一种稀土铜铬合金线材及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种稀土铜铬合金线材及其制备方法和应用 (Rare earth copper-chromium alloy wire rod and preparation method and application thereof ) 是由 刘秋香 罗凤凤 王佳伟 王日昕 胡晓娜 姜江 陈威 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种稀土铜铬合金线材及其制备方法和应用,属于有色金属材料技术领域。本发明在铜铬合金中添加稀土元素,稀土元素对铜铬合金中的杂质具有净化作用,可以减少固溶杂质造成的晶格畸变而降低点阵对电子的弹性散射,改善铜铬合金的导电性能。Cr相作为Cu-Cr合金的增强相,稀土元素能够促进Cr相析出,Cr相析出增多,起到析出强化作用,从而提高合金的力学性能；此外,Cr相在铜基体中以树枝晶结构存在,稀土元素会促进Cr相球化、细化,且均匀分布,改善了组织的宏观偏析现象,为合金力学性能的提高奠定了基础；而且,稀土元素还可细化铜合金的晶粒,起到细晶强化作用,进一步提高铜铬合金的力学性能。(The invention provides a rare earth copper-chromium alloy wire and a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of non-ferrous metal materials. According to the invention, the rare earth element is added into the copper-chromium alloy, and has a purification effect on impurities in the copper-chromium alloy, so that lattice distortion caused by solid-solution impurities can be reduced, elastic scattering of a lattice on electrons can be reduced, and the conductivity of the copper-chromium alloy can be improved. The Cr phase is used as a reinforcing phase of the Cu-Cr alloy, the rare earth elements can promote the Cr phase to be precipitated, and the precipitation of the Cr phase is increased to play a role in precipitation strengthening, so that the mechanical property of the alloy is improved; in addition, the Cr phase exists in a dendritic crystal structure in the copper matrix, the rare earth elements can promote the spheroidization and the refinement of the Cr phase and are uniformly distributed, the macrosegregation phenomenon of the structure is improved, and a foundation is laid for the improvement of the mechanical property of the alloy; moreover, the rare earth elements can also refine grains of the copper alloy, so that the fine grain strengthening effect is achieved, and the mechanical property of the copper-chromium alloy is further improved.)
技术领域
本发明涉及有色金属材料技术领域，尤其涉及一种稀土铜铬合金线材及其制备方法和应用。
背景技术
铜铬系合金因具有良好的导电性能和较高的强度、低生产成本和环保等优点，广泛应用于大规模集成电路引线框架、电气化铁路接触导线以及大型高速涡轮发电机的转子导线、触头材料等工程中。随着交通、通讯和电力等行业的发展，对铜及铜合金的导电和强度提出了更高的要求。Cu-Cr原位复合材料的抗拉强度和导电率较目前使用的高强高导铜合金材料大幅度提升，有望满足需求。然而，现有Cu-Cr合金中，Cr相作为Cu基体的增强相，当Cr含量超过5wt.％时，Cr相在铜基体的固溶度越高，Cu-Cr合金的导电性能越差；而且Cr含量高，会导致铜铬合金存在明显的宏观偏析，降低合金的力学性能。因此，现有铜铬系合金合金存在严重的力学性能及导电性能降低的问题，使其应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土铜铬合金线材及其制备方法和应用，所述稀土铜铬合金线材具有优异的导电性能和力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种稀土铜铬合金线材，包括以下质量百分含量的组分：0.01～2％稀土元素，5～15％Cr，余量为Cu；所述稀土元素包括Y或Ce。
