一種銅鐵鉻三元銅基合金的製作方法

2023-10-09 19:21:49

專利名稱：一種銅鐵鉻三元銅基合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高強高導銅合金，具體地說是提供一種Cu-Fe-Cr三元銅基合金，其適合於在高溫條件下使用，或在製造過程中涉及高溫加熱，如釺焊，熱處理等，但仍要求保持足夠機械強度的場合。
背景技術：
銅是一種優良的高導電、導熱材料。在某些應用條件下，如微電子應用的導電框架材料，連續鑄造中使用的銅結晶器以及點焊機上的銅電極材料等，除了要求良好的導電性或導熱性以外，還需要一定的機械強度，即高強高導材料，然而，純銅是一種強度很低的金屬，單晶銅在很低的切應力下就開始滑移變形。冷加工硬化是強化銅基體的一種方法，通過大量的冷加工變形，銅的強度一般會急劇升高，同時它的導電，導熱性能變化較小，然而，由於純銅的再結晶溫度很低，一般在120℃左右，冷變形純銅就能發生顯著的再結晶，導致冷加工強化效應急劇下降，為了克服這一缺點，添加合金元素是必要的。在設計高強高導銅合金時，一般採用彌散強化的設計思想，即通過固溶處理和時效時第二相粒子彌散析出，釘扎冷加工誘發的大量位錯，抑制再結晶過程，達到強化銅合金的目的，由於要求最大限度的保持銅合金的高導電、高導熱性能，一般添加的合金元素量均較少，合金元素的種類主要是一些體心立方金屬，如鐵、鉻、鈮等。由於面心立方銅基體中對體心立方金屬的溶解度很小，通過時效處理後，這些微量合金元素充分析出，達到彌散強化的目的，同時銅基體保持理想晶格達到高導電，高導熱的目的。目前已經進行工業化生產的高強高導銅合金主要是Cu-Fe-P合金，其已作為系列產品批量生產，如C19200(Cu-1％Fe-0.03％P)，C19400(Cu-2.35％Fe-0.03％P-0.12％Zn)，C19500(Cu-1.5％Fe-0.1％P-0.8％Co-0.6％Sn)，C19700(Cu-0.6％Fe-0.2％P-0.05％Mg)，此外Cu-Cr或Cu-Zr系列的高強高導合金也進行了不少研究和應用如C1500(Cu-0.15Zr)C18200(Cu-0.85Cr)或者Cu-Cr-Zr三元合金等(以上均為美國牌號)目前上述高強高導銅合金存在的主要問題是耐高溫強度較低，例如Cu-Fe-P系列合金，材料經冷加工變形強化後，加熱到400℃左右，材料就已明顯的軟化，機械強度迅速下降，這種材料的軟化機理與彌散沉澱的第二相粒子在高溫下向銅基體中回溶過程有關，即彌散沉澱的第二相粒子重新溶解到銅基體之後，其原有的釘扎位錯的作用隨之消失，由冷加工引起的增殖位錯及其塞積群通過再結晶機制大量消失，導致材料發生明顯的軟化。

發明內容
為了克服現有Cu-Fe-P合金在400℃左右開始軟化的缺點，本發明提供一種新的合金配方，提高銅合金在600℃以下範圍的抗高溫軟化能力，以提高這類合金相對較高溫度下短時加熱(如波峰焊，再流焊等)的工藝性能，和在較高溫度下保持足夠強度的使用性能。
為實現上述目的，本發明提供的Cu-Fe-Cr三元銅基合金的技術方案如下(本發明中除特別指明的外，均為重量百分比)Fe 0.5-2.5Cr 0.3-1.0Cu及不可避免的雜質 餘量本發明提供的Cu-Fe-Cr三元銅基合金中銅的含量大於96.5％，Fe的含量範圍在0.5-2.5％之間，優選範圍1.0-2.4％，Cr的含量範圍為0.3-1.0％，優選範圍為0.5-0.8％。
