[发明专利]抗软化铜合金、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及铜合金制造领域，尤其涉及一种抗软化铜合金、制备方法及其应用，属于合金新材料技术领域。

背景技术

焊接是一种以加热、高温或高压的方式接合金属或其他材料的制造工艺技术。目前主要有三种方式完成接合材料的目的：熔焊、压焊和钎焊。焊接过程中，工件和焊料熔化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。19世纪末之前，唯一的焊接工艺是铁匠沿用了数百年的金属锻焊。最早的现代焊接技术出现在19世纪末，先是弧焊和氧燃气焊，稍后出现了电阻焊。20世纪早期，随着第一次和第二次世界大战开战，对军用器材廉价可靠的连接方法需求极大，故促进了焊接技术的发展。随着焊接机器人在工业应用中的广泛应用，研究人员仍在深入研究焊接的本质，继续开发新的焊接方法，以进一步提高焊接质量。

纵观现代焊接技术装备的发展，焊接设备自动化及提升生产效率是焊接技术发展的主要驱动力。因铜合金具有良好的强度及电性能，故而在焊接设备中有许多耗材使用铜及其合金，如电阻焊中的电极帽、钎焊中的导电嘴等。随着现代自动化装备尤其是焊接机器人的使用，对导电嘴、电极帽等铜合金的要求日益提高，尤其是其抗高温软化的能力。焊接过程中，由于需加热、高温或高压，因此实际铜合金耗材的使用环境经常是在很高的温度下，所以对铜合金的要求也越来越高。在其他领域内，也存在材料在高温环境下使用的例子，比如电气化铁路接触线，其也需在比较高的温度下长时间使用。因此，开发一款抗高温软化性能更加优良的铜合金便成了迫切的要求。

目前,实际推广的焊接装备导电嘴、电极帽以及电气化铁路接触线等产品多采用传统的铜铬锆合金(如美标C18150)，因其具有优良的强度与导电性能，在上述领域内被广泛应用。但随着机械自动化水平的逐步提高，焊接等行业基本开始采用机器代人策略，以提升生产效率。这种改变就将对其零部件的原材料性能提出新的要求，首当其冲的就是抗高温软化性能，因为抗高温软化性能好，零部件的耗损就小，导致零部件的使用寿命提高，并且焊接过程中的精度也会随之提高。目前传统的铜铬锆合金(如美标C18150)其抗高温软化性能为在580℃下，其硬度损失值在15％以上，这已不能满足相关行业的发展要求，因此，提高材料的抗高温软化性能成了目前迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗高温软化性能更加优异的铜合金，解决了目前铬锆铜合金的抗高温软化性能待提升的问题。

为解决上述问题，通过下面所述技术方案实现：一种抗软化铜合金，所述合金的组成为：Cr：0.1-1.0wt％，Zr：0.01-0.2wt％，Si：0.01-0.10wt％,Fe：≤0.10wt％，其余为铜和不可避免的杂质，该铜合金微观结构由单质Cr相、Cu₅Zr相和Cr₃Si相组成。本发明铜合金采用添加适量硅元素形成Cr₃Si化合物提升材料抗高温软化效果，同时以单质Cr相和Cu₅Zr相强化铜合金基体，并利用Cr₃Si相和单质Cr相的协同作用，并通过控制Fe杂质的含量，进一步提升材料的强度和抗高温软化性能。

各合金元素及相关析出相在铜中的作用如下：

铬常温下在铜中的固溶度很小，只有不到0.5％，但在高温时固溶度相对较大，可达0.65％，因此可实现析出强化，是本发明铜合金中的主要强化元素。在铜合金中，利用热处理可得到单质Cr的弥散强化相粒子，对铜基体形成强化效果。在强化铜基体的同时，Cr还会与铜基体中固溶的Si形成Cr₃Si化合物，经研究发现Cr₃Si化合物为高温稳定化合物相，即使在800℃高温下也不会发生溶解，因此其抗高温软化能力极强。本发明青铜合金铬含量为0.1-1.0％，若铬含量小于此范围，Cr与Si很难形成Cr₃Si，即使形成，数量也不多，不能起到应有的作用，而若铬含量大于此范围，铬将大量析出形成强化相，导致铬在晶界处大量积聚，破坏材料的塑性。

锆在铜合金中有一定的溶解度。锆加入可提高铜基体的再结晶温度，提升铜合金的耐高温软化能力。而且锆会与铜形成Cu₃Zr中间化合物，对铜基体起到强化作用，同时提升铜合金的电性能。本发明铜合金锆含量在0.01-0.2％，若低于此范围，则起不到作用，而高于此范围，虽对合金能够起到强化作用，但会大大降低合金的导电性，影响合金的综合性能。