金熔體的凝固過程中直接產(chǎn)生與基體界面共格或半共格的原位納米顆粒，這些納米顆粒受到電磁攪拌等作用均勻的分布在基體內(nèi)，作為Cu合金的形核核心顯著地細(xì)化凝固微結(jié)構(gòu)組織，得到強(qiáng)化的基體組織，這些Cr顆粒能阻礙位錯的運(yùn)動，大幅度提高了材料的強(qiáng)度，同時由于與基體保持共格或半共格的關(guān)系，大大減小了對電子的散射作用，導(dǎo)電性能得到很好保持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為鑄態(tài)所得Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的TEM照片及衍射斑點(diǎn)；
[0019]圖2為鑄態(tài)所得Cr納米顆粒的HRTEM照片；
[0020]圖3時效態(tài)Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的光學(xué)顯微鏡照片(a)和TEM照片(b)。
具體實(shí)施方案
[0021 ]本實(shí)驗(yàn)銅合金材料為 Cu- (0.2 ~0.5%) Cr- (0.1 ~0.3%) Zr- (0.05 ~0.2%)Mg- (0.01 ~0.02%)Ce
[0022](I)采用真空熔煉技術(shù)，Cr、Mg和Zr采用Cu-Cr、Cu-Mg和Cu-Zr中間合金的形式加入；
[0023](2)真空中純銅和Cu-Cr —起熔煉，待升溫至1150°C，充入氬氣并加入Cu-Mg和Cu-Zr中間合金。Cr、Zr、Mg的燒損率分別按5%、20%、10%來計(jì)算；
[0024](3)溫度達(dá)1250°C~1350°C左右保溫20min~25min，迅速降溫至1080°C~1100°C，然后升溫至1150°C~1200°C，開始澆鑄同時打開離心機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為100r/min~120r/min, IOmin ~15min 后停止離心；
[0025](4)抽真空,然后充入気氣至一個大氣壓。30min后破真空,空冷至室溫；
[0026](5)待冷卻后固溶，溫度為960°C~980°C，時間為2~3h ;
[0027](6 )冷軋變形量為70%~80%
[0028](7 )時效處理溫度450 V~480 V，時間為5h~8h。
【權(quán)利要求】
1.一種Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的制備方法，其特征在于，合金成分質(zhì)量百分比為:(0.2~0.5%) Cr, (0.1 ~0.3%) Zr, (0.05 ~0.2%)Mg, (0.01 ~0.02%) Ce，其余為 Cu，制備步驟如下: O真空感應(yīng)熔煉，采用木炭保護(hù)，感應(yīng)爐升溫至1150°C熔化電解Cu，，再添加Cu-Cr、Cu-Mg和Cu-Zr中間合金； 2)升溫至1250°C~1350°C，保溫20min~25min，利用電磁感應(yīng)的攪拌作用混合均勻； 3)迅速降溫至1080°C~1100°C，然后升溫至1150°C~1200°C，進(jìn)行離心澆鑄IOOr/min ~120r/min,離心 10min_15min ； 4)對合金進(jìn)行固溶水淬； 5)對合金進(jìn)行冷軋； 6)對合金退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr-Mg-Ce合金的制備方法，其特征在于:所采用的中間合金為Cu-5%Cr、Cu-20%Zr、Cu-10%Mg，并進(jìn)行降溫除氣，熔體中含有的高熔點(diǎn)析出相Cr,在離心力的作用下形成納米級的析出相,形成離心燒鑄保持IOmin~15min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種Cr納米結(jié)構(gòu)晶粒銅的制備方法，其特征在于:步驟 4)所述的固溶溫度為960°C~980°C，時間為2h~4h ;步驟5)所述的冷軋變形量40%、60%、80% ;步驟6)所述的退火溫度為450°C~480°C，時間為2h~8h。
【文檔編號】C22C9/00GK103540788SQ201310477158
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】王自東, 侯彬, 陳曉華, 劉松, 康樂, 戴斯海 申請人:北京科技大學(xué)