一種高強高導銅合金屏蔽材料及其製備方法與流程
2023-05-15 07:02:41 2
本發明涉及一種高強高導銅合金屏蔽材料及其製備方法，屬於有色金屬加工領域。
背景技術：
隨著中國經濟的快速增長，工業化和城鎮化的不斷提高，超高壓特高壓輸電網和農網改造的進一步加快，「十一五」期間電纜工業獲得了快速發展。電纜主要由導電線芯、絕緣層、密封護套和保護覆蓋層四部分組成。其中保護覆蓋層主要用來保護密封護套免受機械損傷。一般採用鍍鋅鋼帶、鋼絲或銅帶、銅絲等作為鎧甲包繞在護套外，鎧裝層主要起防止外界電磁波幹擾的作用。因此，保護覆蓋層材料應具有一定的機械強度、導電能力和抗電磁屏蔽性能。隨著科學技術的迅猛發展，電子電氣設備的日益更新，電磁波譜也不僅僅停留在無線電波範圍內，正迅速向低端聲頻、次生頻和高端光頻擴展，從而使電磁輻射引發的電磁幹擾已經成為繼水汙染、空氣汙染和噪音汙染的第四大社會公害。電磁幹擾不僅影響通信設備、電子設備工作的穩定性、安全性以及可靠性，而且危害人類身體健康。特別是在某些惡劣環境下，電磁環境趨於複雜化，除了雷電、靜電等自然電磁幹擾源之外，還出現了幹擾效果更為強烈的人為幹擾源，如無線電通信、導航等釋放的幹擾。所以，對電線電纜保護覆蓋層材料的抗電磁屏蔽性能提出了更高的要求。目前，廣泛使用的屏蔽材料主要是傳統的高導電金屬材料和鐵磁性材料。但以上材料都存在電磁屏蔽頻段窄，低頻段屏蔽效能不理想的缺點。因此，提高電磁屏蔽效能和拓寬頻率範圍是電磁屏蔽防護材料最重要的研究內容。銅及銅合金具有較高強度、韌性好、耐磨、延展性好、導電導熱性高、優良的耐腐蝕能力等性能特點，廣泛地使用於電子電器、航空航天、機械製造等領域。雖然銅及銅合金具有優良的導電性，能在高頻環境下具有良好的抗電磁屏蔽性能，但在低頻段電磁屏蔽效果不理想。因此，開發出一種具有高導電率高電磁屏蔽效能(屏蔽頻率寬)的銅合金已迫在眉睫。
技術實現要素：
本發明的主要目的是彌補現有銅合金性能的不足，開發出一種高強度高導電率銅合金屏蔽材料及其製備方法。一種高強高導銅合金屏蔽材料，它的重量百分比組成為：Cr0.05～0.75％，Zr0.01～0.05％，Ag0.012～0.12％，Fe0.005～0.05％，B0.002～0.01％，其餘為Cu，其中，銀與鋯的質量比為1.2～2.4。所添加合金元素的作用：鉻：鉻元素主要在時效過程中以單質鉻析出，提高合金的強度和電導率。由於鉻元素在銅中最大的溶解度為0.75％。因此，本發明的銅合金的Cr含量小於0.75％，當鉻含量小於0.05％，對合金強度的提高不明顯。鋯：由銅-鋯二元相圖可知，鋯元素在時效過程中會與銅結合，形成銅鋯析出相，提高合金的強度和電導率，通常鋯含量為0.02～0.16％。但由於銅鋯析出相是一種圓盤狀，慣習面為基體{111}面的析出相，所以鋯元素對銅鋯或銅鉻鋯系合金強度貢獻不是很大。另外，鋯元素銅合金熔煉過程中容易燒損，回收率低。因此，本發明選擇用銀元素代替部分鋯元素，對銅鉻鋯系合金的成分進行優化和設計。故本發明中鋯元素的含量為0.01～0.05％，主要作用是在時效過程中促進單質鉻相的析出和抑制單質鉻相的長大，提高合金的高溫穩定性。銀：少量的銀元素除了可以在不明顯減低合金電導率的前提下，提高合金的強度和抗高溫軟化性能外，還對析出相有著顯著的影響。在本發明中添加以銀元素，不僅僅可以抑制單質鉻相的長大，還能抑制銅鋯相、單質鐵相和硼鉻相的長大，從而提高合金的強度和電導率。考慮到銀和鋯元素在對析出相和合金性能上具有相類似的作用，現用銀代替鋯。因此，Ag/Zr的原子比應為1～2，即Ag/Zr的質量比為1.2～2.4。所以，對應的銀含量為0.012～0.12％。