本發(fā)明屬于銅合金制備以及加工，具體涉及一種添加微量元素的高強高導cu-zr系合金。

背景技術：

1、高強高導銅合金廣泛應用于引線框架、輸電裝置和整流器等場景。而作為引線框架用接觸材料，合金的高強度、高導電率和延伸率需要兼顧。目前，其他的cu-zr系合金強度一般在300～400mpa，難以達到應用標準，且cu和zr容易形成粗大的初生相，極易沿晶界分布，影響合金的力學性能。本發(fā)明添加微量元素si或si和cr的銅鋯系合金在保證了高導電率和延伸率的同時，將強度大幅度提升。

2、添加微量元素si或si和cr的銅鋯系合金在制備過程中存在很大挑戰(zhàn)。首先是熔煉與鑄造過程中，zr元素非常容易揮發(fā)，因此在配料的過程中需要考慮zr元素的燒損。由于zr、cr、si元素的添加，澆鑄出來的鑄錠內部容易存在大的成分偏析，這會導致合金的組織不均勻，影響后續(xù)的加工及最終的產品性能。因此，需要進行適當?shù)木鶆蚧幚?，確保成分均勻。si雖然在銅基體中的固溶度不高，但其對導電率的影響十分顯著，少量的固溶就會導致導電率的降低。通過恰當?shù)臅r效熱處理工藝可以減少固溶在基體中的微合金化元素，從而同時提升強度和導電率。在固溶處理之后主要采用冷變形加時效的方式，冷變形提供了大量的析出相的形核位點，使得綜合性能的提升。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術存在的不足和缺點，擴展高強高導銅合金的多樣性，設計強度、導電率、延伸率兼顧的銅合金材料，本發(fā)明提供了一種添加微量元素的高強高導銅鋯合金及其制備方法，該材料在保證銅鋯合金原本的高導電率的同時，大幅度提升了合金的強度和/或軟化溫度。

2、本發(fā)明所采用的技術方案如下：

3、一種添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金，合金具有zrcusi相，zrcusi相具有100-200um的微米尺寸和/或20-50nm納米尺寸，合金具有微米尺寸的zr3cu4si2相，zr3cu4si2相在晶內析出，均勻分布在銅基體內。

4、一種添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金，由以下成分組成：zr0.4-0.5wt％、si0.1-0.3wt％，余量為cu。

5、更進一步，由以下成分組成：zr0.42-0.48wt％、si0.1-0.3wt％，余量為cu

6、一種上述添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金的制備方法，包括如下制備步驟：

7、(1)真空熔煉：根據(jù)銅鋯硅合金的組成進行配料，在氬氣氛圍內，采用真空感應熔煉爐對銅鋯硅合金進行熔煉，得到合金溶液；

8、(2)鑄造：將上述合金溶液在溫度為1350-1500℃的條件下，澆入石墨模具中進行鑄造，隨真空熔煉爐冷卻，得到合金鑄錠；

9、(3)均勻化：將合金鑄錠在保護氣氛下進行均勻化退火處理，溫度為900-1000℃，時間為4-6h，隨后取出水淬；

10、(4)冷軋開坯：將均勻化后的鑄錠切頭尾銑面，接著在二輥軋機上冷軋，變形量為70-80％；

11、(5)形變熱處理：預時效處理,將預時效處理后的板材進行冷變形，變形量為75-85％,然后在保護氣氛下進行主時效處理，溫度為350-450℃，時間為1-2h。

12、更進一步，步驟(2)中的溫度為1450℃。

13、更進一步，步驟(3)中的退火溫度為950℃，時間為5h。

14、更進一步，步驟(4)中的形變量為75％。

15、更進一步，步驟(5)中的預時效處理的條件為：400℃預時效處理15分鐘。

16、更進一步，步驟(5)中的形變量為80％。

17、一種添加微量si和cr元素的高強高導cu-zr系合金，合金具有100-200um的微米的cuzrcrsi相，40～50微米的cuzrsi相，以及均勻彌散的小于10nm的純cr相和10～20nm的cu5zr相，純cr相和cu5zr相在晶內析出，均勻分布在銅基體內。

18、作為優(yōu)選，由以下成分組成：zr0.4～0.5wt％、si0.1～0.2wt％，cr0.2～0.4wt％，余量為cu。

19、一種添加微量si和cr元素的高強高導cu-zr系合金的制備方法，包括如下制備步驟：

20、(1)真空熔煉：根據(jù)銅鋯硅合金的組成進行配料，在氬氣氛圍內，采用真空感應熔煉爐對銅鋯硅合金進行熔煉，得到合金溶液；

21、(2)鑄造：將上述合金溶液在溫度為1350-1500℃的條件下，澆入石墨模具中進行鑄造，隨真空熔煉爐冷卻，得到合金鑄錠；

22、(3)均勻化：將合金鑄錠在保護氣氛下進行均勻化退火處理，溫度為900-1000℃，時間為4-6h，隨后取出水淬；

23、(4)冷軋開坯：將均勻化后的鑄錠切頭尾銑面，接著在二輥軋機上冷軋，變形量為70-80％；

24、(5)形變熱處理：預時效處理,水淬，將預時效處理后的板材進行冷變形，變形量為75-85％,然后在保護氣氛下進行主時效處理，溫度為350-450℃，時間為1-2h。