优选的，所述稀土元素的质量百分含量为0.05～1.5％。
优选的，所述Cr的质量百分含量为6～12％。
本发明提供了上述技术方案所述稀土铜铬合金线材的制备方法，包括以下步骤：
将工业电解铜、纯铬和铜稀土中间合金混合，进行熔炼，得到熔体；所述铜稀土中间合金包括Cu-Y或Cu-Ce；
将所述熔体依次进行浇铸、热挤压、第一拉拔、固溶处理、第二拉拔和时效处理，得到稀土铜铬合金线材。
优选的，所述熔炼的温度为1300～1450℃；所述浇铸的温度为1300～1400℃。
优选的，进行所述热挤压前，将浇铸所得铸锭在900～1050℃保温1～5h。
优选的，所述固溶处理的温度为900～1050℃，保温时间为30～240min。
优选的，所述时效处理的温度为300～650℃，时间为30～240min。
优选的，所述第一拉拔的变形量为86.3～87.3％，所述第二拉拔的变形量为89.9～99.9％。
本发明提供了上述技术方案所述稀土铜铬合金线材或上述技术方案所述制备方法制备得到的稀土铜铬合金线材在大规模集成电路引线框架、电气化铁路接触导线、大型高速涡轮发电机的转子导线或大型高速涡轮发电机的触头材料中的应用。
本发明提供了一种稀土铜铬合金线材，包括以下质量百分含量的组分：0.01～2％稀土元素，5～15％Cr，余量为Cu；所述稀土元素包括Y或Ce。本发明在铜铬合金中添加稀土元素，稀土元素对铜铬合金中的杂质具有净化作用，可以减少固溶杂质造成的晶格畸变而降低点阵对电子的弹性散射，改善铜铬合金的导电性能。Cr相作为Cu-Cr合金的增强相，稀土元素能够促进Cr相析出，Cr相析出增多，起到析出强化作用，从而提高合金的力学性能；此外，Cr相在铜基体中以树枝晶结构存在，稀土元素会促进Cr相球化、细化，且均匀分布，改善了组织的宏观偏析现象，为合金力学性能的提高奠定了基础；而且，稀土元素还可细化铜合金的晶粒，起到细晶强化作用，进一步提高铜铬合金的力学性能。
本发明提供了稀土铜铬合金线材的制备方法，在Cu-Cr合金中添加稀土元素Y或Ce后，通过热挤压、冷变形拉拔、固溶处理、二次冷变形拉拔和时效工艺过程，使合金最大限度地提高其强度，同时保持较高的导电率。
本发明的制备方法简单易操作，材料成本低，实现其在大规模集成电路引线框架、电气化铁路接触导线、大型高速涡轮发电机的转子导线、触头材料方面的广泛应用。
通过在Cu-Cr合金中添加稀土元素起到净化合金、细化晶粒。
附图说明
图1为本发明稀土铜铬合金线材的制备流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种稀土铜铬合金线材，包括以下质量百分含量的组分：0.01～2％稀土元素，5～15％Cr，余量为Cu；所述稀土元素包括Y或Ce。
以质量百分含量计，本发明提供的稀土铜铬合金线材包括0.01～2％稀土元素，优选为0.05～1.5％，更优选为0.1～1.2％，进一步优选为0.5～0.8％。在本发明中，所述稀土元素包括Y或Ce。本发明利用稀土元素降低Cr相在Cu基体中的固溶度、促进Cr相球化、细化和析出、改变Cr的析出形态、尺寸及分布，使其分布均匀化，从而获得高强高导电性能又可以改善合金组织的宏观偏析现象。
以质量百分含量计，本发明提供的稀土铜铬合金线材包括5～15％Cr，优选为6～12％，更优选为8～10％。本发明中Cr作为铜铬合金的第二相。
以质量百分含量计，本发明提供的稀土铜铬合金线材包括余量Cu。
本发明提供了上述技术方案所述稀土铜铬合金线材的制备方法，包括以下步骤：
将工业电解铜、纯铬和铜稀土中间合金混合，进行熔炼，得到熔体；所述铜稀土中间合金包括Cu-Y或Cu-Ce；
将所述熔体依次进行浇铸、热挤压、第一拉拔、固溶处理、第二拉拔和时效处理，得到稀土铜铬合金线材。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将工业电解铜、纯铬和铜稀土中间合金混合，进行熔炼，得到熔体。在本发明中，所述工业电解铜的纯度优选为99.9％，所述纯铬的纯度优选为99.9％；所述铜稀土中间合金包括Cu-Y或Cu-Ce，所述铜稀土中间合金中稀土元素的质量百分含量优选为5％；本发明对所述铜稀土中间合金的来源没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为1300～1450℃。在本发明中，所述工业电解铜、纯铬和铜稀土中间合金混合和熔炼的过程优选为将工业电解铜和纯铬置于镁砂坩埚中，在中频电磁感应炉中进行熔炼20min，加入铜稀土中间相合金，熔炼3min。本发明对所述镁砂坩埚和中频电磁感应炉没有特殊的限定，选用本领域熟知的相应设备即可。
得到熔体后，本发明将所述熔体依次进行浇铸、热挤压、第一拉拔、固溶处理、第二拉拔和时效处理，得到稀土铜铬合金线材。在本发明中，所述浇铸的温度优选为1300～1400℃，更优选为1320～1380℃；本发明优选将所述熔体浇铸至铁模中，形成铸锭。本发明对所述铁模没有特殊的限定，本领域熟知的相应铁模即可。本发明对所述铸锭的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；在本发明的实施例中，所述铸锭的直径优选为90mm。
