專利名稱：一種超高強度銅合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及合金技術領域，具體涉及一種超高強度銅合金及其制備方法。
背景技術：
大規模集成電路與電子器件的高度集成化與小型化，以及長脈沖強磁場技術發展，對高強度和高導電電子封裝關鍵材料和磁場線圈材料的性能提出了新的要求，需要有高強度、高導電性和高導熱性的結合，從而能承受更高的封裝和使用強度和硬度、洛侖茲力和焦耳熱。同時，還應具有高的抗軟化溫度，使用溫度在300°C時的抗拉強度下降率在10%以下。常用高強度銅合金如Cu-Be、Cu-Cr和Cu-Ag等合金已不能滿足要求,如Cu-Be合金導電性不足，而其它合金則強度較低。例如，對于40T的磁場要求線圈強度不低于lOOOMPa，而100T的磁場，要求線圈強度達到1500MPa以上。大量研究表明形變Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-Ag、Cu-Ag-Nb, Cu-Ag-Cr等銅基復合材料具有高強度和良好的導電性，且Cu_Nb、Cu-Ag形變材料已用作長脈沖磁場導體材料處在試用階段，這種形變銅基合金由于具有復合材料的組織和性能特點，所以稱之為形變銅基原位復合材料，是一種新型的高性能銅基功能材料。但是由于銅合金的抗拉強度和導電率是一對相互矛盾的性能指標，采用常規冶金方法制備的材料很難滿足上述要求。目前獲得高強度高導電銅基復合材料的方法有四種高熔點金屬纖維增強銅基復合材料法，如Cu-W ;原位共晶纖維復合材料法，如Cu-L 56%Cr ;形變原位復合材料法，如Cu-20% Nb, Cu-15vol. % Cr ;累積疊層軋制法，如Cu/Zr。原位共晶纖維復合材料法雖然可以獲得理想的高強度和高導電的結合，但由于受共晶成分和結晶規律的限制，性能的進一步提高和工業化的應用受到制約。高熔點金屬纖維增強銅基復合材料法因W、Mo金屬纖維本身成本高和難加工性，使其制造技術復雜、工藝要求高、質量控制難度大。目前對高強高導電銅合金研發主要集中在Cu_Ag、Cu-Nb> Cu-Cr和Cu-Fe 二元合金系，以及Cu-Ag-Nb、Cu-Ag-Cr、Cu-Fe-Cr等三元合金系。鑄態下基本上是由純銅相和純過渡族金屬所組成，且第二相以樹枝狀或顆粒狀存在基體中，經形變后，過渡族金屬相形成了平行于線拉方向的纖維，導致合金具有高的強度和導電性。但是，其最大拉伸強度一般不超過lOOOMPa。這與增強纖維相均為大變形純金屬有關，眾所周知，純金屬的強度通常較低。

發明內容
本發明的目的在于提供一種超高強度銅合金。本發明的目的還在于提供一種超高強度銅合金的制備方法。為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是一種超高強度銅合金，所述超高強度銅合金為Cu-Zr合金，由Cu、Zr組成，Zr的重量百分含量為4. 25% 11. 23%，余量為Cu。所述超高強度銅合金中的Cu為合金基體，Zr以Cu9Zr2 (或Cu5Zr)第二相的形式存在于超高強度銅合金中，Cu9Zr2 (或Cu5Zr)的形狀為平行于拉拔方向的大部分纖維和分布在Cu合金基體上的微量細小彌散顆粒。
一種超高強度銅合金的制備方法，包括以下步驟(I)母合金制備母合金制備原料為2號標準電解銅和海綿鋯；熔煉過程為采用真空非自耗電極電弧爐熔煉，抽真空至5X 10_2Pa，再充氬氣至0. 06MPa,開始起弧熔煉，所述原料完全熔化后關閉電弧，冷卻后180°翻面；重復所述熔煉過程三次，之后冷卻，得到母合金，然后將所述母合金破碎至不大于IOmm的小塊狀備用； (2)真空熔煉和快速凝固在高頻真空熔煉爐中將破碎后的母合金放入石英管中，對高頻真空熔煉爐抽真空至5 X10_2Pa，爐膛充氬氣至0. 06MPa，熔化破碎后的母合金，之后再精煉20分鐘，然后在石英管內加0. 5Mpa的氬氣，將石英管中的熔融金屬液體澆注入純銅鑄模內，澆注成直徑
