[发明专利]一种提高Cu-Cr系铜合金强度和导电率的热处理方法

说明书

技术领域

本发明属于有色金属热处理领域，涉及一种提高Cu-Cr系铜合金强度和导电率的热处理方法。

背景技术

纯铜具有高导电率，但强度不能满足很多场合下的使用要求，兼具有高强度高导电率铜合金是近些年来快速发展起来的一类重要铜合金，一般来说，导电率高则导热率也高。高强高导铜合金广泛用作为集成电路和半导体器件的引线框架材料、电气化铁路接触线、触头材料、冶金连铸用结晶器、核电站的热交换器等以及应用在高科技、军工领域。而强度和导电率是一对矛盾，如何在较少降低铜合金导电率情况下，大幅度提高合金的强度，其中一类是通过加入少量的合金元素，通过析出细小弥散强化相的办法提高合金强度，业已开发研究的合金系有Cu-Cr系、Cu-Fe系、Cu-Ni-Si系等。Cu-Cr系中的合金有Cu-Cr、Cu-Cr-Zr、Cu-Cr-Zr-Mg等，主要以Cr为析出强化元素，析出强化效果强烈，且第二相产生后导电率仍较高，该系合金因具有良好的导电导热性能、较高的强度以及优良的耐腐蚀性而倍受关注。

本发明是在Cu-Cr系合金热处理的研究基础上获得了一种新的提高材料强度和导电率综合性能的方法。Cu-Cr相图显示Cr在Cu基体中的最大固溶度为1076℃时可达0.7wt％，在450℃时为0.04wt％，而室温下的平衡溶解度降为0.03wt％。根据Cu-Zr相图可知，Zr在Cu中960℃时的溶解度为0.11wt％，在室温下的溶解度为0.01wt％。在Cu-Cr合金中的析出相为Cr，Cu-Cr-Zr合金中析出相除了Cr外，还有Cu-Zr析出相。两种析出相均有两种尺寸分布，一类为微米级的、一类为纳米级，非常细小，其强化效果主要来源于纳米级的析出相，符合弥散强化规律，析出相越多，析出相越细小，强化效果愈好。合金导电率的影响因素主要有固溶于铜基体中的合金元素产生的杂质散射电阻，另外还有界面散射电阻、位错散射电阻等。与纯铜相比，析出相引起的界面增加产生的界面电阻较小；一般认为位错对合金的电阻影响不大，如将无氧铜杆，经变形量达75％以上冷加工变形，电导率下降到约为97.5％IACS，变形后如经时效热处理，位错密度将会大幅度下降，位错对电阻的影响更小。因此对合金电阻率影响因素主要为杂质散射电阻。

Zr对铜基体导电率的影响小于Cr原子，由于Cu-Zr析出相多呈粗大状，因此加入Zr的强化效果弱于加入Cr。Zr与Cr同时加入铜合金中，Zr能影响Cr在Cu中的析出行为，细化Cr析出相，使其形状更倾向于球形，同时Zr能提高合金的晶界强度，因此适量加入Zr对合金导电率影响小，但可以提高合金强度。在Cu-Cr-Zr合金中加入少量的Mg也可提高合金的综合性能，其作用机理正在研究过程中。

常规铸造合金的析出相中相当一部分颗粒比较粗大，分布不均匀，一般要经过固溶、淬火、变形、时效处理以获得更多细小的、弥散分布的析出相。通过高温下固溶、淬火形成Cr与Zr的过饱和固溶体；通过大形变量变形，形成了高密度的位错，为后续时效过程中析出相的形核提供了便利的场所，有利于增强相析出和弥散分布；在时效过程中，由于时效温度相对于析出相的熔点很低，形成了很大过冷度，发生了均匀形核，形核半径小，这样就形成了很多细小弥散增强相颗粒，分布在铜基体颗粒内部，使得合金强度大幅度提高，同时由于固溶在铜基体中Cr、Zr元素大量的减少，合金的导电率大幅度回复。在铜合金中加入合金元素，对导电率影响最大的一个方面是基体中固溶的合金原子产生的杂质散射电阻，不同合金元素影响程度不一样，但均随着固溶量增加，Cu合金电阻率上升，也即导电率下降。为了促进强化相的析出、使得析出相更为弥散，以获得高强度、高导电率合金，一般在时效处理前均经大变形量变形处理；对于某些应用如铸件，无法实现变形处理，只有单独采用时效处理使强化相析出，这时的时效处理工艺就更为重要，一般来说未经变形处理这一步骤所获得的合金强度、导电性能要差一些。

在时效处理过程中，当时效温度较低时，析出的弥散颗粒细小，强化效果好合金强度高，但由于温度较低原子扩散速度慢，虽经长时间的扩散，合金中仍残留较高浓度的合金元素，合金导电率较低；当时效温度较高时，原子扩散速度较快，经时效处理后，合金中残留的合金元素浓度较低，合金导电率高，但由于温度较高，析出颗粒容易长大，合金强度下降；当时效温度过高，析出相元素在合金中溶解度会增加，合金导电率也会下降。这种常规的一阶段时效在本说明书中称为“一次时效”。

发明内容

本发明目的是通过两阶段热处理工艺(命名为“二次时效”)，在保证析出颗粒细小情况下，使得析出更为充分，以提高铜合金强度和导电率性能。