本發明提供的Cu-Fe-Cr三元銅基合金可以選擇一種普通的熔煉技術進行合金化，熔煉合金時，應採用合適的技術措施，如配製中間合金或在熔體表面復蓋保護層的方法防止合金中的鉻氧化燒損，合金元素的添加方式為Cu-Cr中間合金(Cr含量3％-50％)和Fe，或Fe-Cr中間合金(Cr含量3％-40％)和Fe，中間合金的添加方式與普通銅合金熔煉工藝相同。
本發明合金澆注後，可以直接在鑄態下使用；也可以在冷軋態下或冷軋後時效處理後使用，時效處理條件具體指時效溫度為350℃-600℃。
本發明的技術原理是鐵、鉻均為體心立方金屬，固態下它們均難溶於銅中。在銅合金中Fe，Cr相互共存且互溶，當鐵中溶解一部分Cr後，會擴大α相區，導致其體心立方晶格較為穩定，促使第二相Fe-Cr合金粒子以體心立方晶格在Cu基體中沉澱，並且Fe-Cr合金在一定條件下(溫度、濃度)，還會形成σ相，後者不易於在高溫下發生回溶。作為對比，已有的研究已經表明Cu-Fe-P合金中，在銅基體中析出的Fe有兩種形式存在，即面心立方的γ-Fe，和體心立方的α-Fe。根據「相似者相溶」的原理，γ-Fe具有與Cu基體相同的面心立方晶格，故其比α-Fe較易於向Cu基體中回溶，合金中添加少量Cr以後，改變了沉澱析出Fe的晶體結構，或形成新的σ相，抑制了合金元素的回溶，因而可以相對較高的溫度下，保持一定的機械強度。據此原理，合金中Fe，Cr的添加應符合一定比例，一般Fe/Cr比應為1∶1～1∶0.3(重量)之間。
本發明可以用常規的冶煉和鑄造技術製備各種銅合金產品，如導電電極，高強銅線，銅插銷，插座等，特別適用於製備電子工業中大量使用的引線框架銅帶產品等。與現有技術Cu-Fe-P合金相比，本發明具有如下有益結果
1.本發明合金具有較好的耐高溫性能，冷加工試樣可加熱到600℃，仍然保持較高的強度。
2.與Cu-Fe-P合金相比本發明合金是一種無磷合金，由於銅合金中磷處於固溶狀態時，可使銅合金的電阻值大幅度提高，一般要使磷與Fe結合形成Fe2P或Fe3P才可保證合金有良好的電導率，因而要求嚴格控制生產工藝和條件，才能達到高導電的目的，而本發明合金避免了採用P作為合金化元素，從而可以使製備工藝相對簡單，又保證良好的電導率。
3.本發明合金可採用普通冶煉方法冶煉，與現有Cu-Fe-P合金的冶煉工藝相容性好，不需對現有冶煉設備進行大的改造，因而可在低成本條件下，生產高性能產品。


圖1固溶處理及固溶後冷軋樣品時效熱處理對硬度的影響；圖2冷軋樣品在600℃時效熱處理後的金相組織。
具體實施例方式a.配製Cu-Cr中間合金將純銅與純鉻按Cr 25％其餘為Cu的比例混和，在真空熔煉爐中加熱至兩種金屬共熔，形成均一合金熔體後，澆鑄在一冷模之上，通過快速凝固，形成片狀Cu-Cr中間合金備用。
b.Cu-Fe-Cr合金的冶煉將純銅，銅鉻中間合金和純鐵按一定重量比例配料，在電磁感應爐中加熱熔化，保溫一定時間，澆鑄成錠，冷卻成合金坯料。
c.固溶處理將合金鑄錠在大氣下加熱至1000℃，保溫1小時進行固溶處理，然後水淬至室溫，備用。
d.冷軋及熱處理將固溶處理後的鑄坯進行冷軋，累積壓下量為40％，然後在400℃～600℃下分別加熱保溫一小時進行時效處理。
實施例1按b熔煉合金，合金成份為Cu-0.7Cr-2.0Fe。
按c固溶處理，表明合金高溫抗氧能力很好，大氣下在1000℃下加熱後，表面僅有一薄層黑色氧化膜，水淬後不脫落。作為對比，用K194合金(Cu-2.3Fe-0.1P)在同樣條件下加熱，表面有一層很厚的氧化皮，水淬後，這層厚氧化層爆裂脫落，表面顯銅色，氧化損失較大。
按d冷軋及熱處理，測定其硬度變化，用於評價力學性能，並用金相法觀察其組織變化，結果見圖1和圖2。
