一種銅鉻鋯系合金的雙級固溶熱處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適用于銅鉻鋯系合金的雙級固溶熱處理方法，特別適用于高強高 導(dǎo)型銅鉻鋯合金體系，該合金體系在交通、航空航天和新能源領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，屬于 有色金屬熱處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 銅鉻鋯系合金對比其它高強高導(dǎo)合金體系具有明顯的綜合性能優(yōu)勢，由于其強度 和導(dǎo)電性的均衡性，使其能在電子、交通、航空航天、新能源等眾多領(lǐng)域得以應(yīng)用。微合金化 (合金化元素含量小于lwt. %)銅鉻鋯系合金具有較高的強度（450~700MPa)同時保持較高 的導(dǎo)電性能（80%~95%IACS)，可用于制備大規(guī)模集成電路引線框架、高速軌道交通架空導(dǎo) 線、高端線纜等，具有良好的應(yīng)用前景。
[0003] 研究表明，鉻、鋯在銅中含量較小時存在著固溶體脫溶分解的固態(tài)相變過程，這種 固態(tài)相變是以形核和長大方式為主的，由于這個過程發(fā)生在固態(tài)基體中，因此原子的擴散 速率很低，又因為新相和基體的比體積不同，形核和長大過程中不僅存在界面能，還存在由 于比體積差而產(chǎn)生的應(yīng)變能，所以這個過程難以達到平衡狀態(tài)，只能通過非平衡轉(zhuǎn)變形成 亞穩(wěn)相，即沉淀相。這種亞穩(wěn)狀態(tài)能使銅鉻鋯合金的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使合金性能大 為改變，如果能恰當(dāng)?shù)乩眠@些改變，就能夠充分發(fā)揮該合金體系的潛力，滿足不同的使用 需求。只要這些沉淀相在基體中分布均勻且與基體錯配度較小，就可以有效阻止晶界和位 錯的移動，增加合金強度，起到很好的強化效果。固溶體的過飽和程度越高，時效時析出的 沉淀相越細小彌散，合金力學(xué)性能的提升幅度也就越大，同時還能帶來更明顯的導(dǎo)電性能 回升。因此，銅鉻鋯系合金中合金化元素能否完全溶入銅基體是保證合金具有優(yōu)異綜合性 能的前提，探究合理的固溶熱處理工藝是十分重要的。
[0004] 目前，關(guān)于銅鉻鋯合金體系熱處理工藝的學(xué)術(shù)研究及專利內(nèi)容集中在時效熱處理 方面，眾多研究重視合金經(jīng)固溶處理后的單級或多級時效工藝對合金綜合性能的影響規(guī) 律，而針對合金固溶熱處理工藝以及固溶處理效果對合金最終綜合性能影響規(guī)律的研究相 對較少。
[0005] 大部分研究及專利內(nèi)容采用單級固溶制度處理銅鉻鋯合金，固溶溫度通常在 850~1030°C間選擇。根據(jù)銅鉻和銅鋯二元合金相圖和熱力學(xué)計算結(jié)果，當(dāng)合金中鉻的質(zhì) 量分數(shù)大于〇. 3%、鋯的質(zhì)量分數(shù)在0. 05%~0. 15%之間時，鉻和鋯在上述溫度區(qū)間內(nèi)的溶解 度難以在同一溫度達到最高，即固溶溫度較低時不利于鉻相的固溶，而固溶溫度較高時不 利于富鋯相固溶，當(dāng)溫度高于970°C時，富鋯相還有過燒的風(fēng)險。
[0006] 銅鉻鋯合金在凝固過程中產(chǎn)生的富鋯相呈粗大的片狀，一般的均勻化處理或固溶 處理難以使其完全溶入基體。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過強烈的冷變形過程，鑄態(tài)銅鉻鋯合金中的富鋯 相破碎成較小的形態(tài)，在此情況下經(jīng)過長時間的高溫處理可使初生的富鋯相完全溶入基體 中。