3.2 5. 2mm的圓柱形鑄錠，冷卻10分鐘，從純銅鑄模中取出； (3)連續冷拉拔變形將直徑3. 2 5. 2mm的圓柱形鑄錠車去外皮至直徑為3. 0 5. Omm,然后在冷拉拔機上分次連續拉拔變形至直徑為0. IOmm I. Omm的合金絲；⑷最終退火合金絲在電阻爐中于300 400°C、氬氣保護下加熱0. 5 I小時，之后緩冷，制得
超高強度銅合金。優選的，所述2號標準電解銅為CU-CATH-2，其純度為Cu的重量百分含量彡 99. 95%。優選的，所述海綿鋯為HZr-1，其純度為Zr的重量百分含量彡99. 4%。Zr作為銅合金和形變銅基復合材料的重要合金元素，通常添加量很低，屬微量添力口，一般為0. 05%左右，用來通過時效析出形成彌散分布的Cu-Zr金屬間化合物，顯著提高銅系合金或形變銅基復合材料的組織熱穩定性和抗軟化溫度。根據Cu-Zr 二元合金相圖，隨 Zr 含量的增加,在 Cu-Zr 系中相繼出現 Cu9Zr2 (Cu5Zr)、Cu4Zr (Cu51Zr14)、Cu8Zr3> Cu10Zr7^CuZr和CuZr2,因此Cu-Zr合金成為研發形變原位金屬間化合物纖維增強銅合金的最佳合金體系，但是，當合金中Zr含量高于11. 23% wt，合金脆性增大，強度急劇下降。本發明提供的超高強度銅合金是在形變原位金屬纖維增強銅合金的基礎上，通過真空熔煉和快速凝固制得了亞共晶和共晶Cu-Zr合金，通過多道次冷拉拔，之后輔以最終退火，最終獲得以原位超細Cu9Zr2(Cu5Zr)金屬間化合物線狀纖維增強的超高強度銅合金。同時，由于銅基體中的合金元素以彌散分布第二相的形式大部分析出，使銅基體的導電率大副度提高，再結晶抗力顯著提高，從而使合金在具有超高強度的同時，保持較高的導電性和高溫組織穩定性。本發明提供的超高強度銅合金抗拉強度達1000_1710MPa，導電率25-60% IACS,軟化溫度450-550°C，具有超高強度、中等導電性、高抗軟化溫度，具有高熱穩定的優點，而且具有性能控制便捷的優點。本發明提供的超高強度銅合金可用于大功率電真空管、微電子器件管腳、集成電路、微波通信等領域，在國防工業和電子信息產業具有廣泛應用前景。
具體實施例方式實施例I
本實施例超高強度銅合金由Cu、Zr組成，Zr的重量百分含量為5. 64%，余量為Cu。其中Cu為合金基體，Zr以Cu9Zr2(Cu5Zr)第二相的形式存在，Cu9Zr2 (Cu5Zr)的形狀為平行于拉拔方向的大部分纖維和分布在銅基體上的微量細小彌散顆粒。本實施例超高強度銅合金的制備方法，包括以下步驟(I)母合金制備母合金制備原料為2號標準電解銅Cu-CATH-2和海綿鋯HZr_l，Zr的添加量為5. 64% ;熔煉過程為采用0. 5kg真空非自耗電極電弧爐熔煉，抽真空至5 X 10_2Pa，充氬氣至0.06MPa，開始起弧熔煉，完全熔化后關閉電弧，冷卻后180°翻面；重復熔煉過程三次，之后冷卻，制得母合金,破碎至不大于IOmm的小塊狀備用；(2)真空熔煉和快速凝固