25、作為優(yōu)選，步驟(2)中的溫度為1400℃；

26、步驟(3)中的退火溫度為950℃，時間為5h；

27、步驟(4)中的形變量為75％；

28、步驟(5)中的預時效處理的條件為：400℃預時效處理15分鐘；

29、步驟(5)中的形變量為80％。

30、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

31、(1)銅鋯合金在制備過程中，特別是熔煉鑄造過程中存在挑戰(zhàn)。鋯元素易揮發(fā)，因此需考慮燒損。本發(fā)明精確計算并控制了鋯元素的燒損量，結合恰當?shù)木鶆蚧幚?，有效促進了鋯、硅或硅-鉻元素在合金中的均勻分布。

32、(2)本發(fā)明所述的銅鋯合金的制備方法，有效地避免了銅鋯合金中粗大初生相沿晶界分布的問題，由于鋯與硅具有更負的生成焓，合金中析出多尺度的zrcusi和zr3cu4si2相，取代了cu5zr相。由于cr極易取代zr原子和si原子，使zrcusi相轉變?yōu)閏uzrcrsi相，同時促進了純cr的納米析出。這些微米和納米析出相作為強釘扎顆粒阻礙位錯運動，且具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，提升強化效果的同時提高了合金的抗軟化能力。

33、(3)本發(fā)明所述的高強高導銅鋯合金的制備方法，通過調控合金化元素的含量，工藝參數(shù)，包括時效溫度，時間，冷軋壓下量等，能夠實現(xiàn)可控的性能。本發(fā)明制備只需要通過傳統(tǒng)的真空熔煉+組合形變熱處理工藝，其方法簡單，成本低廉，對設備要求不高，能夠適用于大規(guī)模生產。

技術特征：

1.一種添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金，其特征在于：合金具有zrcusi相，zrcusi相具有100-200um的微米尺寸和/或20-50nm納米尺寸，合金具有微米尺寸的zr3cu4si2相，zr3cu4si2相在晶內析出，均勻分布在銅基體內。

2.如權利要求1所述的一種添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金，其特征在于：由以下成分組成：zr0.4-0.5wt％、si0.1-0.3wt％，余量為cu。

3.如權利要求1或2所述的一種添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金，其特征在于：由以下成分組成：zr0.42-0.48wt％、si0.1-0.3wt％，余量為cu。

4.一種如權利要求1-3任一項所述的添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金的制備方法，包括如下制備步驟：

5.一種如權利要求4所述的添加微量si元素的高強高導cu-zr系合金的制備方法，其特征在于：步驟(2)中的溫度為1450℃；

6.一種添加微量si和cr元素的高強高導cu-zr系合金，其特征在于：合金具有100-200um的微米的cuzrcrsi相，40～50微米的cuzrsi相，以及均勻彌散的小于10nm的純cr相和10～20nm的cu5zr相，純cr相和cu5zr相在晶內析出，均勻分布在銅基體內。

7.如權利要求6所述的一種添加微量si和cr元素的高強高導cu-zr系合金，其特征在于：由以下成分組成：zr0.4～0.5wt％、si0.1～0.2wt％，cr0.2～0.4wt％，余量為cu。

8.一種如權利要求6或7所述的添加微量si和cr元素的高強高導cu-zr系合金的制備方法，包括如下制備步驟：

9.一種如權利要求8所述的添加微量si和cr元素的高強高導cu-zr系合金的制備方法，其特征在于：步驟(2)中的溫度為1400℃；

技術總結
本發(fā)明涉及一種添加微量元素的高強高導Cu?Zr系合金材料及其制備方法，屬于銅合金制備以及加工技術領域，主要通過Si等元素與Zr的結合形成微米和納米尺寸的析出相的時效強化，原子的固溶強化，以及冷變形造成的加工硬化的多重強化機制的疊加，從而達到高強度，本發(fā)明主要通過組合形變熱處理的工藝制備，制備出來的銅合金兼具高強度和優(yōu)異的電導率、塑性，并提高了合金的熱穩(wěn)定性，其可以作為引線框架、整流器裝置，應用于軌道交通、電氣電子等先進領域。

技術研發(fā)人員：龔深,逄靜靜,欒天洋
受保護的技術使用者：中南大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8