完成所述浇铸后，本发明将所得铸锭进行热挤压；进行所述热挤压前，本发明优选将浇铸所得铸锭在900～1050℃保温1～5h，然后进行热挤压。在本发明中，所述保温的温度更优选为950～1000℃，所述保温的时间更优选为2～3h。本发明对所述热挤压后所形成杆件的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；在本发明的实施例中，所述杆件的直径具体为22mm，长度优选为45～55cm。
完成所述热挤压后，本发明将所得杆件进行第一拉拔；所述第一拉拔的方式优选为冷变形拉拔，所述第一拉拔的变形量优选为86.3～87.3％，更优选为86.8％；本发明对所述第一拉拔后制件的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；在本发明的实施例中，所述第一拉拔后所得制件的直径优选为8mm。
完成所述第一拉拔后，本发明将所得制件进行固溶处理，所述固溶处理优选在热处理炉中进行；所述固溶处理的温度优选为900～1050℃，更优选为950～1000℃，保温时间优选为30～240min，更优选为50～200min，进一步优选为100～150min。本发明对所述热处理炉没有特殊的限定，本领域熟知的相应设备即可。
完成所述固溶处理后，本发明优选还包括将所得制件进行淬火处理；本发明对所述淬火处理的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
完成所述淬火处理后，本发明将所得制件进行第二拉拔；所述第二拉拔的方式优选为冷变形拉拔，所述第二拉拔的变形量优选为89.9～99.9％，更优选为99.4％；本发明对所述第二拉拔后制件的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；在本发明的实施例中，所述第二拉拔后所得制件的直径优选为0.6mm。
完成所述第二拉拔后，本发明优选将所得制件进行时效处理；所述时效处理的温度优选为300～650℃，更优选为350～550℃，进一步优选为400～500℃；时间优选为30～240min，更优选为50～200min，进一步优选为100～150min。
图1为本发明稀土铜铬合金线材的制备流程图，如图1所示，本发明将铜、纯铬和铜稀土中间合金混合，进行熔炼，将所得熔体依次进行浇铸、热挤压、第一拉拔、固溶处理、第二拉拔和时效处理，得到稀土铜铬合金线材。
本发明提供了上述技术方案所述稀土铜铬合金线材或上述技术方案所述制备方法制备得到的稀土铜铬合金线材在大规模集成电路引线框架、电气化铁路接触导线、大型高速涡轮发电机的转子导线或大型高速涡轮发电机的触头材料中的应用。本发明对所述应用的方法没有特殊的限定，按照本领域熟知的方法应用即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)配料：将质量分数为92.95％工业电解铜(纯度为99.9％)、7％纯铬(纯度99.9％)和0.05％铜稀土中间合金(Cu-5％Y)配料；
(2)熔炼：将工业电解铜和纯铬置于镁砂坩埚中，在中频电磁感应炉中1300～1450℃熔炼20min后，加入Cu-5％Y铜稀土中间相合金，熔炼3min，得到熔体；
(3)浇铸：设定浇注温度1300±10℃，将所述熔体浇铸到铁模中得到的铸锭；
(4)热挤压：将所述铸锭在950℃保温120min，热挤压成直径为22mm、长度为50cm的杆件；
(5)拉拔：将所述杆件进行冷变形拉拔至制件变形量为ε＝86.8％；
(6)固溶处理：将拉拔后的材料装入热处理炉中，在950℃下保温90min，进行淬火处理；
(7)二次拉拔：将淬火处理后的材料进行二次冷变形拉拔至制件变形量为ε＝99.4％；
(8)时效处理：将二次拉拔后的材料在500℃进行时效处理，时效时间60min。
实施例2
与实施例1的区别仅在于：采用92.9％工业电解铜和0.1％铜稀土中间合金，其余同实施例1。
实施例3
与实施例1的区别仅在于：采用92.8％工业电解铜和0.2％铜稀土中间合金，其余同实施例1。
实施例4
与实施例3的区别仅在于：时效处理的温度为450℃，保温1h，其余同实施例3。
对比例1
将质量分数93％的工业电解铜、7％纯铬配置成Cu-7Cr合金，采用中频电磁感应炉熔炼后，将所得熔体在1300±10℃浇铸到石墨模中，将所得铸锭进行铣面，在950℃保温120min，挤压成长度为50cm的杆件，将所得杆件经过8道次冷拉拔至在950℃保温90min进行淬火处理；将所得材料由经10道次冷拉拔达到将拉拔变形后的材料在500℃时效处理60min，得到铜铬合金线材。
性能测试
采用GB/T3048.2-2007记载的电导率检验方法和GB/T4909.3-2009记载的抗拉强度检测方法，对实施例1～4和对比例1制备的合金线材进行抗拉强度和导电率测试，所得结果见表1。
表1实施例1～4和对比例1制备的合金线材的性能参数
由表1可知，本发明通过在铜铬合金中添加稀土元素，与对比例1中未添加稀土元素的铜铬合金相比，能够在高Cr含量(7wt％)情况下提高铜铬合金的抗拉强度和导电率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。