專利名稱：銅-鉻-鋯合金材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種銅合金材料及其制備方法，具體地說，涉及一種銅-鉻-鋯(Cu-Cr-Zr)合金材料及其制備方法。
背景技術：
高性能銅合金材料是一類具有優良綜合性能的功能材料，其既具有高的強度和優良的導電導熱性，又具有優越的高溫性能。在電力電子、機械和航空航天等領域有著廣泛的用途。隨著科學技術和現代工業的迅猛發展，對銅合金材料的性能提出了更高的要求。上世紀60、70年代以來，為滿足現代工業發展的需要，國內外學者相繼開發出一系列高強高導的銅合金。王慶娟等在2007年第7期《(功能材料》雜志上發表學術論文，稱她們制備了 Cu-0. 2Cr合金，其抗拉強度為360. 3MPa，其電導率為91. O % IACS ;鐘建偉等制備了Cu-1. OCr-O. 2Zr合金，并隨后進行了合金固溶處理、冷軋以及隨后的時效處理，在最佳的形變熱處理工藝條件下其合金的抗拉強度和屈服強度分別達到了 527. OMPa和487. OMPa，伸長率為12.3%，電導率為82.0% IACS (《中國有色金屬學報》，2008，18 (6));劉強等制備了不同成分的Cu-Cr-Zr系合金，并進行了變形、固溶和時效處理，合金最佳性能為抗拉強度及導電率分別可達599MPa和82% IACS (《沈陽化工大學學報》，2010，24 (I));陸月嬌等制備了 Cu-Fe原位復合材料，其冷變形后的最高抗拉強度可達970. 3MPa，但其導電率只有40. 85% IACS，對材料進行退火處理后，其導電率增加到47. 22% IACS，但其抗拉強度卻降低到695. 3Mpa(《中國有色金屬學報》，2009，19(8))。從目前的公開的文獻可以看出，現有的高強高導的銅合金材料尚不能完全滿足技術發展對其性能要求。有的合金材料的導電率可以達到使用要求，但其抗拉強度還是低于技術發展對合金性能的要求，即合金的抗拉強度要大于600MPa。有些合金材料的抗拉強度可以滿足技術發展對材料性能的需要，但其導電率卻又低于技術發展的要求。鑒于此，提供一種新型銅合金就成為本發明需要解決的技術問題。

發明內容
本發明的目的之一在于，提供一種新型銅合金材料，克服現有技術中存在的缺陷。本發明所提供的銅合金材料，其以單質銅(Cu)、單質鉻(Cr)和單質鋯(Zr)為原料，主要經熔煉法或球磨法制得；所制得的銅合金材料在室溫(20°C 25°C，下同)下的拉伸強度大于或等于達到800MPa，電導率大于或等于60% IACS，軟化溫度大于或等于500°C;其中，以所用單質銅(Cu)、單質鉻(Cr)和單質鋯(Zr)的總重量為100%計，單質鉻(Cr)的用量為0. 5wt% 9. 0wt%,單質錯(Zr)的用量為0. 5wt% 9. Owt%,單質銅(Cu)的用量為90wt% 99wt%。本發明的目的之二在于，提供一種制備上述銅合金材料的方法，其包括如下步驟(熔煉法)
(I)由單質鉻(Cr)和單質錯(Zr)熔煉制得Cr-Zr合金的步驟；(2)由Cr-Zr合金和單質銅(Cu)熔煉制得Cu-Cr-Zr合金的步驟；(3) Cu-Cr-Zr合金經熱處理及軋制處理制得目標物(本發明所述的銅合金材料)的步驟。或(球磨法)(I)在惰性氣體氣氛中，以金屬鉻粉末和金屬鋯粉末為原料，通過球磨法制備鉻/鋯合金粉末的步驟；(2)在惰性氣體氣氛中，以鉻/鋯合金粉末(由步驟⑴制得)和金屬銅粉末為原料，通過球磨法制備銅/鉻/鋯合金粉末的步驟；(3)將銅/鉻/鋯合金粉末(由步驟(2)制得)依次經壓坯、燒結及冷加工(如擠 壓、軋制或者拉拔等)步驟制得到目標物(本發明所述的銅合金材料)的步驟。在本發明所提供的銅合金(Cu-Cr-Zr合金)材料中，不但有Cr-Zr化合物的彌散強化，還有Cr的固溶強化和Zr的析出強化，這樣可以大大提高Cu-Cr-Zr合金材料的強度；而由于Cr和Zr主要形成了 Cr-Zr化合物，其固溶在基體中的量很少，對導電率的影響不大，所以本發明所提供的銅合金(Cu-Cr-Zr合金)材料還保持著高的電導率。此外，本發明提供的銅合金(Cu-Cr-Zr合金)材料還具有良好的熱穩定性，可以廣泛應用于電子封裝、電接觸觸頭、高速鐵路接觸導線等領域。