從圖1可以看出，本合金在固溶處理後硬度HV70左右，在隨後的加熱時效過程中，硬度曲線比較平坦，直到600℃，硬度變化不大，這一特點表明材料力學性能的穩定性較好。當合金進行一定變形量的冷軋後，材料的硬度明顯提高，達到HV120左右，這主要是由於加工硬化引起的位錯強化效應。將冷軋後的試樣加熱至高溫(直至600℃)時效處理後，與固溶樣品相似，硬度曲線比較平坦，直到600℃，硬度下降很小，回火後，硬度仍然大於HV100，比未冷加工的樣品硬度高50％左右，表明本發明的合金抗高溫軟化的能力優良，以下將用此性能評價合金的抗高溫軟化能力。從圖2給出的金相圖片可以進一步證明，冷軋合金加熱至600℃後仍然保持較細的組織形態，沒有發現Cu的再結晶晶粒，這一結果與圖1給出的力學性能結果相一致。
實施例2按b熔煉合金，合金成份為Cu-0.7Cr-1.0Fe。
按c固溶處理，表明合金高溫抗氧能力很好，大氣下在1000℃下加熱後，表面僅有一薄層黑色氧化膜，水淬後不脫落。
按d冷軋及熱處理，硬度從冷軋時的HV120，下降到600℃時的HV102。
實施例3按b熔煉合金，合金成份為Cu-1.0Cr-2.0Fe。
按c固溶處理，表明合金高溫抗氧能力很好，大氣下在1000℃下加熱後，表面僅有一薄層黑色氧化膜，水淬後不脫落。
按d冷軋及熱處理，硬度從冷軋的HV125，下降到600℃時的HV110。
實施例4按b熔煉合金，合金成份為Cu-0.3Cr-2.5Fe。
按c固溶處理，表明合金高溫抗氧能力很好，大氣下在1000℃下加熱後，表面僅有一薄層黑色氧化膜，水淬後不脫落。
按d冷軋及熱處理，硬度從冷軋時的HV118，下降到600℃時的HV96。
實施例5按b熔煉合金，合金成份為Cu-1.0Cr-0.5Fe。
按c固溶處理，表明合金高溫抗氧能力很好，大氣下在1000℃下加熱後，表面僅有一薄層黑色氧化膜，水淬後不脫落。
按d冷軋及熱處理，硬度從冷軋時的HV122，下降到600℃時的HV108。
權利要求
1.一種銅鐵鉻三元銅基合金，其特徵在於合金中各成份的重量百分比組成為Fe0.5-2.5％，Cr0.3-1.0％，其餘為銅及不可避免的雜質元素。
2.按照權利要求1所述銅鐵鉻三元銅基合金，其特徵在於Fe的含量範圍在1.0-2.4％之間；Cr的含量範圍在0.5-0.8％之間。
3.一種權利要求1所述的銅鐵鉻三元銅基合金的製備方法，包括冶煉、鑄造、固溶處理，其特徵在於合金冶煉時，合金元素的添加方式採用中間合金的方式。
4.按照權利要求3所述的銅鐵鉻三元銅基合金的製備方法，其特徵在於採用Cu-Cr中間合金時，Cr含量3％-50％；採用或Fe-Cr中間合金時，Cr含量3％-40％。
5.按照權利要求3或4所述的銅鐵鉻三元銅基合金的製備方法，其特徵在於固溶處理後進行冷軋及時效，時效處理溫度為350℃-600℃。
全文摘要
本發明涉及一種耐高溫的高強高導銅合金，具體地說是指一種Cu－Fe－Cr三元合金，其合金成分範圍為(重量百分比)Fe0.5－2.5％，Cr0.3－1.0％，其餘為Cu。本發明銅合金的主要優點是在高溫下抗軟化作用明顯，在冷加工後，時效溫度達到600℃時，仍然具有相當的機械強度，另外，當溫度高達1000℃加熱時，合金表面具有優良的抗氧化能力。此外，本發明的合金材料成本較低，製備工藝簡單，合金性能優良，廣泛適用於電子工業和機械工業等要求高強高導性能和較高工作溫度下使用的場合。
文檔編號C22C9/00GK1626692SQ200310119049
公開日2005年6月15日 申請日期2003年12月12日 優先權日2003年12月12日
發明者冼愛平, 曹輝, 閔家源 申請人:中國科學院金屬研究所