一種高導電性的複合金屬的製作方法
2024-02-15 13:35:15
本發明涉及一種複合金屬，尤其涉及一種高導電性的複合金屬，屬於合金材料技術領域。
背景技術：
合金，是由兩種或兩種以上的金屬與金屬或非金屬經一定方法所合成的具有金屬特性的物質。一般通過熔合成均勻液體和凝固而得。根據組成元素的數目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。導電合金，用來傳導電能的合金材料，在下業上用量很大，用途很廣。具有較高的導屯率、良好的加工性能和抗腐蝕性能，只有一定的強度和塑比、日前使用級多的導電合金是銅合金和鋁合金，有時一也採用低碳鋼。而現有技術中使用單一銅合金做導電材料勢必會提高成本，影響市場競爭力。而單一的鋁合金的導電性又無法與銅合金媲美。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有的技術存在上述問題，提出了一種成本低、導電性高的複合金屬。
本發明的目的可通過下列技術方案來實現：一種高導電性的複合金屬，所述的複合金屬包括鋁合金芯部以及包覆在鋁合金芯部表面的銅合金外層，所述的鋁合金的組成成分及質量百分比為Fe0.5-0.7％、Si2.2-2.8％、Cu0.06-0.15％、Mg0.12-0.2％、Ti0.025-0.035％、B0.005-0.02％、Zr0.05-0.15％、V0.022-0.025％、Sc0.1-0.2％，餘量為Al及不可避免的雜質，所述的銅合金的組成成分及質量百分比為Mn0.06-0.35％、Zn0.8-1.5％、Ni0.30-0.45％、Si0.12-0.20％、Sn0.52-0.58％、Al0.18-0.25％、Ag0.01-0.025％，餘量Cu及不可避免的雜質。
若僅用銅合金，儘管導電性能優異，但是銅的價格昂貴，必然導致成本高，市場競爭小。而若單獨使用鋁合金則無法保證其導電性能，限制它的使用。本發明的複合金屬選用導電性較好的鋁合金作為芯部，在芯部表面包覆導電性能較好的銅合金，在保證複合金屬材料的導電性的同時大幅度降低生產成本。
其中，本發明芯部的Al合金為Al-Mg-Si-Cu-Fe基合金，儘管Mg的添加會降低導電率，但是Mg在合金中與基體鋁元素生成大量Mg5Al相，而通過熱處理能使全部Mg5Al相固溶到鋁合金基體α相中，使得合金具有較高的強度和優異的力學性能，尤其是，Mg與Si的同時使用，Mg與Si形成Mg2Si強化相，明顯增加抗拉強度和屈服強度，且Si與Al可形成Al+Si共晶液相，是提高鋁合金鑄造流動性的主要成分。同樣地，雖然Cu可導致導電率小幅降低，但是添加適量的Cu、Mg，能夠增強粒子的彌散程度，增強即時析出相的粒子的強度，大大強化了部分共格的中間相η』和共格的G.P區，因此在基體中，時效時析出的相粒子主要是由略粗的共格G.P區和細小的η』相組成，進而提高合金強度，所以在芯部鋁合金中加入0.06-0.15％Cu在保證接線爪導電性能的同時進一步提高其強度。雖然過量的Si會影響合金的導電性，但本發明接線爪鋁合金中含有Zr、Ti、V、B等元素，元素之間會產生各種各樣的協同作用，所以本發明大大提高了Si含量，仍可進一步提高合金的強度。本發明鋁合金通過各個基本元素的協同作用，在保證動用於複合金屬導電性的情況下，大幅度提高其強度。一般鋁合金中Fe為雜質，即便壓鑄鋁合金中含有Fe，為了利於脫模，Fe的含量一般為0.8-1.0％，因為低於0.7％不利於脫模，高於1.2％會生成金屬化合物，形成硬點，降低合金流動性，損害產品品質，縮短產品壽命。然而本發明複合金屬的芯部鋁合金中加僅加入0.5-0.7％，利用Al-Fe、Al-Fe-Si等金屬間化合物的形式結晶或析出，該結晶物或析出物作為結晶粒的微細化材而發揮作用，在保證導電率的同時提高強度和力學性能。在本發明複合金屬的芯部鋁合金中若Fe的含量超過0.7％，則會嚴重影響合金的導電率，進而影響複合金屬的導電性能。