圖lCu_5wt% Cr2Zr合金材料的X射線衍射圖(900°C燒結)
具體實施例方式在本發明一個優選的技術方案中，以本發明所用原料(單質銅、單質鉻和單質鋯)的總重量為100%計，單質鉻(Cr)的用量為0.5被％ 4.5被％，單質鋯(21")用量O. 5wt % 4. 5wt %,單質銅(Cu)用量為 95wt % 99wt %。本發明所述的通過球磨法制備本發明所述合金的方法，其包括如下步驟(I)在惰性氣體(如氮氣或氬氣等)氣氛中，將金屬鉻粉末(Cr，純度99. 9%以上)和金屬鋯(Zr，純度99. 9 %以上)粉末按重量比I : I的比例混合，得混合物A，將混合物A放入球磨機中,球與混合物A的重量比為4 1，在惰性氣體氣氛中球磨2小時 20小時，得到Cr-Zr合金粉末；(2)在惰性氣體(如氮氣或氬氣等)氣氛中，將由步驟⑴所得的Cr-Zr合金粉末與金屬銅粉末(Cu，純度為99. O %或以上)按比例混合，得混合物B，將混合物B放入球磨機中，球與混合物B的重量比為4 1，在惰性氣體氣氛中球磨2小時 20小時，得到Cu-Cr-Zr合金粉末；(3)首先，將由步驟(2)所得的Cu-Cr-Zr合金粉末在200MPa_400MPa條件下，壓制成壓坯；然后，將該壓坯于80(TC 90(TC燒結；再經冷加工(如擠壓、軋制或者拉拔等)得到目標物(本發明所述的銅合金材料)。而當采用熔煉法制備時，步驟(A)是在真空電弧爐中進行即將單質Cr和單質Zr置于真空電弧爐中，抽真空，然后用惰性氣體(如氬氣等)保護，引弧后電極電流調到400A 600A，將電弧對準單質Cr和單質Zr,進行熔煉,得到Cr-Zr合金；步驟(B)在真空中頻感應爐中進行即先將單質銅熔化，繼續精煉至少8分鐘，在惰性氣體(如氬氣等)保護下，加入Cr-Zr合金(由步驟㈧制得)，攪拌、澆鑄(約12000C )，冷卻，得到Cu-Cr-Zr合金；
步驟(C)中所述的Cu-Cr-Zr合金的熱處理是將Cu-Cr-Zr合金在800°C 850°C狀態保持至少I小時；所述的軋制處理是將經熱處理后的合金在軋機上進行軋制成型。按上述方法(熔煉法或球磨法)所制得的銅合金材料，其具有高強度與高導電性兼顧的特點(這是因為在本發明所提供的Cu-Cr-Zr合金材料中，Cr和Zr主要形成了Cr-Zr化合物(參見附圖l)，Cr和Zr固溶在基體中的量很少，對導電率的影響不大)，克服了現有銅合金材料中高強度與高導電間存在難于調和矛盾的缺陷。此外，本發明所提供的銅合金材料的使用壽命比現有的銅合金材料提高4 5倍，特別適和用于引線框架封裝、電接觸材料和大功率異步牽引電動轉子等領域。實施例I(I)將純度99. 9%以上的Cr和Zr粉末按重量比為I : I比例混合，放入高能球磨機中制備Cr-Zr合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cr和Zr粉末混合料之間的重量比為4 I，球磨時間10小時，得到Cr-Zr合金粉末； (2)將Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(99wt % ) Cu- (Cr-Zr) I. Owt %的比例混合，然后放入高能球磨機中混合合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cu-Cr-Zr混合料的重量比為4 : I，球磨時間2小時，得Cu-Cr-Zr合金粉末；(3) Cu-Cr-Zr合金粉末依次在200MPa條件下，壓制成坯；在800°C條件下，燒結所得的壓坯；在8001條件下，進行擠壓(得到半成品)；及冷加工等步驟，得到成品A。室溫下，成品A的抗拉強度為810MPa，電導率為68% IACS。實施例2(I)將純度99. 