在30kg高頻真空熔煉爐中進行，將破碎后的母合金放入石英管中，石英管內徑15_，石英管底端有直徑I. 5mm噴嘴，石英管頂端與氬氣通過管道相連，對高頻真空熔煉爐抽真空至5X 10_2Pa，爐膛充氬氣至0. 06MPa，熔化母合金，之后精煉20分鐘，在石英管內加0. 5MPa氬氣，將石英管中的金屬合金液體直接澆注入純銅鑄模內，澆注成直徑3. 2mm的圓柱形鑄錠，冷卻10分鐘，取出；(3)連續冷拉拔變形將直徑3. 2mm的圓柱形鑄錠車去外皮至3. Omm,在冷拉拔機上經多道次連續拉拔至直徑0. 5mm的合金絲,拉拔模具為硬質合金模具；(4)最終退火將直徑0. 5mm的合金絲在管式氣氛保護電阻爐中于400°C氬氣保護下加熱I小時，之后緩冷，制得本實施例超高強度銅合金。本實施例提供的超高強度銅合金的性能指標為拉伸強度為lOOOMPa，導電率60% IACS，軟化溫度 500 °C。實施例2本實施例超高強度銅合金由Cu、Zr組成，Zr的重量百分含量為4. 25%，余量為Cu。其中Cu為合金基體，Zr以Cu9Zr2(Cu5Zr)第二相的形式存在，Cu9Zr2 (Cu5Zr)的形狀為平行于拉拔方向的大部分纖維和分布在銅基體上的微量細小彌散顆粒。本實施例超高強度銅合金的制備方法，包括以下步驟(I)母合金制備母合金制備原料為2號標準電解銅Cu-CATH-2和海綿鋯HZr_l，Zr的添加量為
4.25% ;熔煉過程為采用0. 5kg真空非自耗電極電弧爐熔煉，抽真空至5X10_2Pa，充氬氣至0.06MPa，開始起弧熔煉，完全熔化后關閉電弧，冷卻后180°翻面；重復熔煉過程三次，之后冷卻，制得母合金,破碎至不大于IOmm的小塊狀備用；(2)真空熔煉和快速凝固在Ikg高頻真空熔煉爐中進行，將破碎后的母合金放入石英管中，石英管內徑15_，石英管底端有直徑I. 2_噴嘴，石英管頂端與氬氣通過管道相連，對高頻真空熔煉爐抽真空至5X 10_2Pa，爐膛充氬氣至0. 06MPa，熔化母合金，之后精煉20分鐘，在石英管內加0. 5MPa氬氣，將石英管中的金屬合金液體直接澆注入純銅鑄模內，澆注成直徑4. 15mm的圓柱形鑄錠，冷卻10分鐘，取出；
(3)連續冷拉拔變形將直徑4. 15mm的圓柱形鑄錠車去外皮至4. Omm,在冷拉拔機上經多道次連續拉拔至直徑0. 28mm的合金絲,拉拔模具為硬質合金模具；(4)最終退火將直徑0. 28mm的合金絲在氣氛保護箱式電阻爐中于300°C氬氣保護下加熱0. 5小時，之后緩冷，制得本實施例超高強度銅合金。本實施例提供的超高強度銅合金的性能指標為拉伸強度為1280MPa，導電率41% I ACS，軟化溫度 450°C。實施例3本實施例超高強度銅合金由Cu、Zr組成，Zr的重量百分含量為11. 23%，余量為 Cu。其中Cu為合金基體，Zr以Cu9Zr2(Cu5Zr)第二相的形式存在，Cu9Zr2(Cu5Zr)的形狀為平行于拉拔方向的大部分纖維和分布在銅基體上的微量細小彌散顆粒。本實施例超高強度銅合金的制備方法，包括以下步驟(I)母合金制備母合金制備原料為2號標準電解銅Cu-CATH-2和海綿鋯HZr_l，Zr的添加量為
11.23% ;熔煉過程為采用Ikg真空非自耗電極電弧爐熔煉，抽真空至5X 10_2Pa，充氬氣至0.06MPa，開始起弧熔煉，完全熔化后關閉電弧，冷卻后180°翻面；重復熔煉過程三次，之后冷卻，制得母合金,破碎至不大于IOmm的小塊狀備用；(2)真空熔煉和快速凝固在Ikg高頻真空熔煉爐中進行，將破碎后的母合金放入石英管中，石英管內徑20mm,石英管底端有直徑2. 5mm噴嘴，石英管頂端與氬氣通過管道相連，對高頻真空熔煉爐抽真空至5X 10_2Pa，爐膛充氬氣至0. 06MPa，熔化母合金，之后精煉20分鐘，在石英管內加0. 5MPa氬氣，將石英管中的金屬合金液體直接澆注入純銅鑄模內，澆注成直徑5. 2mm的圓柱形鑄錠，冷卻10分鐘，取出；(3)連續冷拉拔變形將直徑5. 2mm的圓柱形鑄錠車去外皮至5. Omm,在冷拉拔機上經多道次連續拉拔至直徑0. 27mm的合金絲，拉拔模具為硬質合金模具；(4)最終退火將直徑0. 27mm的合金絲在真空氣氛保護管式電阻爐中于300°C氬氣保護下加熱0. 5小時，之后緩冷，制得本實施例超高強度銅合金。本實施例提供的超高強度銅合金的性能指標為拉伸強度為1710MPa，導電率25% IACS，軟化溫度 550°C。