本發明複合金屬的芯部鋁合金中不含有Cr、Mn，含有Zr、Ti、V、B，通過各元素之間產生的協同作用，細化晶粒，進一步提高合金的強度、耐磨性。其中，元素Zr的加入可以與Al形成Al3Zr，成為固溶體的外來異質結晶核心，可以阻礙再結晶過程，細化再結晶晶粒，細化鑄造組織，提高合金的強度、耐磨性，Zr還能與合金液中的氫反應，生產ZrH，溶於合金液中起除氣作用，減少針孔、疏鬆等缺陷，進而顯著提高合金的力學性能。Ti與B的同時添加，B元素可以使合金中的部分Zr元素由固溶態轉變為析出態，以細小的板片狀第二相粒子的形態存在於晶粒內部和晶界處，減少晶格畸變，改善鋁合金基體的有序性，從而改善鋁合金的強度、耐磨性。Ti與Al形成TiAl2相，成為結晶時的非自發核心，起細化鑄造組織和焊縫組織的作用。儘管可僅含有Zr、Ti、V、B中的一種或幾種，但是本發明同時含有四種元素，使細化晶體結構的效果得以增強。且在鋁合金領域，各元素之間的作用不是單獨存在的，而是通過各成分以及組分的百分比形成一個整體，本發明複合金屬的芯部鋁合金正是通過整體的合理配伍，進一步提高合金的導電性、耐磨性能和力學性能。添加了微量的Sc與合金中的Zr會在凝固過程中形成初生Al3(Sc,Zr)，可顯著細化合金鑄態晶粒，起到輔助細化晶粒與控制再結晶組織的作用。而均勻化時形成的次生Al3(Sc,Zr)粒子可以強烈釘扎位錯和亞晶界，有效抑制變形組織的再結晶，進而顯著提高合金的力學性能，尤其提高其耐磨性。
而外層的銅合金中不含Cr、Ti、Bi等常見元素，通過降低Ni的含量，提高Si、Sn的含量，並加入適量Ag，通過各元素之間產生的協同，大幅度提高銅合金的導電性、強度、衝壓性、抗應力、耐磨等性能。其中，Zn在Cu中的固溶度為39.9％，Sn在Cu中固溶度為15.8％，而Ni可以與Cu無限互溶，它們與銅形成連續固溶體，具有寬闊的單相區，它們能夠明顯地提高銅的機械性能。現有銅合金中的Sn含量一般都控制在0.5％以內，但是通過不斷試驗發現，在本發明銅合金中適當提高了Sn的含量，提高至0.52-0.58％，可以更有效地促進晶粒細化並且增加強度。適量的Mn可以提高銅合金的強度，又因為錳銅電阻溫度系很少，由於有同素異晶轉變，使銅錳合金固態下相變十分複雜，固相下具有調幅分解，變晶轉變等過程，進一步提高本發明銅合金的耐衝擊性能。而Si可以有限固溶於銅，固溶度隨著溫度變化而激烈的變化，當溫度從合金結晶完成之後開始下降時，它們在銅中的固溶度也開始降低，以金屬化合物或單質形態從固相中析出，當這些元素固溶於銅中，能夠明顯地提高其強度，具有固溶強化效應，當它們從固相中析出時，又產生了彌散強化效果，導電和導熱性能得到了恢復，加入Si既可以提高銅合金的強度和抗應力，又可以提高合金的導電率。但若在本發明若Si的含量低於0.1％則無法發揮Si的效果，而若Si的超過0.20％，則會大大影響合金的導電率。更為本發明銅合金中添加有適量的Ag能促進合金的衝壓性、抗應力和強度，尤其當合金在時效狀態時，添加了Ag的上述銅合金可進一步改進抵抗高溫應力的性能。和其他合金元素相比，鋁不僅可增加銅水的流動性，改善該合金材料的鑄造性能，還能最顯著地提高銅合金的強度。由於鋁標準電位相對於鋅更負，因而有著更大的離子化趨向，優先於環境中的氧結合，優先形成微密而堅硬的氧化鋁膜，可以防止合金的進一步氧化，形成的Al2O3膜有阻滯基體腐蝕的作用。在本發明中加入鋁，會使α相區明顯地移向銅角。當鋁含量高時會出現硬而脆的γ相，提高合金的強度和硬度，同時大幅度降低其塑性。另外在本發明外層銅合金中加入0.18-0.25％Al，可以與芯部的鋁合金更好地結合在一起。但是過量的鋁元素反而會在銅水液面產生大量的鋁氧化膜，使銅液中夾渣亦在後續澆鑄銅鑄件時形成夾層，造成鑄件缺陷的產生。當銅合金中含有Sn、Ti、Ni、Bi等元素一起作用時，Al在銅合金中的作用可最大化地發揮。