9%以上的Cr和Zr粉末按重量比為I : I比例混合，放入高能球磨機中制備Cr-Zr合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cr和Zr粉末混合料的重量比為4 I，球磨時間10小時，得到Cr-Zr合金粉末；(2)將Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(99. 5wt % ) Cu- (Cr-Zr) O. 5wt %的比例混合，然后放入高能球磨機中混合合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cu-Cr-Zr混合料的重量比為4 I，球磨時間5小時，得Cu-Cr-Zr合金粉末；(3) Cu-Cr-Zr合金粉末依次在300MPa條件下，壓制成坯；在850°C條件下，燒結所得的壓坯；在8001條件下，進行擠壓(得到半成品)；及冷加工等步驟，得到成品B。室溫下，成品B的抗拉強度為800MPa，電導率為69. 2% IACS。實施例3(I)將純度99. 9%以上的Cr和Zr粉末按重量比為I : I比例混合，放入高能球磨機中制備Cr-Zr合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cr和Zr粉末混合料的重量比為4 I，球磨時間20小時，得到Cr-Zr合金粉末； (2)將Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(90wt % ) Cu- (Cr-Zr) IOwt %的比例混合,然后放入高能球磨機中混合合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cu-Cr-Zr混合料的重量比為4 I，球磨時間10小時，得Cu-Cr-Zr合金粉末；
(3) Cu-Cr-Zr合金粉末依次在400MPa條件下，壓制成坯；在900°C條件下，燒結所得的壓坯；在8001條件下，進行擠壓(得到半成品)；及冷加工等步驟，得到成品C。室溫下，成品C的抗拉強度為910MPa，電導率為62% IACS。實施例4(I)將純度99. 9%以上的Cr和Zr粉末按重量比為I : I比例混合，放入高能球磨機中制備Cr-Zr合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cr和Zr粉末混合料的重量比為4 I，球磨時間2小時，得到Cr-Zr合金粉末；(2)將Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(99wt % ) Cu- (Cr-Zr) I. Owt %的比例混合，然后放入高能球磨機中混合合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cu-Cr-Zr混合料的重量比為4 1，球磨時間10小時，得Cu-Cr-Zr合金粉末；
(3) Cu-Cr-Zr合金粉末依次在200MPa條件下，壓制成坯；在900°C條件下，燒結所得的壓坯；在8001條件下，進行擠壓(得到半成品)；及冷加工等步驟，得到成品D。室溫下，成品D的抗拉強度為815MPa，電導率為67. 5% IACS。實施例5(I)將純度99. 9%以上的Cr和Zr粉末按重量比為I : I比例混合，放入高能球磨機中制備Cr-Zr合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cr和Zr粉末混合料的重量比為4 I，球磨時間20小時，得到Cr-Zr合金粉末； (2)將Cr-Zr合金粉末和Cu粉末按照(95. Owt % ) Cu- (Cr-Zr) 5. Owt %的比例混合，然后放入高能球磨機中混合合金粉末，球磨氣氛為氮氣，研磨球與Cu-Cr-Zr混合料的重量比為4 I,球磨時間10小時,得Cu-Cr-Zr合金粉末；(3) Cu-Cr-Zr合金粉末依次在400MPa條件下，壓制成坯；在900°C條件下，燒結所得的壓坯；在800°C條件下，進行擠壓(得到半成品)；及冷加工等步驟，得到成品E。