[0007] 因此，對于此種類型的銅鉻鋯合金，單一的固溶熱處理制度難以獲得純凈的過飽 和固溶體。采用雙級固溶工藝并配合適當(dāng)?shù)募庸すに嚳蓪崿F(xiàn)合金化元素的完全固溶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的主要目在于提出一種適用于銅鉻鋯系銅合金的雙級固溶熱處理方法，克 服現(xiàn)有固溶熱處理工藝的不足。合金化元素鉻和鋯經(jīng)此方法處理后可有效溶于銅基體中形 成純凈的過飽和固溶體，為在后續(xù)加工熱處理過程中獲得細小彌散的析出相提供保障，進 而獲得具有更加優(yōu)異綜合性能的銅鉻鋯系合金材料。
[0009] 本發(fā)明提出的適用于銅鉻鋯系合金的雙級固溶熱處理方法，包括如下步驟：
[0010] (1)采用擠壓、鍛造、乳制或拉拔等工藝中的一種或幾種對鑄態(tài)銅鉻鋯系合金進行 加工；
[0011] (2)將步驟（1)制成的加工態(tài)銅鉻鋯系合金進行第一級固溶處理；
[0012] (3)將步驟（2)處理后的銅鉻鋯系合金進行第二級固溶處理。
[0013] 步驟（1)中，所述的銅鉻鋯系合金中，Cr含量為0. 3~0. 7wt. %，Zr含 量為0. 05~0. 15wt. %，余量為Cu。所述的銅鉻鋯系合金還可以是多種低合金化 Cu-Cr-Zr-X (X1+X2+......)合金，其中 Cr 含量為 0? 3 ~0? 7wt. %，Zr 含量為 0? 05 ~0? 15wt. %， X即第四和/或第五及以上組元，可為Sn、Si、Zn、Ag、Fe、RE (稀土元素）中的一種或兩種及 以上，X的總含量為0. 01~0. lwt. %，余量為Cu。
[0014] 步驟（1)中，在進行雙級固溶熱處理前，鑄態(tài)銅鉻鋯系合金可采用熱加工(熱擠 壓、熱鍛或熱軋等工藝）加工至一定尺寸規(guī)格，經(jīng)熱加工后合金的總變形程度在70%以上。 也可以通過熱加工(熱擠壓、熱鍛或熱軋）配合冷加工(冷軋或冷拉拔）的手段將鑄態(tài)銅鉻鋯 系合金加工至一定尺寸規(guī)格，經(jīng)熱加工和冷加工后合金的總變形程度在50%以上。
[0015] 步驟（2)中，加工態(tài)銅鉻鋯系合金的第一級固溶溫度在850~966°C之間，保溫時 間在8~36h之間，而后淬火。
[0016] 步驟（3)中，銅鉻鋯系合金的第二級固溶溫度在970~1076°C之間，保溫時間在 0. 5~2h之間，而后淬火。
[0017] 根據(jù)銅鉻鋯系合金中鉻元素的含量確定第二級固溶熱處理工藝。當(dāng)合金中鉻元素 質(zhì)量分數(shù)在〇. 3wt. %~0. 4wt. %之間時，第二級固溶溫度選定在970~1015°C之間，保溫時 間0. 5~2h，淬火；當(dāng)合金中鉻元素質(zhì)量分數(shù)在0. 4wt. %~0. 7wt. %之間時，第二級固溶溫 度選定在1015~1076°C，保溫時間為0. 5~2h，淬火。
[0018] 這種方法的優(yōu)點是，能夠解決常見單級固溶熱處理工藝無法獲得純凈過飽和固溶 體的難題。圖1和圖2列舉了兩種常見單級固溶工藝處理后Cu-o. 38wt. %Cr-〇. 10wt. %Zr 合金的顯微組織。圖1中存在大量未固溶的鉻相和富鋯相；圖2中鉻相已基本消失，但富集 在晶界處的富鋯相有過燒的現(xiàn)象出現(xiàn)。本發(fā)明提出的工藝先通過較大程度的加工變形使銅 鉻鋯合金在凝固過程中產(chǎn)生的粗大片狀富鋯相破碎成小塊，再經(jīng)過長時間的高溫處理，即 第一級固溶熱處理，可使初生的富鋯相完全溶入銅基體中，如圖3所示。在第一級固溶熱處 理使初生富鋯相溶入基體的同時，一定量的鉻相會在此保溫過程中析出，即在經(jīng)歷第一級 固溶熱處理后，銅鉻鋯系合金組織中存在體積較大的初生鉻相和體積較小的次生鉻相兩種 析出相形態(tài)，如圖3所示。在經(jīng)歷了溫度更高的第二級固溶熱處理后，初生鉻相和次生鉻相 可在相對較短的時間內(nèi)全部溶入銅基體中，形成純凈的過飽和固溶體，如圖4所示。雙級固 溶處理使鉻、鋯兩種合金化元素充分溶解在銅基體中，晶體內(nèi)各種缺陷被消除，重新獲得均 勻的等軸晶粒，為后續(xù)時效處理時析出相均勻分布提供保障，進而獲得綜合性能更加優(yōu)異 的銅鉻鋯系合金。
