一种高强高导cu-sc合金及其制备方法
技术领域
[0001]
本发明属于铜合金制备领域，特别涉及一种高强高导cu-sc合金及其制备方法。
背景技术：
[0002]
铜合金凭借其优良的导电性、导热性、耐磨性、耐蚀性、无磁性及高强度等性能，广泛的应用于航天航海、电气电力等领域。随着现代化科学技术的发展和需要，对铜合金的性能提出了更加苟刻的要求，其中最重要的就是必须同时具备高导电和高强度性能。
[0003]
目前，高性能铜合金的研究开发主要通过两种手段。一种是通过固溶处理在铜基体中加入符合沉淀弥散强化条件的合金化元素，获得过饱和固溶体，此时由于固溶强化效果合金的强度得到提高，但由于合金元素对电子的散射作用使得合金的导电性能大幅降低，为了提高合金的导电性能并进一步提高合金强度将过饱和固溶体进行时效处理，使合金化元素与铜或其他元素化合，此时过饱和固溶体分解，铜基体中析出大量的由合金元素形成的沉淀相，合金导电率迅速提高。而弥散析出的第二相粒子还可以起到沉淀强化的作用，使得合金的强度在很大程度上得到提高。
[0004]
在铜合金中添加
稀土元素方面也已经有相关的研究。在铜合金中添加低含量的y元素可以显著改变其内部结构，提高再结晶温度，并改变其塑性变形机制。加入微量的稀土元素，可以使合金的机械性能显著提高。此外，在cu-zn-al合金中添加混合稀土元素也可以显著提高断裂强度。sc是一种与过渡元素同周期的稀土元素。据报道，sc元素也是
铝合金和钢铁的最佳改性剂之一。在al-cu合金中引入sc元素可以促进θ
′
相的析出并增强析出强化效应。结果表明，在cu-zn-al形状记忆合金加入sc元素是可以有效的细化晶粒，并产生细小弥散的沉淀，从而提高合金的硬度。据报道，在cu-ag合金中添加极低的sc元素，可抑制不连续ag沉淀的形成，从而保持合金的高导电性，硬度增加可达41.5％。然而，sc元素在铜合金中作为单一添加元素的具体作用目前仍不清楚。
[0005]
低温轧制是获得具有优良力学性能的超细晶(ufg)铜基合金的有效预处理方法，这一方法已被证实适用于cu-zn合金、cu-al合金和cu-zr合金。低温轧制工艺可以抑制动态回复和再结晶，从而提高塑性变形的效率。此外，在时效过程之前，低温轧制工艺可以获得更高的畸变应变能和高位错密度，促进后续时效处理时的沉淀过程，从而改善合金的机械性能。低温轧制在cu-mg，cu-cr-zr合金中不仅可以抑制位错活动，还有利于变形孪晶的引入。研究发现低温轧制比室温轧制更能细化cu-mg合金的层状组织。因此，低温轧制工艺及后续的时效处理是制备高强度、高导电性的二元铜合金的一种很有前途的方法。
技术实现要素：
[0006]
本发明的目的在于提供一种高强高导cu-sc合金的成分设计与低温轧制与时效处理的综合制备方法，使制备的材料比其他常用冷轧制备的cu-cr系和cu-zr系铜合金材料具有更高的综合性能。
[0007]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0008]
一种高强高导cu-sc合金的成分设计与低温轧制与时效处理综合的处理工艺，包括如下步骤：
[0009]
步骤1、成分设计与熔炼铸造。在铜基体中加入0.1-0.4wt.％的sc元素，在真空感应炉中制备cu-sc合金，最后浇注成铸锭。成分设计依据：sc的添加可导致的晶粒细化，sc微合金化铜合金的晶粒细化且比普通铜合金更均匀。cu-sc和cu-zr相图具有相似的固溶和析出变化趋势，cu-sc合金可被视为另一种有前景的高导电材料。在共晶温度下sc和zr在铜基体中的最大溶解度分别为0.4wt.％和0.15wt.％，由于sc比zr在铜基体中的溶解度更高，时效处理后可产生更大的硬化效应。
[0010]
步骤2、均匀化处理。将铸锭转入电阻炉内加热、保温，使合金元素均匀地溶解于铜基体中。加热温度为820-870℃，保温时间为6-8h，之后用水进行淬火冷却。
[0011]
步骤3、热变形处理。对铸锭进行轧制，对其进行多道次的轧制，热轧温度为820-870℃，轧成8-12mm厚的板材。
[0012]
步骤4、固溶处理。将轧制后的cu-sc合金进行固溶处理，其中，固溶温度为860-880℃，保温时间为1-2h，随后水淬至室温。
[0013]
步骤5、低温轧制。将固溶处理后的cu-sc合金浸入液氮中保温冷却，对液氮冷却的cu-sc合金进行多道次的轧制，每道次间液氮冷却，轧制到0.8-1.2mm厚。低温轧制温度通过液氮控制在-160℃以下,变形量为80-90％。
[0014]
步骤6、时效处理。将低温轧制后的cu-sc合金进行时效处理，得到高强高导cu-sc合金样品。时效处理温度控制在400-600℃，保温时间为0.5-16h，空冷至室温。
[0015]