室溫下，成品E的抗拉強度為852MPa，電導率為65. 8% IACS。實施例6(A)將單質Cr和單質Zr置于真空電弧爐中，抽真空，然后氬氣保護。引弧后電極電流調到400A，然后將電弧對準單質Cr和單質Zr，進行熔煉。Cr和Zr熔化后等其冷卻再重熔一次。然后待爐冷后，進氣并打開爐門，取出Cu-Zr合金。(B)然后用真空中頻感應爐熔煉Cu-Cr-Zr合金，先將高純陰極銅(純度99. 95% )熔化后，繼續精煉8分鐘以上，在氬氣的保護下，加入2. Owt %的Cr-Zr合金，進行攪拌后，澆鑄(澆鑄溫度大約為1200°C )，冷卻約五分鐘后出爐，得到Cu-Cr-Zr合金。(C)將Cu-Cr-Zr合金放入箱式爐中進行熱處理，熱處理溫度為800°C，保溫時間為I小時。然后將Cu-Cr-Zr合金置于軋機上進行軋制成型，得到成品F。室溫下，成品F的抗拉強度為825MPa，電導率為65. 8% IACS。實施例7(A)將單質Cr和單質Zr置于真空電弧爐中，抽真空，然后氬氣保護。引弧后電極電流調到500A，然后將電弧對準單質Cr和單質Zr，進行熔煉。Cr和Zr熔化后等其冷卻再重熔一次。然后待爐冷后，進氣并打開爐門，取出Cu-Zr合金。(B)然后用真空中頻感應爐熔煉Cu-Cr-Zr合金，先將高純陰極銅(純度99. 95% )熔化后，繼續精煉8分鐘以上，在氬氣的保護下，加入5. Owt %的Cr-Zr合金，進行攪拌后，澆鑄(澆鑄溫度大約為1200°C )，冷卻約五分鐘后出爐，得到Cu-Cr-Zr合金(C)將Cu-Cr-Zr合金放入箱式爐中進行熱處理，熱處理溫度為850°C，保溫時間為I小時。然后將Cu-Cr-Zr合金置于軋機上進行軋制成型，得到成品G。室溫下，成品G的抗拉強度為848MPa，電導率為64. 3% IACS。
實施例8(A)將單質Cr和單質Zr置于真空電弧爐中，抽真空，然后氬氣保護。引弧后電極電流調到600A，然后將電弧對準單質Cr和單質Zr，進行熔煉。Cr和Zr熔化后等其冷卻再重熔一次。然后待爐冷后，進氣并打開爐門，取出Cu-Zr合金。(B)然后用真空中頻感應爐熔煉Cu-Cr-Zr合金，先將高純陰極銅(純度99. 95% )熔化后，繼續精煉8分鐘以上，在氬氣的保護下，加入10. 0wt%的Cr-Zr合金，進行攪拌后，澆鑄(澆鑄溫度大約為1200°C )，冷卻約五分鐘后出爐，得到Cu-Cr-Zr合金(C)將Cu-Cr-Zr合金放入箱式爐中進行熱處理，熱處理溫度為850°C，保溫時間為2小時。然后將Cu-Cr-Zr合金置于軋機上進行軋制成型，得到成品H。室溫下，成品H的抗拉強度為908MPa，電導率為61. 5% IACS。以上所述實施例僅表達本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的時，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種銅合金材料，其以單質銅、單質鉻和單質鋯為原料，主要經熔煉法或球磨法制得；所制得的銅合金材料在20°c 25°C條件下的拉伸強度大于或等于達到800MPa，電導率大于或等于60% IACS，軟化溫度大于或等于500°C ； 其中，以單質銅、單質鉻和單質鋯的總重量為100%計，單質鉻的用量為O. 5wt% 9.Owt %,單質錯的用量為O. 5wt% 9. Owt %,單質銅的用量為90wt% 99wt%。
2.如權利要求I所述的銅合金材料，其特征在于，其中單質鉻的用量為O.5wt% 4.5wt%,單質錯的用量為O. 5wt% 4. 5wt%,單質銅的用量為95wt% 99wt%。
