[发明专利]一种高强高导铜合金的设计方法及制备方法

说明书

本发明公开了一种高强高导铜合金的设计方法及制备方法。所述铜合金的设计方法是向铜基体中添加两种以上合金元素，这两种以上合金元素相互之间可以形成电子化合物相，即在铜基体中引入高密度的电子化合物沉淀相来提升合金强度与电导率。该方法可以简单高效地设计出高强高导铜合金。本发明还提供了一种利用所述设计方法设计的铜合金的制备方法，所形成的电子化合物纳米颗粒弥散分布在位错线上，能有效地钉扎住位错，提高合金强度和硬度。

技术领域

本发明涉及一种材料设计和制备方法，更具体的是涉及高强高导铜合金的设计方法及制备方法。

背景技术

铜及铜合金具有良好的导电、导热、耐腐蚀等优良特性，因而在诸多领域都有重要应用。如铁路接触导线、引线框架材料、高强磁场的导体材料、水平连铸结晶器内套等。而今高新技术产业的不断发展，对铜和铜合金的综合性能提出了越来越高的要求。例如高速铁路接触导线材料，需同时具备高强度、低线密度、良好的导电性、良好的耐磨擦性、良好的耐腐蚀性等诸多优异性能，尤其以强度和电导率为最核心指标。然而铜合金中的高强度一直都与高导电性相矛盾，一般只能在尽可能减少电导率损失的前提下尽可能提高强度。如何兼顾铜合金的高强度和高导电性是当前制备高性能铜合金亟待解决的问题。

目前，高强高导铜合金的设计主要有两种思路：合金化法和复合材料法。合金化法是通过添加适量合金元素强化铜基体来提高强度，同时尽量避免添加元素对导电率的不良影响。合金化法通常使用的强化方式为固溶强化、沉淀强化、加工硬化和细晶强化，其中沉淀强化对材料强度的贡献最为显著。沉淀强化也称析出强化，其基本原理是：在铜中加入固溶度较低的合金元素，通过高温固溶处理，使合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体，然后通过后续的时效处理，使过饱和固溶体分解，合金元素将以一定形式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相。而沉淀相的形成可有效阻止晶界和位错的移动，使合金强度显著提高。经沉淀析出的第二相所引起的晶格畸变较小，所以对电子的散射作用比固溶原子引起的散射作用要小的多，因此，脱溶后的铜合金具有较高的导电率。

近几十年来，人们设计时效强化型高强高导铜合金思路是：向铜基体中加入高温时固溶度高、低温时固溶度低的合金元素，这样在时效热处理过程中便会有沉淀相脱溶析出，在强化合金的同时也起到净化铜基体、提升电导率的作用。随着探索的深入，人们发现符合要求的添加元素是非常有限的。常见的析出强化元素有：Be、Ti、Ca、Cr、Zr、Fe等，其中，以Cr、Zr元素的优势更为明显。Cr、Zr高温时在铜基体中的高温极限固溶度分别为0.65和0.15(wt.%)，室温时的固溶度分别为0.03和0.01(wt.%)，极限固溶度与室温固溶度的比值分别为22和15，此值远高于其它析出强化元素在铜基体中极限固溶度与室温固溶度的比值。因而CuCrZr合金是目前工业应用中一种性能优异的脱溶析出强化型高强高导铜合金。然而，随着工业领域的不断发展，对高强高导铜合金的性能提出了更高的要求，例如抗高温软化、抗氧化、耐腐蚀等等。在此背景下，脱溶析出强化型高强高导铜合金受其添加元素种类的限制，发展潜力是有限的。

在此背景下，本发明提出了一种新的沉淀强化型高强高导铜合金设计方法，向铜基体中添加两种以上合金元素，这两种以上合金元素相互之间可以形成具有宽成分范围的电子化合物相，即在铜基体中引入高密度的电子化合物沉淀相来提升合金强度与电导率。该方法可以简单高效地设计出高强高导铜合金。此设计方法的提出，为高强高导铜合金的体系丰富以及性能提升提供了更广阔的空间与更大的可能。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高强高导铜合金的设计方法。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种高强高导铜合金的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种铜合金的设计方法，包括如下步骤：

第一步：选择以铜为基体元素；

第二步：确定除铜以外的合金元素种类数目n，该数目至少为2；选择具体合金元素种类；