[0019] 本發(fā)明的雙級固溶熱處理方法不僅適用于Cr含量在0. 3wt.%~0. 7wt.%、Zr含量 在0. 05wt. %~0. 15wt. %的銅鉻锫合金，還適用于添加第四及以上組元如Sn、Si、Zn、Ag、 Fe、RE等的多元銅鉻鋯系合金，但這些合金化元素需滿足在合金中所占含量小于其室溫時 在銅中的極限溶解度，它們的質(zhì)量分數(shù)通?？刂圃诳偤繛椹? 01~〇. lwt. %。
[0020] 采用本發(fā)明工藝處理的銅鉻鋯系合金，其強度可比常見單級固溶工藝處理的合金 提高約20~50MPa，其導(dǎo)電率可與單級固溶工藝處理的合金保持在同一水平或更加提高。
【附圖說明】
[0021] 圖1為Cu-0. 38wt. %Cr-〇. 10wt. %Zr合金950°C X lh單級固溶熱處理后的透射電 子顯微組織，圖中A為未固溶的鉻相、B為未固溶的富鋯相。
[0022] 圖2為Cu-0. 38wt. %Cr-〇. 10wt. %Zr合金1010°C X lh單級固溶熱處理后的透射電 子顯微組織，有過燒現(xiàn)象。
[0023] 圖3為Cu-0. 38wt. %Cr-〇. 10wt. %Zr合金進行940°C X 12h第一級固溶熱處理后的 透射電子顯微組織，圖中A為初生鉻相、B為次生鉻相。
[0024] 圖4為Cu-0. 38wt. %Cr-〇. 10wt. %Zr合金經(jīng)940°C X 12h第一級固溶熱處理后，再 經(jīng)10KTC X lh第二級固溶處理的透射電子顯微組織，未發(fā)現(xiàn)析出相存在。
【具體實施方式】
[0025] 以下通過具體實例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述，但并不意味著對本發(fā)明保 護范圍的限制。
[0026] 本發(fā)明提出的一種適用于Cu-(0. 3~0? 7wt. %)Cr-(0. 05~0? 15wt. %)Zr合金，或 Cu-(0. 3 ~0? 7wt. %)Cr-(0. 05 ~0? 15wt. %)Zr-(0. 01 ~0? lwt. %)X (X 可為 Sn、Si、Zn、Ag、 Fe或RE中的一種或幾種）合金的雙級固溶熱處理方法，包括如下步驟：
[0027] (1)將鑄態(tài)合金經(jīng)擠壓、鍛造、乳制或拉拔等加工手段中的一種或幾種加工至一定 規(guī)格尺寸，保證熱加工狀態(tài)下的變形程度大于或等于70%，或熱加工、冷加工相結(jié)合狀態(tài)下 的變形程度大于或等于50%。
[0028] (2)加工后的合金在850~966°C之間進行第一級固溶，保溫時間在8~36h之間， 淬火。
[0029] (3)經(jīng)第一級固溶處理后的合金在970~1076°C之間進行第二級固溶，保溫時間 在0. 5~2h之間，淬火。當(dāng)合金中鉻元素質(zhì)量分數(shù)在0. 3wt. %~0. 4wt. %之間時，第二級 固溶溫度選定在970~1015°C之間；當(dāng)合金中鉻元素質(zhì)量分數(shù)在0. 4wt. %~0. 7wt. %之間 時，第二級固溶溫度選定在1015~1076°C之間。
[0030] 實施例1 :
[0031] 本發(fā)明采用的合金成分見表1中的實施例1。
[0032] (1)加工工藝：熱擠壓，由〇 45mm擠壓至010mm，加工變形量95%。
[0033] (2)第一級固溶工藝：940°C保溫12h，淬火。
[0034] (3)第二級固溶工藝：1010°C保溫lh，淬火。
[0035] (4)對比合金固溶工藝：950°C保溫lh，淬火。
[0036] (5)后續(xù)加工和時效工藝：直接時效，450°C保溫3h，空冷。
[0037] 經(jīng)上述形變熱處理工藝處理，試驗合金和對比合金的綜合性能測試結(jié)果見表2中 的實施例1。
[0038] 實施例2 :
[0039] 本發(fā)明采用的合金成分見表1中的實施例2。
[0040] (1)加工工藝：熱乳，由厚度100mm軋至lanm，壓下量82%。
[0041] (2)第一級固溶工藝：945°C保溫24h，淬火。
[0042] (3)第二級固溶工藝：1040°C保溫1. 5h，淬火。
[0043] (4)對比合金固溶工藝：1010°C保溫0? 5h，淬火。
[0044]