3.一種制備如權利要求I或2所述的銅合金材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 (1)在在惰性氣體氣氛中，以金屬鉻粉末和金屬鋯粉末為原料，通過球磨法制備鉻/鋯合金粉末的步驟； (2)在在惰性氣體氣氛中，以鉻/鋯合金粉末和金屬銅粉末為原料，通過球磨法制備銅/鉻/鋯合金粉末的步驟； (3)將銅/鉻/鋯合金粉末依次經壓坯、燒結及冷加工步驟制得到目標物的步驟。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(I)中，研磨球與由金屬鉻粉末和金屬鋯粉末組成的混合物的重量比為4 I。
5.如權利要求3或4所述的方法，其特征在于，步驟(2)中，研磨球與鋯/鉻合金粉末和金屬銅粉末組成的混合物的重量比為4 I。
6.如權利要求3、4或5所述的方法，其特征在于，步驟(I)及步驟(2)中，球磨時間均為2小時 20小時。
7.如權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(3)中，壓坯的壓力為200MPa-400MPa。
8.如權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(3)中，燒結的溫度為800°C 900°C。
9.如權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(3)中，擠壓或軋制的溫度為800°C。
10.如權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟⑶中，壓坯的壓力為200MPa-400MPa ;燒結的溫度為800°C 900°C ;擠壓或軋制的溫度為800°C。
11.一種制備如權利要求I或2所述的銅合金材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 (A)由單質鉻和單質鋯熔煉制得鉻-鋯合金的步驟； (B)由鉻-鋯合金和單質銅熔煉制得銅-鉻-鋯合金的步驟； (C)銅-鉻-鋯合金經熱處理及軋制處理制得目標物的步驟。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，其中步驟(A)是在真空電弧爐中進行，即將單質鉻和單質鋯置于真空電弧爐中，抽真空，然后用惰性氣體保護，引弧后電極電流調到400A 600A，將電弧對準單質鉻和單質鋯，進行熔煉，得到鉻-鋯合金。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，其中步驟(B)在真空中頻感應爐中進行即先將單質銅熔化，繼續精煉至少8分鐘，在惰性氣體保護下，加入鉻-鋯合金，攪拌、澆鑄，冷卻，得到銅-鉻-鋯合金。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，其中澆鑄溫度為1200°C。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟(C)中所述的銅-鉻-鋯合金的熱處理是將銅-鉻-鋯合金在800°C 850°C狀態保持至少I小時。
16.如權利要求11所述的方法，其特征在于，步驟(C)中所述的軋制處理是將經熱處理后的合金在軋機上進行軋制成型。
全文摘要
本發明涉及一種銅-鉻-鋯合金材料及其制備方法。所述合金材料以單質銅、單質鉻和單質鋯為原料，主要經熔煉法或球磨法制得；所制得的銅合金材料在室溫下的拉伸強度大于或等于達到800MPa，電導率大于或等于60％IACS，軟化溫度大于或等于500℃；其中，以單質銅、單質鉻和單質鋯的總重量為100％計，單質鉻的用量為0.5wt％～9.0wt％，單質鋯的用量為0.5wt％～9.0wt％，單質銅的用量為90wt％～99wt％。本發明提供的銅-鉻-鋯合金材料可用于電子封裝、電接觸觸頭、高速鐵路接觸導線等領域。
文檔編號C22C1/03GK102899521SQ201210447050
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者張修慶, 陳舸, 陳小娜 申請人:華東理工大學