[发明专利]一种高性能铜合金材料及其制备方法

说明书

本发明属于金属材料技术领域，尤其是涉及一种高性能铜合金及其制备方法；所述铜合金含有质量分数为0.02‑0.11%的Zr元素，其余部分为Cu及不可避免的杂质；本发明的铜合金取得了600‑750 MPa的抗拉强度和75‑97%IACS的电导率，铜合金维氏硬度和电导率比低温轧制后的铜合金维氏硬度提高10‑40 HV，电导率提升10‑20%IACS，具有优异的强度和导电性能；本发明的制备方法提高了铜基体的热稳定性能，保证了在长期高温工作环境下的铜合金热稳定性能，不易出现合金软化失效的状况。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其是涉及一种高性能铜合金及其制备方法。

背景技术

铜作为一种具有优良导热导电性能的金属材料，在长久以来一直都是工业和生活应用领域的常见材料。以纯铜金属作为基体并加入一种或几种其它元素后所形成的合金便是铜合金，其性能与纯铜相比，在强度、热稳定性、延展性和耐腐蚀性等方面都有着较大的提升。尤其在车载用电子组件中，要求在更高温度及更强振动的环境下能够长久得使用。

但是目前的铜合金的制备方法中也存在这高强度和高导电性能不能共存的问题。例如一些传统方式热处理加的工高强度Cu-Cr-Zr合金，一般78% IACS的电导率和480MPa的抗拉强度，而纯铜虽然退火后有100%IACS的电导率，但是在强度上只有200MPa左右。当前工业生产上制备的铜合金往往为了取得强度或者导电性的中的某一性能，需要一定程度上在另一方面做出牺牲的牺牲。因此如何在提升铜合金优良热稳定性、高强度特性的同时提高导电性成为了阻碍铜合金发展的一个障碍。

为了解决铜合金晶粒粗大，成分偏析问题，发明专利“环境友好型铜铬锆电工合金”（专利号：200510048661.2）通过添加镁、钐和钇微量金属元素，利用喷射沉积制备合金锭坯，然后进行挤压、拉拔等加工各种形状的材料，尽管抗拉强度和电导率分别达到730MPa、76%IACS，但是大规模生产时存在多元微量金属元素、生产工艺的精确调控和影响电导率等问题。针对铜铬、铜锆和铜铬锆时效硬化合金，发明专利（专利号：201510976079:A）通过多次的冷轧、时效和固溶处理的方法制备出高强高导的铜合金的材料。但缺点在于合金元素过多、工艺步骤复杂，且导电和机械性能上还有进一步提升的空间。因此，铜合金中的合金元素含量不易过多，且加工工艺不易过于复杂。

根据Hall-Petch关系，金属材料的晶粒组织越细小，其屈服强度越高。对于传统工艺中采用快速凝固措施或热处理手段来获得细小晶粒强化铜合金的方法，近年来通过大塑性变形(譬如，等径角变形ECAP、表面机械碾磨SMGT)的方式细化晶粒强化基体成为了研究热门。尤其是卢柯院士在纳米层状组织中的研究，更是表明了通过制备纳米层状组织提升金属材料强度和塑性的可行性。

锆是一种时效强化中提高合金强度的元素，同时锆也可以提高合金的再结晶温度和热稳定性，从而使合金兼具高强度、高导电性和高热稳定性。当锆元素含量小于0.02％时，强度提升不明显，同时对再结晶温度影响较小；当锆元素含量超过0.11％时，虽然合金的强度有所提高，但导电率和塑性降低也非常明显。为了得到强度、成型性、塑性与导电率的最佳均衡，锆的含量控制质量分数0.02～0.11％。在已公开的专利“一种高强高导稀土铜锆合金及其制备方法”中(专利号CN105088010B)，通过加入质量分数0.35~0.45%的锆元素，将二次轧制后的铜合金的软化温度提升至500 ℃以上，硬度值达到200 HV左右且电导率维持也在75 % IACS以上，此专利结果充分说明了锆元素对铜合金性能提升的有效性。

同时，锆元素能有效提升铜合金的热稳定性其原因在于，在热处理中锆元素会向晶界偏析或在晶内形成析出相，这些沉淀偏析物会降低晶界能抑制晶粒的可动性，阻碍晶粒的再结晶行为。通过极少量的合金元素锆提升铜基体的热稳定性并降低合金元素对导电性的影响，同时利用塑性变形结合高热稳定性获得纳米尺度的晶粒组织提升强度，有望成为制备高强度高导电性的铜合金的新思路。

发明内容