鐵：由銅-鐵二元相圖可知，在1096℃時，鐵在銅中的最大固溶度為4％，但在300℃以下，鐵在銅中的固溶度只有不到0.0004％，因此，在合金中添加0.005～0.05％，能顯著提高合金的強度，並且能改善合金的抗電磁屏蔽性能。硼：由銅-硼二元相圖可知，在共晶溫度1013℃時，硼在銅中的最大溶解度為0.05wt％，隨著溫度的下降迅速降低到零，但硼與銅不形成化合物，但可以與鉻相結合，形成硼鉻化合物，進一步淨化基體，提高合金的電導率，能顯著提高合金的抗電磁屏蔽效能，特別是低頻段電磁屏蔽性能。但是當合金中的硼含量超過0.01％時，合金中沒有多餘的鉻與硼結合，容易產生硼過量，會降低合金的電磁屏蔽性能。而硼含量低於0.002％時，合金的抗電磁屏蔽性能不明顯。因此，本發明中硼含量為0.002～0.01％。本發明的另一目的是提供上述高強高導銅合金屏蔽材料的製備加工方法。一種高強高導銅合金屏蔽材料的製備加工方法，包括以下工藝流程：a.按照質量百分比進行配料、投料、熔煉及鑄造，b.熱軋，c.固溶處理，d.一次冷軋，e.時效處理，f.二次冷軋，g.退火處理。步驟a中，採用真空中頻感應爐進行熔鑄，所述的熔煉的溫度為1200～1250℃，所述鑄造的溫度控制在1100～1150℃。在熔煉前，在氧化鎂坩堝中加入電解銅、純銀、純鐵、Cu-5％Cr、Cu-10％Zr和Cu-3％B中間合金，將溫度升至1200～1250℃，待電解銅銅熔化後，抽真空，真空度小於0.1Pa，然後再通入氮氣，待熔體完全熔化後，均勻攪拌，保溫10min後澆鑄。步驟b中，將上述合金鑄錠在步進箱式爐中進行加熱，溫度為900～950℃，保溫時間為1～5h，然後再進行熱軋，終軋溫度控制在750～800℃，隨後進行水冷。步驟c中，將熱軋後板材放置箱式退火爐進行固溶處理，固溶處理溫度為900～1000℃，保溫時間為1～4h，冷卻方式為水冷。步驟d中，將固溶處理後的板材進行一次冷軋，加工率為70～90％。步驟e中，將冷軋後的板材放置箱式退火爐進行時效處理，時效處理溫度為400～500℃，保溫時間為4～10h，冷卻方式為空冷。步驟f中，將時效處理後的板材進行二次冷軋，加工率為50～70％。步驟g中，將冷軋後的板材放置在箱式退火爐中進行退火處理，退火溫度為400～600℃，保溫時間為1～6h。此過程主要控制退火溫度來調控合金組織與性能的關係，尤其提高合金電磁屏蔽性能。本發明的優點：本發明通過對銅合金進行成分設計和優化，獲得一種高強度高導電率銅合金屏蔽材料，其化學成分為：鉻含量為0.05～0.75％，鋯含量為0.01～0.05％，銀含量為0.012～0.12％，鐵含量為0.005～0.05％，硼含量為0.002～0.01％，其中合金銀與鋯的元素質量比滿足：1.2≤Ag/Zr≤2.4。另外，為了保證合金同時具有高強度、高導電率和優良的電磁屏蔽性能，本發明開發出了一種適用於上述銅合金的製備加工方法，經加工熱處理後的銅合金材料抗拉強度為500～550MPa，電導率為88～93％IACS，延伸率為6～15％，抗電磁屏蔽性能90～150dB(頻率：50kHz～1GHz)，完全滿足電線電纜對保護覆蓋層材料的使用要求。下面通過具體實施方式對本發明做進一步說明，但並不意味著對本發明保護範圍的限制。具體實施方式本發明的高強高導銅合金屏蔽材料，它含有如下重量百分數的化學成分：Cr0.05～0.75％，Zr0.01～0.05％，Ag0.012～0.12％，Fe0.005～0.05％，B0.002～0.01％，其餘為Cu。其中，所述銅合金中成分的質量比滿足：1.2≤Ag/Zr≤2.4。上述高強高導電銅合金屏蔽材料的製備及加工方法，包括以下工藝流程：a.按照質量百分比進行配料、投料、熔煉及鑄造，b.熱軋，c.固溶處理，d.一次冷軋，e.時效處理，f.二次冷軋，g....