本发明技术在于设计了一种加入sc元素的二元铜合金，并通过低温轧制与时效处理工艺的结合，调节样品的组织，使样品获得更高的性能。样品经低温轧制与时效处理后强度较常规处理有一定提升。本发明所得cu-sc合金样品的强度超过冷轧cu-cr-zr合金样品，其表面硬度达到200～240hv，通过低温轧制和随后在400℃下时效4h的综合处理后，cu-sc合金可获得屈服强度不低于695.8mpa和导电率不低于62.8％iacs的良好匹配。
[0016]
相比现有的铜合金及处理工艺，本发明具有如下有益效果：
[0017]
本发明采用低温轧制与后续时效处理相结合的方式代替传统冷轧后固溶时效，形成大量细小弥散的强化相，不仅有更高的强化效果，而且均匀分布的强化相能改善塑性；低温轧制改善位错分布，有利于细化晶粒，使塑性得到更大的提高。本发明利用低温轧制前的预时效和低温轧制后的温轧相结合来代替传统冷轧后长时间时效，不仅大大缩短工艺周期，操作简单，且提高生产效率。采用本发明的形变热处理方法制得的cu-sc合金具有优异的综合力学性能，作为一些高性能铜合金的替代材料具有广阔的应用前景。
[0018]
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
[0019]
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
[0020]
图1为本发明一种高强高导cu-sc合金的制备方法的流程示意图。
[0021]
图2为本发明方法的中低温轧制后的cu-sc合金显微组织图。
具体实施方式
[0022]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0023]
如图1所示，本发明一种制备上述的高强高导cu-sc合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：
[0024]
s1)按照设计成份分别称取各个原料，在真空感应炉中制备cu-sc合金，最后浇注成铸锭；
[0025]
s2)将s1)得到的铸锭转入电阻炉内加热、保温，使合金元素均匀地溶解于铜基体中；
[0026]
s3)对经过s2)处理后的铸锭在设定的温度下进行多道次轧制，并轧成板材；
[0027]
s4)对s3)得到的板材进行固溶处理；
[0028]
s5)对经过s4)处理后的板材进行低温轧制；
[0029]
s6)对经过s5)处理后的合金进行时效处理，得到高强高导cu-sc合金样品。
[0030]
所述高强高导cu-sc合金的各个组份的质量百分比为：sc0.1-0.4wt.％，余量为铜。
[0031]
所述s1)中熔炼温度为1200-1250℃，并通入氩气作为保护气体。
[0032]
所述s2)中加热温度为820-870℃，保温时间为6-8h，之后用水进行淬火冷却至室温。
[0033]
所述s3)中热轧温度为820-870℃，每道次轧制压下量控制在6-12％，轧成8-12mm厚的板材。
[0034]
所述s4)中固溶处理的加热温度为860-880℃，保温1-2h，水冷至室温。
[0035]
所述s5)中的低温轧制的工艺为，将s4)处理的合金置于液氮中，从液氮中取出材料立即在室温下进行多道次轧制，每道次压下量控制在8-15％，每道次间浸入液氮中保温5-8min。
[0036]
所述s6)中的效处理温度控制在400-600℃，保温时间为0.5-16h，空冷至室温。
[0037]
所述高强高导cu-sc合金的屈服强度不低于695.8mpa和导电率不低于62.8％iacs的良好匹配。
[0038]
实施例1:
[0039]
合金成分质量百分比为：sc：0.35wt.％，余量为cu。
[0040]
熔炼铸造后的cu-sc合金在860℃进行均匀化处理，铸锭均匀化后进行热轧处理，热轧温度为860℃。将热轧态的样品进行固溶处理，固溶工艺为870℃保温2h，采用水进行淬火冷却。将固溶处理后得到的样品浸入液氮中冷却后取出板材在室温下进行轧制，总变形量为90％，每道次间浸入液氮中保温6min。将低温轧制后的样品进行时效处理，具体时效处理工艺为：加热温度为400℃，保温2h后空冷至室温。对样品进行硬度、拉伸性能和导电性能测试，实验结果见表1。
[0041]
实施例2:
[0042]
合金成分质量百分比为：sc：0.40wt.％，余量为cu。
[0043]
熔炼铸造后的cu-sc合金在850℃进行均匀化处理，铸锭均匀化后进行热轧处理，热轧温度为850℃。将热轧态的样品进行固溶处理，固溶工艺为880℃保温2h，采用水进行淬火冷却。将固溶处理后得到的样品浸入液氮中冷却后取出板材在室温下进行轧制，总变形量为90％，每道次间浸入液氮中保温7min。将低温轧制后的样品进行时效处理，具体时效处理工艺为：加热温度为400℃，保温4h后空冷至室温。对样品进行硬度、拉伸性能和导电性能测试，实验结果见表1。
[0044]
实施例3
[0045]
合金成分质量百分比为：sc：0.30wt.％，余量为cu。
[0046]