權利要求
1.一種超高強度銅合金，其特征在于，所述超高強度銅合金為Cu-Zr合金，由CiuZr組成，Zr的重量百分含量為4. 25% 11. 23%，余量為Cu。
2.根據權利要求I所述的超高強度銅合金，其特征在于，所述超高強度銅合金中的Cu為合金基體，Zr以Cu9Zr2第二相的形式存在于超高強度銅合金中，Cu9Zr2的形狀為平行于拉拔方向的大部分纖維和分布在Cu合金基體上的微量細小彌散顆粒。
3.—種權利要求I或2所述的超高強度銅合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)母合金制備 母合金制備原料為2號標準電解銅和海綿鋯；熔煉過程為采用真空非自耗電極電弧爐熔煉，抽真空至5X 10_2Pa，再充氬氣至0. 06MPa,開始起弧熔煉，所述原料完全熔化后關閉電弧，冷卻后180°翻面；重復所述熔煉過程三次，之后冷卻，得到母合金，然后將所述母合金破碎至不大于IOmm的小塊狀備用； (2)真空熔煉和快速凝固 在高頻真空熔煉爐中將破碎后的母合金放入石英管中，對高頻真空熔煉爐抽真空至5 X 10_2Pa，爐膛充氬氣至0. 06MPa,熔化破碎后的母合金，之后再精煉20分鐘，然后在石英管內加0. 5Mpa的氬氣，將石英管中的熔融金屬液體澆注入純銅鑄模內，澆注成直徑3. 2 5.2mm的圓柱形鑄錠，冷卻10分鐘，從純銅鑄模中取出； (3)連續冷拉拔變形 將直徑3. 2 5. 2mm的圓柱形鑄錠車去外皮至直徑為3. 0 5. Omm,然后在冷拉拔機上分次連續拉拔變形至直徑為0. IOmm I. Omm的合金絲； (4)最終退火 合金絲在電阻爐中于300 400°C、氬氣保護下加熱0. 5 I小時，之后緩冷，制得超高強度銅合金。
4.根據權利要求3所述的超高強度銅合金的制備方法，其特征在于，所述2號標準電解銅為Cu-CATH-2，其純度為Cu的重量百分含量彡99. 95%。
5.根據權利要求3所述的超高強度銅合金的制備方法，其特征在于，所述海綿鋯為HZr-I，其純度為Zr的重量百分含量彡99. 4%。
全文摘要
本發明涉及合金技術領域，具體公開了一種超高強度銅合金及其制備方法。超高強度銅合金為Cu-Zr合金，由Cu、Zr組成，Zr的重量百分含量為4.25％～11.23％，余量為Cu，超高強度銅合金中的Cu為合金基體，Zr以Cu9Zr2第二相的形式存在于超高強度銅合金中，Cu9Zr2的形狀為平行于拉拔方向的大部分纖維和分布在Cu合金基體上的微量細小彌散顆粒。本發明提供的超高強度銅合金抗拉強度達1000-1710MPa，導電率25-60％IACS，軟化溫度450-550℃，可用于大功率電真空管、微電子器件管腳、集成電路、微波通信等領域，在國防工業和電子信息產業具有廣泛應用前景。
文檔編號C22C9/00GK102676868SQ201210006180
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者任鳳章, 馮江, 劉勇, 孫永偉, 宋克興, 張毅, 李紅霞, 楊雪瑞, 田保紅, 賈淑果, 龍永強 申請人:河南科技大學