本發明屬于高性能結構的金屬材料技術領域，涉及一種銅鉻鋯鑭合金。

背景技術：

目前，Cu-Cr-Zr合金作為一種高強度高導電性的銅合金，廣泛應用于大規模集成電路用框架材料、高速列車用接觸線等領域。但是，隨著半導體器件的高度集成化和電氣化列車向高速化發展，對引線框架材料和接觸線材料提出了更高的要求。在合金中添加一定量的稀土La，稀土La可以與雜質元素(P、S、O等)發生反應生成密度小的化合物進入熔渣中，從而起到凈化基體，改善合金力學和電學性能的作用。但是，如果加入量控制較少，則稀土La對基體的凈化作用不明顯，對合金性能的提高也就不明顯；如果加入量較多，不僅會增加成本，造成稀土的浪費，污染環境，同時La還會與Cu基體生成粗大的第二相，反而會使得合金的力學和電學性能下降。因此，提出一種合適的稀土La添加量的Cu-Cr-Zr-La合金是目前亟待解決的問題之一。

技術實現要素：

為了克服上述不足，本發明提供一種銅鉻鋯鑭合金。稀土La和Ce同作為儲量最豐富的稀土元素，其原子數相近，化學、物理性能相似，對銅合金的性能存在一定的相似性。兩者均可作為改善銅合金性能的添加劑。在選擇Ce的同時，本發明提出添加La改善銅合金性能。使一部分稀土La與雜質生成難熔化合物殘留在熔渣中，凈化基體；一部分稀土La與Cu生成第二相析出，彌散分布于基體中，起到強化基體的作用。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種銅鉻鋯鑭合金，由如下重量百分數的成分組成：鉻0.1～2％、鋯0.05～0.5％、鑭0.05～0.25％，余量為銅及不可避免雜質。

若鑭的加入量小于0.05％，則對基體的凈化作用不明顯，對合金性能的提高也就不明顯；若鑭的加入量大于0.25％，不僅會增加成本，造成稀土的浪費，污染環境，同時La還會與Cu基體生成粗大的第二相，反而會使得合金的力學和電學性能下降。

優選的，所述的銅鉻鋯鑭合金由如下重量百分數的成分組成：鉻1.0～2％、鋯0.25～0.5％、鑭0.15～0.25％，余量為銅及不可避免的雜質。

優選的，所述的銅鉻鋯鑭合金由如下重量百分數的成分組成：鉻0.1～1.0％、鋯0.05～0.15％、鑭0.05～0.15％，余量為銅及不可避免的雜質。

優選的：所述的銅鉻鋯鑭合金由如下重量百分數的成分組成：銅99.15％、鉻0.5％、鋯0.2％、鑭0.15％。

本發明還提供了一種銅鉻鋯鑭合金的制備方法，包括：

將預處理后的紫銅、銅鉻中間合金、銅鋯中間合金、銅鑭中間合金在惰性氣體保護下，進行真空中頻感應熔煉，待全部合金熔化后，保溫10～30min，真空澆鑄、冷卻，即得。

優選的，所述預處理為：去除紫銅、Cu-10wt.％Cr、Cu-10wt.％Zr、Cu-20wt.％La的氧化皮。

優選的，所述惰性氣體為氬氣。

優選的，所述澆鑄溫度為1200℃～1300℃。

本發明還提供了一種銅鉻鋯鑭合金，各組分重量百分比為：鉻0.1～2％、鋯0.02～0.5％、鑭0.05～0.25％，余量為Cu及不可避免雜質.

