一种高性能铜合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料技术领域，尤其是涉及一种高性能铜合金及其制备方法；所述铜合金含有质量分数为0.02‑0.11%的Zr元素，其余部分为Cu及不可避免的杂质；本发明专利技术的铜合金取得了600‑750 MPa的抗拉强度和75‑97%IACS的电导率，铜合金维氏硬度和电导率比低温轧制后的铜合金维氏硬度提高10‑40 HV，电导率提升10‑20%IACS，具有优异的强度和导电性能；本发明专利技术的制备方法提高了铜基体的热稳定性能，保证了在长期高温工作环境下的铜合金热稳定性能，不易出现合金软化失效的状况。

A High Performance Copper Alloy Material and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of metal materials, in particular to a high-performance copper alloy and its preparation method; the copper alloy contains Zr element with a mass fraction of 0.02 0.11%, the rest is copper and inevitable impurities; the copper alloy of the invention has obtained 600 750 MPa tensile strength and 75 97% IACS conductivity, Vickers hardness and conductivity of the copper alloy after low temperature rolling. The copper alloy of the invention has excellent strength and electrical conductivity by increasing Vickers hardness by 10_40 HV and conductivity by 10_20% IACS. The preparation method of the invention improves the thermal stability of the copper matrix, ensures the thermal stability of the copper alloy under long-term high temperature working environment, and is not prone to alloy softening failure.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能铜合金材料及其制备方法
本专利技术属于金属材料
，尤其是涉及一种高性能铜合金及其制备方法。
技术介绍
铜作为一种具有优良导热导电性能的金属材料，在长久以来一直都是工业和生活应用领域的常见材料。以纯铜金属作为基体并加入一种或几种其它元素后所形成的合金便是铜合金，其性能与纯铜相比，在强度、热稳定性、延展性和耐腐蚀性等方面都有着较大的提升。尤其在车载用电子组件中，要求在更高温度及更强振动的环境下能够长久得使用。但是目前的铜合金的制备方法中也存在这高强度和高导电性能不能共存的问题。例如一些传统方式热处理加的工高强度Cu-Cr-Zr合金，一般78%IACS的电导率和480MPa的抗拉强度，而纯铜虽然退火后有100%IACS的电导率，但是在强度上只有200MPa左右。当前工业生产上制备的铜合金往往为了取得强度或者导电性的中的某一性能，需要一定程度上在另一方面做出牺牲的牺牲。因此如何在提升铜合金优良热稳定性、高强度特性的同时提高导电性成为了阻碍铜合金发展的一个障碍。为了解决铜合金晶粒粗大，成分偏析问题，专利技术专利“环境友好型铜铬锆电工合金”（专利号：200510048661.2）通过添加镁、钐和钇微量金属元素，利用喷射沉积制备合金锭坯，然后进行挤压、拉拔等加工各种形状的材料，尽管抗拉强度和电导率分别达到730MPa、76%IACS，但是大规模生产时存在多元微量金属元素、生产工艺的精确调控和影响电导率等问题。针对铜铬、铜锆和铜铬锆时效硬化合金，专利技术专利（专利号：201510976079:A）通过多次的冷轧、时效和固溶处理的方法制备出高强高导的铜合金的材料。但缺点在于合金元素过多、工艺步骤复杂，且导电和机械性能上还有进一步提升的空间。因此，铜合金中的合金元素含量不易过多，且加工工艺不易过于复杂。根据Hall-Petch关系，金属材料的晶粒组织越细小，其屈服强度越高。对于传统工艺中采用快速凝固措施或热处理手段来获得细小晶粒强化铜合金的方法，近年来通过大塑性变形(譬如，等径角变形ECAP、表面机械碾磨SMGT)的方式细化晶粒强化基体成为了研究热门。尤其是卢柯院士在纳米层状组织中的研究，更是表明了通过制备纳米层状组织提升金属材料强度和塑性的可行性。锆是一种时效强化中提高合金强度的元素，同时锆也可以提高合金的再结晶温度和热稳定性，从而使合金兼具高强度、高导电性和高热稳定性。当锆元素含量小于0.02％时，强度提升不明显，同时对再结晶温度影响较小；当锆元素含量超过0.11％时，虽然合金的强度有所提高，但导电率和塑性降低也非常明显。为了得到强度、成型性、塑性与导电率的最佳均衡，锆的含量控制质量分数0.02～0.11％。在已公开的专利“一种高强高导稀土铜锆合金及其制备方法”中(专利号CN105088010B)，通过加入质量分数0.35~0.45%的锆元素，将二次轧制后的铜合金的软化温度提升至500℃以上，硬度值达到200HV左右且电导率维持也在75%IACS以上，此专利结果充分说明了锆元素对铜合金性能提升的有效性。