作為優選，所述的鋁合金的組成成分及質量百分比為Fe0.6-0.7％、Si2.3-2.5％、Cu0.08-0.12％、Mg0.14-0.18％、Ti0.028-0.033％、B0.008-0.016％、Zr0.06-0.12％、V0.022-0.024％、Sc0.12-0.18％，餘量為Al及不可避免的雜質。
作為優選，鋁合金中Mg和Si的質量比為0.05≤Mg/Si≤0.07。因為芯部鋁合金中同時添加有適量的Zr、Ti、B、V，通過各元素之間的協同作用改善鋁合金的導電率和強度，所以在芯部鋁合金中當Mg/Si小於0.05時，則無法發揮Mg可以提高強度的作用，而當Mg/Si大於0.7，尤其是大於0.8時，則將會導致導電率大幅降低，進而影響複合金屬整體的導電性。
作為優選，所述的銅合金的組成成分及質量百分比為Mn0.08-0.3％、Zn0.88-1.25％、Ni0.32-0.42％、Si0.15-0.18％、Sn0.53-0.56％、Al0.20-0.24％、Ag0.02-0.024％，餘量Cu及不可避免的雜質。
作為優選，銅合金中Ni與Si的質量比為2.2-2.8:1。在本發明外層的銅合金合金中Ni的主要作用為使組織細化，提高衝擊韌性，特別是配合Si加入，可形成NiSi耐磨質點，提高材料的耐磨損性能，同時鎳能在一定範圍內擴大α相區，增加α相比例，對耐磨質點起到保護作用，防止耐磨質點在摩擦過程中大量脫落的現象，但過高的鎳含量會造成α相過多，導致材料的機械性能下降，因此在本發明銅合金合金中加入鎳和矽，且當Ni與Si的含量比控制在2.2-2.8:1時兩者的效果更佳。
作為優選，所述外層的厚度為0.05-1mm。
上述的高導電性的複合金屬的加工方法包括如下步驟：將鋁合金溶液通過低壓鑄造成芯部；再將銅合金溶液沉積到芯部表面形成銅合金外層，即得高導電性的複合金屬。
作為優選，所述的低壓鑄造為將鋁合金溶液直澆道注入模具中，注入壓力逐步上升至0.28MPa，然後降至0MPa，脫模取出芯部。
進一步優選，注入壓力上升及下降過程分為以下幾個階段：
升液階段：升液階段在前15s內，相對壓力從0MPa上升至0.08MPa；
充型階段：充型階段在第15-35s內，相對壓力從0.08MPa上升到0.12MPa；
結殼階段：結殼在第35-50s內，相對壓力從0.12MPa上升到0.15MPa；
增壓階段：結殼在第50-70s內，相對壓力從0.15MPa上升到0.28MPa；
保壓結晶階段：保壓結晶階段在第20-250s內，相對壓力保持在0.28MPa；
卸壓階段：卸壓階段在第250-350s內，相對壓力從0.28MPa降到0MPa。
本發明芯部鋁合金通過如上六階段的鑄造工藝鑄造成型，進一步提高鋁合金中組織的緻密性，進而提高其導電率、力學性能。
作為優選，所述銅合金外層包括通過濺射沉積、熱反應蒸發、脈衝雷射沉積和其組合沉積在芯部表面。
與現有技術相比，本發明的複合金屬選用導電性較好的鋁合金作為芯部，在芯部表面包覆導電性能較好的銅合金，在保證複合金屬材料的導電性的同時大幅度降低生產成本。
具體實施方式
以下是本發明的具體實施例，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。
實施例1
一種高導電性的複合金屬，所述的複合金屬包括鋁合金芯部以及包覆在鋁合金芯部表面的厚度為0.05-1mm的銅合金外層，所述的鋁合金的組成成分及質量百分比為Fe0.65％、Si2.4％、Cu0.10％、Mg0.16％、Ti0.032％、B0.012％、Zr0.08％、V0.023％、Sc0.15％，餘量為Al及不可避免的雜質；所述的銅合金的組成成分及質量百分比為Mn0.18％、Zn1.05％、Ni0.38％、Si0.16％、Sn0.54％、Al0.22％、Ag0.022％，餘量Cu及不可避免的雜質。