由上述銅鉻鋯鑭合金通過真空感應熔煉方法制得。

所述熔煉方法具體步驟如下：

(1)將原料紫銅線、Cu-10wt.％Cr、Cu-10wt.％Zr、Cu-20wt.％La按比例配比；

(2)將(1)中配好原料放入坩堝中，采用ZG-10型真空中頻感應熔煉爐熔煉，氬氣氣氛保護；

(3)待原料完全熔化后，保溫10～30min；

(4)采用真空澆鑄的方式，將銅液澆鑄至模具中。

本發明還提供了任一上述的方法制備的銅鉻鋯鑭合金。

本發明還提供了任一上述的銅鉻鋯鑭合金在制造大規模集成電路用框架材料或高速列車用接觸線中的應用。

本發明的有益效果

(1)在銅鉻鋯合金中加入0.05～0.25％鑭時，合金力學和電學性能得到改善。

(2)本發明制備方法簡單、實用性強，易于推廣。

附圖說明

圖1為不同La加入量的銅鉻鋯鑭合金宏觀組織形貌：(a)0.05％；(b)0.15％；(c)0.25％；(d)0.5％；

圖2為不同La加入量的銅鉻鋯鑭合金顯微組織形貌：(a)0.05％；(b)0.15％；(c)0.25％；(d)0.5％；

圖3為添加0.5％La的合金能譜分析的點掃圖；

圖4為Cu-La系合金相圖。

具體實施方式

以下通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業技術人員的理解：

實施例1

一種銅鉻鋯鑭合金，按元素按重量百分比為：銅99.25％、鉻0.5％、鋯0.2％、鑭0.05％

熔煉方法：

(1)將原材料紫銅線、Cu-10wt.％Cr、Cu-10wt.％Zr、Cu-20wt.％La去氧化皮后加入坩堝中，將模具預熱至200℃-250℃，并噴氮化硼離型劑；

(2)采用ZG-10型真空中頻感應熔煉爐熔煉。為防止銅合金氧化，熔煉及澆鑄過程在氬氣氣氛保護下進行；

(3)以65～85℃/min升溫速度升溫，通過觀察窗觀察合金全部熔化后，繼續升溫2～3min后稍降低功率至18～20KW保持恒溫，保溫10～30min后澆鑄至模具中，澆鑄溫度保持在1200℃～1300℃；

(4)待爐內完全冷卻后，打開爐蓋將鑄錠取出。

實施例2

一種銅鉻鋯鑭合金，按元素按重量百分比為：銅99.85％、鉻0.5％、鋯0.2％、鑭0.15％

熔煉方法：

(1)將原材料紫銅線、Cu-10wt.％Cr、Cu-10wt.％Zr、Cu-20wt.％La去氧化皮后加入坩堝中，將模具預熱至200℃-250℃，并噴氮化硼離型劑；

(2)采用ZG-10型真空中頻感應熔煉爐熔煉。為防止銅合金氧化，熔煉及澆鑄過程在氬氣氣氛保護下進行；

(3)以65～85℃/min升溫速度升溫，通過觀察窗觀察合金全部熔化后，繼續升溫2～3min后稍降低功率至18～20KW保持恒溫，保溫10～30min后澆鑄至模具中，澆鑄溫度保持在1200℃～1300℃；

(4)待爐內完全冷卻后，打開爐蓋將鑄錠取出。

實施例3

一種銅鉻鋯鑭合金，按元素按重量百分比為：銅99.95％、鉻0.5％、鋯0.2％、鑭0.25％

熔煉方法：

(1)將原材料紫銅線、Cu-10wt.％Cr、Cu-10wt.％Zr、Cu-20wt.％La去氧化皮后加入坩堝中，將模具預熱至200℃-250℃，并噴氮化硼離型劑；

(2)采用ZG-10型真空中頻感應熔煉爐熔煉。為防止銅合金氧化，熔煉及澆鑄過程在氬氣氣氛保護下進行；

(3)以65～85℃/min升溫速度升溫，通過觀察窗觀察合金全部熔化后，繼續升溫2～3min后稍降低功率至18～20KW保持恒溫，保溫10～30min后澆鑄至模具中，澆鑄溫度保持在1200℃～1300℃；

(4)待爐內完全冷卻后，打開爐蓋將鑄錠取出。

實施例4

一種銅鉻鋯鑭合金，按元素按重量百分比為：銅98.8％、鉻0.5％、鋯0.2％、鑭0.5％

熔煉方法：

(1)將原材料紫銅線、Cu-10wt.％Cr、Cu-10wt.％Zr、Cu-20wt.％La去氧化皮后加入坩堝中，將模具預熱至200℃-250℃，并噴氮化硼離型劑；

(2)采用ZG-10型真空中頻感應熔煉爐熔煉。為防止銅合金氧化，熔煉及澆鑄過程在氬氣氣氛保護下進行；

(3)以65～85℃/min升溫速度升溫，通過觀察窗觀察合金全部熔化后，繼續升溫2～3min后稍降低功率至18～20KW保持恒溫，保溫10～30min后澆鑄至模具中，澆鑄溫度保持在1200℃～1300℃；