同时，锆元素能有效提升铜合金的热稳定性其原因在于，在热处理中锆元素会向晶界偏析或在晶内形成析出相，这些沉淀偏析物会降低晶界能抑制晶粒的可动性，阻碍晶粒的再结晶行为。通过极少量的合金元素锆提升铜基体的热稳定性并降低合金元素对导电性的影响，同时利用塑性变形结合高热稳定性获得纳米尺度的晶粒组织提升强度，有望成为制备高强度高导电性的铜合金的新思路。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术中不足，提供一种电导率高、力学性能良好、具有良好热稳定性和生产成本低的高性能铜合金，本专利技术的另一个目的是：提供一种高性能铜合金材料的制备方法，该方法造出来的铜合金能够满足工业应用中对铜合金导电性、热稳定性和力学性能的要求。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种高性能铜合金，所述铜合金含有质量分数为0.02-0.11%的Zr元素，其余部分为Cu及不可避免的杂质。进一步的，所述铜合金通过透射电子显微镜技术测得晶粒在厚度方向上的尺寸为30-500nm，长度方向上的尺寸为90-25000nm。进一步的，所述铜合金在电子背散射衍射技术的测试中大角度晶界分数超过50%，晶粒纵横比达到3:1-50:1。进一步的，所述铜合金中铜基体晶粒组织中含有体积分数5~85%的孪晶组织，孪晶的片层间距为5-100nm，与铜基体晶粒长轴的方向形成约2-40°的夹角。进一步的，所述铜合金在三维原子探针的测试中，有30~80%质量分数的Zr元素分布于铜基体晶粒的晶界上。进一步的，通过熔炼将适量的Zr或Cu-Zr母合金添加到其余组分为铜和无法去除的杂质的铜熔体中，经凝固获得含有质量分数为0.02-0.11%Zr元素的固态铜合金。制备一种高性能铜合金的方法，所述方法包括以下步骤：依次经过熔炼、凝固、固溶处理、等径角变形(equal-channelangularpressing(ECAP)或equal-channelangularextrusion(ECAE))、一次热处理、低温轧制处理和二次热处理；（1）所述的固溶处理为铜合金加热到950-1000℃保温1-2小时并快速淬火冷却的热处理过程；（2）所述的等径角变形为对固溶处理后的铜合金块体进行大塑性变形实现其晶粒超细化的塑性加工过程；（3）所述的一次热处理是在保护气氛下对等径角变形后的铜合金块体加热到250-350℃保温0.5-1.5小时，随后快速淬火冷却至室温的热处理过程；（4）所述的低温轧制处理为将一次热处理的铜合金在低于摄氏零度(如在液氮中浸泡至温度平衡后迅速进行)进行轧制变形的加工过程；（5）所述的二次热处理为低温轧制后的铜合金加热到250-350℃保温0.5-10小时并快速淬火冷却至室温的热处理过程。进一步的，所述步骤（4）中低温轧制处理中铜合金的轧制方向和等径角变形的方向一致，每次轧制的下压量为0.5-1mm，每道次的轧制完后需再次浸泡在液氮中，再重复进行轧制工作；样品总的轧制下压量为60-99%。采用本专利技术的技术方案的有益效果是：1、经本专利技术方法处理的铜合金，抗拉强度和硬度相比于纯铜和得到明显提高。2、经本专利技术方法处理的铜合金，导电性相比于纯铜下降较低。3、经本专利技术方法处理的铜合金，塑性变形后的热稳定性相比于纯铜得到显著提升。4、本专利技术所属的高强高导铜合金的制备方法，操作简单，设备要求低，具有很好的应用前景。5、本专利技术为后续制备高强高导铜合金提供了参考。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是固溶处理后的铜合金的金相照片。图2是等径角变形后的铜合金的晶粒组织图像。图3是一次热处理后的铜合金的晶粒组织图像。图4是低温轧制变形后铜合金的透射电镜图像。图5是二次热处理后的铜合金的晶粒组织图像。图6是固溶处理后、8道次等径角变形后和90%压下量低温轧制完成后的铜合金的拉伸曲线。具体实施方式下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本专利技术，但是这些实施例不是对本专利技术保护范围的限制。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能铜合金，其特征在于：所述铜合金含有质量分数为0.02‑0.11%的Zr元素，其余部分为Cu及不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种高性能铜合金，其特征在于：所述铜合金含有质量分数为0.02-0.11%的Zr元素，其余部分为Cu及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的一种高性能铜合金，其特征在于：所述铜合金在电子背散射衍射技术的测试中大角度晶界分数超过50%，晶粒纵横比达到3:1-50:1。3.根据权利要求1所述的一种高性能铜合金，其特征在于：所述铜合金中铜基体晶粒组织中含有体积分数5~85%的孪晶组织，孪晶的片层间距为5-100nm，与铜基体晶粒长轴的方向形成约2-40°的夹角。4.根据权利要求1所述的一种高性能铜合金，其特征在于：所述铜合金通过透射电子显微镜技术测得晶粒在厚度方向上的尺寸为30-500nm，长度方向上的尺寸为90-25000nm。5.根据权利要求1所述的一种高性能铜合金，其特征在于：所述铜合金在三维原子探针的测试中，有30~80%质量分数的Zr元素分布于铜基体晶粒的晶界上。6.根据权利要求1所述的一种高性能铜合金，其特征在于：通过熔炼将适量的Zr或Cu-Zr母合金添加到其余组分为铜和无法去除的杂质的铜熔体中，经凝固获得含有质量分数为0.02-0.11%的Zr元素的固态铜合金。7.制备如权利要求1-6中任一项所述的一种高性能铜合金的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王经涛，王景皓，刘瑛，蒋尧，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32