該實施例中的高導電性的複合金屬通過如下方法製得：
將如上所述的鋁合金熔成溶液並通過直澆道注入模具中，通過六階段鑄造成型：升液階段：升液階段在前15s內，相對壓力從0MPa上升至0.08MPa；充型階段：充型階段在第15-35s內，相對壓力從0.08MPa上升到0.12MPa；結殼階段：結殼在第35-50s內，相對壓力從0.12MPa上升到0.15MPa；增壓階段：結殼在第50-70s內，相對壓力從0.15MPa上升到0.28MPa；保壓結晶階段：保壓結晶階段在第20-250s內，相對壓力保持在0.28MPa；卸壓階段：卸壓階段在第250-350s內，相對壓力從0.28MPa降到0MPa；脫模取出得芯部。
再將如上所述的銅合金溶液通過濺射沉積到芯部表面形成銅合金外層，即得本發明高導電性的複合金屬。
實施例2
一種高導電性的複合金屬，所述的複合金屬包括鋁合金芯部以及包覆在鋁合金芯部表面的厚度為0.05-1mm的銅合金外層，所述的鋁合金的組成成分及質量百分比為Fe0.2％、Si2.3％、Cu0.11％、Mg0.15％、Ti0.032％、B0.01％、Zr0.08％、V0.022％、Sc0.16％，餘量為Al及不可避免的雜質；所述的銅合金的組成成分及質量百分比為Mn0.3％、Zn0.88％、Ni0.42％、Si0.18％、Sn0.53％、Al0.24％、Ag0.02％，餘量Cu及不可避免的雜質。
該實施例中的高導電性的複合金屬通過如下方法製得：
將如上所述的鋁合金熔成溶液並通過直澆道注入模具中，通過六階段鑄造成型：升液階段：升液階段在前15s內，相對壓力從0MPa上升至0.08MPa；充型階段：充型階段在第15-35s內，相對壓力從0.08MPa上升到0.12MPa；結殼階段：結殼在第35-50s內，相對壓力從0.12MPa上升到0.15MPa；增壓階段：結殼在第50-70s內，相對壓力從0.15MPa上升到0.28MPa；保壓結晶階段：保壓結晶階段在第20-250s內，相對壓力保持在0.28MPa；卸壓階段：卸壓階段在第250-350s內，相對壓力從0.28MPa降到0MPa；脫模取出得芯部。
再將如上所述的銅合金溶液通過熱反應蒸發沉積到芯部表面形成銅合金外層，即得本發明高導電性的複合金屬。
實施例3
一種高導電性的複合金屬，所述的複合金屬包括鋁合金芯部以及包覆在鋁合金芯部表面的厚度為0.05-1mm的銅合金外層，所述的鋁合金的組成成分及質量百分比為Fe0.6％、Si2.5％、Cu0.12％、Mg0.17％、Ti0.028％、B0.016％、Zr0.06％、V0.024％、Sc0.12％，餘量為Al及不可避免的雜質；所述的銅合金的組成成分及質量百分比為Mn0.08％、Zn1.25％、Ni0.35％、Si0.15％、Sn0.56％、Al0.20％、Ag0.024％，餘量Cu及不可避免的雜質。
該實施例中的高導電性的複合金屬通過如下方法製得：
將如上所述的鋁合金熔成溶液並通過直澆道注入模具中，通過六階段鑄造成型：升液階段：升液階段在前15s內，相對壓力從0MPa上升至0.08MPa；充型階段：充型階段在第15-35s內，相對壓力從0.08MPa上升到0.12MPa；結殼階段：結殼在第35-50s內，相對壓力從0.12MPa上升到0.15MPa；增壓階段：結殼在第50-70s內，相對壓力從0.15MPa上升到0.28MPa；保壓結晶階段：保壓結晶階段在第20-250s內，相對壓力保持在0.28MPa；卸壓階段：卸壓階段在第250-350s內，相對壓力從0.28MPa降到0MPa；脫模取出得芯部。
再將如上所述的銅合金溶液通過熱反應蒸發沉積到芯部表面形成銅合金外層，即得本發明高導電性的複合金屬。
實施例4