(4)待爐內完全冷卻后，打開爐蓋將鑄錠取出。

具體分析如下：

(1)稀土La對合金組織的影響

將不同La含量的銅合金鑄錠取樣、研磨、拋光和腐蝕后進行組織觀察，宏觀組織如圖1所示；光學顯微鏡中所示微觀組織如圖2所示。從圖1中可以看出，隨著La加入量的增加，晶粒尺寸呈下降趨勢。從圖2中可以看出，La的分布與添加量存在密切的關系，當添加量為0.05％時，在枝晶間隙僅存在極少量的La析出相，這是由于La極活潑，更容易與P、S、O等元素優先反應生成難熔化合物進入熔渣，從而凈化了基體。當添加0.15～0.25％La時，基體上存在的含La析出相增多，枝晶形貌發生變化；一次晶軸、二次晶軸均變短變粗，這是由于La溶入基體，使Cr、Cu_xZr、Cu₆La等彌散第二相增多，阻礙枝晶的生長，同時Cu₆La也可以為晶粒形核提供形核中心，使得晶粒尺寸變小。當加入0.5％La時，枝晶間隙存在大量的Cu₆La第二相，枝晶形貌顯著發生變化，二次晶軸變長變粗，比例顯著增加。Cu₆La第二相在枝晶間隙、晶界出均有析出，呈球狀、棒狀等(圖2(d))。

(2)稀土La在合金中的存在形式

對0.5％的La的試樣不同Cu_xLa第二相析出點進行EDS測試，結果如圖3和表1所示。根據Cu-La系合金相圖(如圖4所示)，二者形成的中間相有CuLa、Cu₂La、Cu₅La和Cu₆La，二者最高的原子比為6:1，而表1中測試出Cu與La的原子比最接近6:1，因此推測Cu和La生成的金屬間化合物為Cu₆La。

表1含La0.5％的合金不同點EDS測試

(3)稀土La對合金力學和電學性能的影響

表2為Cu-Cr-Zr-La合金拉伸強度、伸長率和電導率隨La加入量的變化。可以看出隨著La加入量的增加，合金強度先升高后降低，當加入量為0.15％時，合金的強度達到最大值222MPa。當加入0.05％的La時，稀土元素La主要與雜質反應進入熔渣，起到凈化基體的作用，改善合金的力學性能；但是由于加入量較少，對力學性能的改善并不能達到最優化。當加入0.15％La時，合金的強度最高，伸長率下降并不明顯，這是由于稀土La對集體的凈化作用比較充分，合金性能得到很大程度的改善。當La加入量達到0.25％或0.5％時，合金抗拉強度、伸長率均呈下降趨勢，這是La的加入量太多，不僅起到了凈化基體的作用，更是由于多余的La與Cu生成了粗大的Cu₆La第二相，部分粗大第二相在晶界、枝晶間隙偏聚，合金力學性能下降。

對比不同La加入量的銅合金的電導率，可以看出，當稀土La的加入量小于0.15％時，合金電導率緩慢升高；當稀土La的加入量大于0.15％時，合金的電導率快速下降，合金的導電性能快速下降。這是由稀土對合金基體的凈化作用和La進入基體引入的晶格畸變的共同作用所致。當加入La含量在0.15％以下時，稀土La與雜質反應生成難熔化合物進入熔渣，從而凈化基體，合金中的雜質數量減少，引起的晶格畸變減少，晶格畸變對電子的額散射作用增強，合金的電導率升高。當加入La含量在0.15％以上時，La溶入銅合金基體中，并與Cu生成Cu₆La析出相，引起較大的晶格畸變，晶格畸變對電子的散射作用增強，電導率下降；此外，La的引入使得晶粒得到一定程度的細化，晶界密度升高，晶界對電子的散射作用增強，合金的電導率下降。同時，當La加入量繼續增加時，Cu₆La第二相的數量和尺寸均增加，引起的晶格畸變程度增加，這些因素也會使得合金的電導率下降。

表2為不同La加入量的銅合金強度、伸長率和電導率變化

最后應該說明的是，以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。