一种双级时效工艺制备CuCrZr合金的方法

技术领域：

本发明属于合金制备技术领域，具体涉及一种双级时效工艺制备CuCrZr合金的方法。

背景技术：

CuCrZr合金在高强度高导电材料领域具有相当大的优势，其原因在于Cr与Zr元素在室温环境下于铜基体中极低的固溶度，使得Cr与Zr元素充分析出。析出相可提高合金强度，同时降低合金中的固溶元素含量，提高合金的导电率。该合金被广泛应用于电力、电子、机械等工业领域，可用作集成电路引线框架、大功率异步牵引电动机转子、电气化铁路接触导线、高脉冲磁场导体材料等。2020年，广东华兴换热设备有限公司公开一种的CuCrZr合金及其制备方法(CN109385555B)，该合金具有良好的综合性能。

CuCrZr合金由于合金元素极低的固溶度，合金元素可以充分析出，具有高强高导的优点，但是由于固溶度的限制，加入过多的Cr、Zr元素并不能显著提高合金的强度，因此常见的CuCrZr合金成分中，按质量比计算，Cr含量<1％。调控合金元素含量来改变合金性能时，当Cr与Zr元素含量增加，合金强度随之提高，但延伸率会伴之降低；减少合金元素含量时，合金塑性得到改善，但强度过低难以在实际环境中有所应用。另外，形变量的改变也难以平衡塑性与强度，一方的提升必然伴随着另一方的降低。在实际应用中(例如接触线)，随着产品的更新换代，合金抗拉强度不断提升。但是从材料强韧化效果出发进行评价，单一地追求极限的抗拉强度或尽可能大的延伸率都不符合实际应用标准。以单一的抗拉强度或延伸率为标准都难以综合评价合金在拉伸过程中的性能表现，此时，以强塑积为标准进行测评显得尤为重要。以现有技术制备的CuCrZr合金大部分强塑积分布在3000至5000MPa％之间，并且难有进一步的提升。

发明内容：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种双级时效工艺制备CuCrZr合金的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双级时效工艺制备CuCrZr合金的方法，包括以下步骤：

(1)按质量配比，熔炼CuCrZr块体合金，所述的CuCrZr块体合金包括组分及质量百分含量为：Cr 0.3-0.9％，Zr 0.1-0.3％，余量为铜；

(2)将CuCrZr块体合金依次经过热变形与固溶处理，获得固溶合金；

(3)固溶合金冷却后，进行冷轧，获得冷轧后合金；

(4)冷轧后合金进行双级时效处理，制得CuCrZr合金，其中，所述的双级时效处理包括一级时效处理和二级时效处理，所述的一级时效处理温度为100-200℃，所述的二级时效处理温度为385-475℃。

所述的步骤(1)中，熔炼操作在真空感应熔炉中进行。

所述的步骤(1)中，优选的，CuCrZr块体合金包括组分及质量百分含量为：Cr0.7％，Zr0.19％，余量为铜。

所述的步骤(2)中，热变形温度为700-900℃，保温时间为1-2h，得到热变形合金；

所述的步骤(2)中，固溶处理在马弗炉中进行，固溶温度为950-970℃，保温时间为1-3h，获得固溶合金；

所述的步骤(3)中，固溶合金冷却方式为水淬冷却，冷轧前进行扒皮处理，以去除氧化层。

所述的步骤(3)中，冷轧单道次圧下力为10-35％，总压下量为90-97％。

所述的步骤(4)中，一级时效在盐浴炉中进行，二级时效在马弗炉中进行。

所述的步骤(4)中，一级时效后合金经水淬冷却后，进行二级时效。

所述的步骤(4)中，一级时效时间为4-6h，二级时效时间为时效1-2.5h。

所述的步骤(4)中，优选的，一级时效处理温度为120-180℃。

所述的步骤(4)中，优选的，一级时效处理温度为150℃。

所述的步骤(4)中，优选的，二级时效处理温度为400-450℃。

所述的步骤(4)中，优选的，二级时效处理温度为425℃。

所述的步骤(4)中，CuCrZr合金强塑积6534-8760MPa％，抗拉强度542-603MPa，延伸率11-15％，硬度162-199HV0.2，导电性能77-81％IACS。