一種高導電性的複合金屬，所述的複合金屬包括鋁合金芯部以及包覆在鋁合金芯部表面的銅合金外層，所述的鋁合金的組成成分及質量百分比為Fe0.5％、Si2.8％、Cu0.06％、Mg0.2％、Ti0.025％、B0.02％、Zr0.05％、V0.025％、Sc0.1％，餘量為Al及不可避免的雜質，所述的銅合金的組成成分及質量百分比為Mn0.06％、Zn1.5％、Ni0.30％、Si0.20％、Sn0.52％、Al0.25％、Ag0.01％，餘量Cu及不可避免的雜質。
該實施例中的高導電性的複合金屬通過如下方法製得：
將如上所述的鋁合金熔成溶液並通過直澆道注入模具中，通過六階段鑄造成型：升液階段：升液階段在前15s內，相對壓力從0MPa上升至0.08MPa；充型階段：充型階段在第15-35s內，相對壓力從0.08MPa上升到0.12MPa；結殼階段：結殼在第35-50s內，相對壓力從0.12MPa上升到0.15MPa；增壓階段：結殼在第50-70s內，相對壓力從0.15MPa上升到0.28MPa；保壓結晶階段：保壓結晶階段在第20-250s內，相對壓力保持在0.28MPa；卸壓階段：卸壓階段在第250-350s內，相對壓力從0.28MPa降到0MPa；脫模取出得芯部。
再將如上所述的銅合金溶液通過濺射沉積到芯部表面形成銅合金外層，即得本發明高導電性的複合金屬。
實施例5
一種高導電性的複合金屬，所述的複合金屬包括鋁合金芯部以及包覆在鋁合金芯部表面的銅合金外層，所述的鋁合金的組成成分及質量百分比為Fe0.7％、Si2.2％、Cu0.15％、Mg0.12％、Ti0.035％、B0.005％、Zr0.15％、V0.022％、Sc0.2％，餘量為Al及不可避免的雜質，所述的銅合金的組成成分及質量百分比為Mn0.35％、Zn0.8％、Ni0.45％、Si0.12％、Sn0.58％、Al0.18％、Ag0.025％，餘量Cu及不可避免的雜質。
該實施例中的高導電性的複合金屬通過如下方法製得：
將如上所述的鋁合金熔成溶液並通過直澆道注入模具中，通過六階段鑄造成型：升液階段：升液階段在前15s內，相對壓力從0MPa上升至0.08MPa；充型階段：充型階段在第15-35s內，相對壓力從0.08MPa上升到0.12MPa；結殼階段：結殼在第35-50s內，相對壓力從0.12MPa上升到0.15MPa；增壓階段：結殼在第50-70s內，相對壓力從0.15MPa上升到0.28MPa；保壓結晶階段：保壓結晶階段在第20-250s內，相對壓力保持在0.28MPa；卸壓階段：卸壓階段在第250-350s內，相對壓力從0.28MPa降到0MPa；脫模取出得芯部。
再將如上所述的銅合金溶液通過熱反應蒸發沉積到芯部表面形成銅合金外層，即得本發明高導電性的複合金屬。
對比例1
現有技術中普通的鋁合金。
對比例2
現有技術中普通的銅合金。
對比例3
單一合金，僅為實施例1中所述的鋁合金。
對比例4
單一合金，僅為如實施例1中所述的銅合金。
對比例5
與實施例1中的區別僅在於，該對比例採用如實施例1中所述的鋁合金通過普通加工方法成型。
表1：實施例1-5及對比例1-5中的合金的性能
綜上所述，本發明的複合金屬選用導電性較好的鋁合金作為芯部，在芯部表面包覆導電性能較好的銅合金，在保證複合金屬材料的導電性的同時大幅度降低生產成本。且本發明複合金屬中芯部的鋁合金配伍合理，通過各元素之間產生的協同作用，並通過六階段的鑄造工藝製成，進一步提高其導電率、耐磨性、力學性能。外層的銅合金配伍合理，通過各元素之間產生的協同作用，並通過六階段的鑄造工藝製成，進一步提高其導電率、耐磨性、力學性能。通過沉積方式將銅合金沉積在芯部表層，進一步提高鋁合金與銅合金之間的結合力，進而提高複合金屬的導電性、耐磨性及其他力學性能。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。