熔炼铸造后的cu-sc合金在870℃进行均匀化处理，铸锭均匀化后进行热轧处理，热轧温度为840℃。将热轧态的样品进行固溶处理，固溶工艺为880℃保温1.5h，采用水进行淬火冷却。将固溶处理后得到的样品浸入液氮中冷却后取出板材在室温下进行轧制，总变形量为90％，每道次间浸入液氮中保温8min。将低温轧制后的样品进行时效处理，具体时效处理工艺为：加热温度为450℃，保温0.5h后空冷至室温。对样品进行硬度、拉伸性能和导电性能测试，实验结果见表1。
[0047]
对比例
[0048]
合金成分质量百分比为：sc：0.4wt.％，余量为cu。
[0049]
熔炼铸造后的cu-sc合金在850℃进行均匀化处理，铸锭均匀化后进行热轧处理，热轧温度为840℃。将热轧态的样品进行固溶处理，固溶工艺为870℃保温2h，采用水进行淬火冷却。将固溶处理后得到的样品在室温下进行轧制，总变形量为90％。将轧制后的样品进行时效处理，具体时效处理工艺为：加热温度为400℃，保温2h后空冷至室温。对样品进行硬度、拉伸性能和导电性能测试，实验结果见表1。
[0050]
根据表1的实验结果可以发现，本发明低温轧制+时效工艺处理的cu-sc合金，强度相较于常规室温冷轧工艺在相同时效时间下屈服强度提高了111mpa，硬度提高了28hv。在更长时间的时效下，导电率增加的同时仍然保持了较高的强度和硬度。由此可见本发明既可以使cu-sc合金样品具有较高的导电率，又可以使样品具有更高的强度和硬度。cu-sc合金通过低温轧制和随后在400℃下时效4h的工艺可以实现屈服强度(695mpa)和导电率(62％iacs)的理想结合。
[0051]
表1实施例1、2、3和对比例1样品的力学和电学测试性能数据
[0052][0053]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。技术特征：
1.一种高强高导cu-sc合金,其特征在于，所述高强高导cu-sc合金的各个组份的质量百分比为：sc 0.1-0.4wt.％，余量为铜。2.一种制备如权利要求1所述的高强高导cu-sc合金的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：s1)按照设计成份分别称取cu和sc金属粉末，在真空感应炉中制备cu-sc合金，最后浇注成铸锭；s2)将s1)得到的铸锭转入电阻炉内加热、保温，使合金元素均匀地溶解于铜基体中；s3)对经过s2)处理后的铸锭在设定的温度下进行多道次轧制，并轧成板材；s4)对s3)得到的板材进行固溶处理；s5)对经过s4)处理后的板材进行低温轧制；s6)对经过s5)处理后的合金进行时效处理，得到高强高导cu-sc合金样品。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s1)中熔炼温度为1200-1250℃，并通入氩气作为保护气体。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s2)中加热温度为820-870℃，保温时间为6-8h，之后用水进行淬火冷却至室温。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s3)中热轧温度为820-870℃，每道次轧制压下量控制在6-12％，轧成8-12mm厚的板材。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s4)中固溶处理的加热温度为860-880℃，保温1-2h，水冷至室温。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s5)中的低温轧制的工艺为，将s4)处理的合金置于液氮中，从液氮中取出材料立即在室温下进行多道次轧制，每道次压下量控制在8-15％，每道次间浸入液氮中保温5-8min。8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s6)中的效处理温度控制在400-600℃，保温时间为0.5-16h，空冷至室温。9.根据权利要求2-8所述的方法，其特征在于，所述高强高导cu-sc合金的屈服强度不低于695.8mpa和导电率不低于62.8％iacs。
技术总结
本发明属于铜合金制备领域，特别涉及一种高强高导Cu
技术研发人员：解国良 郝紫帆 刘新华 汪锐
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2020.09.27
技术公布日：2021/1/23
声明：
“高强高导Cu-Sc合金及其制备方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：北京科技大学
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2024年06月21日 ~ 23日 