所述的步骤(4)中，优选的，CuCrZr合金强塑积为6996-8760MPa％。

所述的步骤(4)中，合金硬度使用半自动式维氏硬度计测得，抗拉强度使用万能电子实验机进行拉伸试验并分析拉伸曲线测得，导电性能使用直流电阻测试仪测得。

本发明的冷轧后合金在一级时效过程中，特定的低温环境下，大量GP区在基体中均匀分布，为第二相的非均匀形核创造条件，减小了合金在高温环境下形核长大的自由能。该特定双级时效的应用避免了第二相沿晶界的不均匀析出，有利于第二相分布均匀且密集，提升了合金的强塑积。

本发明的有益效果：

本发明的CuCrZr合金采用简单的加工工艺方式，相比于单级时效热处理的CuCrZr合金具有提升强度并改善合金的延伸率，在工程应用上具有更大的潜力，对电子万能试验机测得的拉伸曲线进行分析，双级时效后合金强塑积得到明显提升；使用直流电阻测试仪测得导电性能，合金在双级时效后电导率稳步提升。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.5％、Zr0.13％，余量为铜；

(1)固溶处理，960℃保温1h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：150℃保温5h，淬火；

(4)第二级时效热处理：425℃保温2h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例1-1

同实施例1，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

实施例2

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.5％、Zr0.13％，余量为铜；

(1)固溶处理，960℃保温1h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：120℃保温5.5h，淬火；

(4)第二级时效热处理：400℃保温2.5h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例2-1

同实施例2，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

实施例3

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.7％、Zr0.19％，余量为铜；

(1)固溶处理，960℃保温1h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：100℃保温6h，淬火；

(4)第二级时效热处理：385℃保温3h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例3-1

同实施例3，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

实施例4

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.7％、Zr0.19％，余量为铜；

(1)固溶处理，950℃保温2h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：120℃保温5.5h，淬火；

(4)第二级时效热处理：400℃保温2.5h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例4-1

同实施例4，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

实施例5

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.7％、Zr0.19％，余量为铜；

(1)固溶处理，960℃保温1h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：150℃保温5h，淬火；

(4)第二级时效热处理：425℃保温2h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例5-1

同实施例5，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

对比例5-2

同实施例5，区别在于，一级时效温度为50℃，时间为5h，经检测，强塑积低至6292，其余性能数据线详见表1，经分析，原因在于一级时效温度过低，导致合金基体内仅发生了回复，并且原子扩散速率在低温中过慢而形核率过低，导致强塑积显著降低。

对比例5-3

同实施例5，区别在于，一级时效温度为250℃，时间为5h，经检测，强塑积低至6852，其余性能数据线详见表1，经分析，原因在于一级时效温度过高，促进位错的湮灭，降低了第二相的形核率，导致强塑积显著降低。

实施例6

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.7％、Zr0.19％，余量为铜；

(1)固溶处理，960℃保温1h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：180℃保温4.5h，淬火；

(4)第二级时效热处理：450℃保温1.5h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例6-1

同实施例6，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

实施例7

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.7％、Zr0.19％，余量为铜；

(1)固溶处理，960℃保温1h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：200℃保温4h，淬火；

(4)第二级时效热处理：475℃保温1h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例7-1

同实施例7，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

实施例8

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.9％、Zr0.24％，余量为铜；

(1)固溶处理，960℃保温1h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：150℃保温5h，淬火；

(4)第二级时效热处理：425℃保温2h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1.

对比例8-1

同实施例8，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

实施例9

发明采用的合金利用真空感应熔炉制备后进行热变形得到30mm厚度的块体合金，组成和配比(质量％)为：Cr0.9％、Zr0.24％，余量为铜；

(1)固溶处理，950℃保温2h，淬火；

(2)加工工艺：冷轧，由厚度为30mm的块体合金轧至1mm，压下量96％；

(3)第一级时效热处理：120℃保温5.5h，淬火；

(4)第二级时效热处理：400℃保温2.5h，淬火；

经上述形变热处理工艺处理，试验合金和对比合金的综合性能测试结果见表1。

对比例9-1

同实施例9，区别在于，省略一级时效工艺步骤，制得合金产品，经检测，其性能指标如表1。

上述实例1-8以及各对比例制备工艺参数及制备合金产品综合性能如下表1所示。

表1

表中D为对比例之意，热处理、固溶以及两次时效的单位为℃，h；强塑积单位为MPa％，抗拉强度单位为MPa，延伸率单位为％，硬度单位为HV0.2，导电性能单位为％ACS。