專利名稱：控制復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金性能匹配的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基合金的熱處理技術(shù)。尤其涉及一種控制復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金性能匹配的熱處理工藝。
背景技術(shù)：
在有關(guān)高科技領(lǐng)域中使用的導(dǎo)體合金對(duì)起強(qiáng)度和導(dǎo)電性能有極高的要求，但導(dǎo)體合金的強(qiáng)度、硬度與導(dǎo)電性一般呈反函數(shù)關(guān)系，即若單純采用特定技術(shù)提高強(qiáng)度則往往以犧牲導(dǎo)電性為代價(jià)，或者為改善導(dǎo)電性則往往損失強(qiáng)度。因此，非常需要采用特定技術(shù)能夠控制及調(diào)節(jié)導(dǎo)體合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的匹配關(guān)系，滿足不同條件下的服役性能。
通過在銅基體中加入互不相溶的合金元素，并通過強(qiáng)烈應(yīng)變方法制備的復(fù)合纖維強(qiáng)化銅合金，目前被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高強(qiáng)高導(dǎo)材料。在這類材料中，新型的銅銀合金較之常規(guī)材料具有更為優(yōu)良的性能，已在國(guó)內(nèi)外受到足夠重視，主要是通過在銅基體中進(jìn)行Ag合金化及添加其它輔助元素形成分散的過剩合金相，并通過強(qiáng)烈拉拔應(yīng)變使合金相原位形成復(fù)相纖維狀分布，進(jìn)而達(dá)到使材料具有高強(qiáng)度的同時(shí)保持一定水平的電導(dǎo)率。然而，這種合金形成復(fù)相纖維的拉拔應(yīng)變加工完成后其強(qiáng)度及電導(dǎo)率即已確定，應(yīng)用場(chǎng)合比較單一。而實(shí)際的服役條件各種各樣，例如，某些情況需要材料具有高強(qiáng)度，而導(dǎo)電性能比較次要；某些情況需要材料具有高導(dǎo)電性能，而對(duì)強(qiáng)度要求不高；某些情況則需要同時(shí)兼顧材料的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。若材料僅有確定的強(qiáng)度及導(dǎo)電性能，則只能滿足單一使用條件，對(duì)不同的服役條件必須要研制不同性能特點(diǎn)的材料，這樣勢(shì)必造成較多麻煩和浪費(fèi)，尤其對(duì)于含貴金屬元素的較為昂貴的材料更是如此，對(duì)材料的使用也缺少科學(xué)性。如果對(duì)一種材料能夠通過特定技術(shù)方便地控制其性能特點(diǎn)，有機(jī)地調(diào)整不同性能之間的匹配關(guān)系以適應(yīng)多種實(shí)際服役條件的需要，則可使此材料的適用范圍得以有效拓展，使得一種材料可代替多種材料使用，無疑具有重要意義。因此，如何能夠方便地改變應(yīng)變加工后復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金強(qiáng)度和導(dǎo)電水平，有效地控制這些參數(shù)的匹配關(guān)系，已構(gòu)成此類合金發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。
發(fā)明專利CN1320712A公開了一種Cu-(3～20)％Ag-1.5％Cr-(0.05～0.5)％Zr(其中的“％”均指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)的合金，并提出了鑄件和鍛件的生產(chǎn)方法。這種合金經(jīng)過快速凝固、鍛造或軋制、沉淀老化等加工過程，可制成不受限制的形狀。然而，采用這種方式生產(chǎn)的合金強(qiáng)化相并非纖維狀分布，其最高強(qiáng)度低于500MPa，不具有高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，并且沉淀老化工藝僅為單一的480℃保溫1h，無法對(duì)強(qiáng)度和導(dǎo)電性能進(jìn)行控制和調(diào)整。
已公告的兩個(gè)發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?2110785.8及02110630.4)公開了兩種復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金及其制備工藝，通過合理的合金化方法并采用特定的熔煉、冷拉拔及中間熱處理技術(shù)，使合金強(qiáng)化相原位纖維化分布，達(dá)到了800～1150MPa的高強(qiáng)度和60％～80％IACS的電導(dǎo)率，其特點(diǎn)是在含Ag僅為(5.9～10)％和簡(jiǎn)化工藝的條件下，其強(qiáng)度和導(dǎo)電性可達(dá)到含Ag為(24～25)％銅銀合金的水平。然而，這種材料的強(qiáng)度和導(dǎo)電性變化僅通過產(chǎn)品未最終成形前的冷變形程度變化來實(shí)現(xiàn)，只能作為材料研制階段的理論參考，無法隨意控制并難以實(shí)際應(yīng)用。此技術(shù)制備的合金在最終成形后，強(qiáng)度和導(dǎo)電性即已確定，并未進(jìn)一步提出控制和調(diào)整最終成形產(chǎn)品強(qiáng)度和導(dǎo)電性能水平的方法。
肖世玲等(中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，vol.34，No.1，pp.49-53)公布了優(yōu)化的Cu-3.3％Ag合金熱處理工藝，使合金抗拉強(qiáng)度及電導(dǎo)率得到改善，但僅針對(duì)含銀較低的合金，因而改善后的強(qiáng)度水平依然較低，僅為276MPa，并且未提出強(qiáng)度和電導(dǎo)率匹配的控制方法。
王英民等(稀有金屬材料與工程，2001，vol.30，No.4，pp.295-297)公布了不同Ag含量的形變纖維增強(qiáng)高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Ag合金的制備工藝，在達(dá)到良好性能的同時(shí)，使中間熱處理環(huán)節(jié)得到了簡(jiǎn)化，但僅給出了不同成分合金強(qiáng)度和電導(dǎo)率的關(guān)系，而且這種關(guān)系僅通過合金加工變形程度的變化來體現(xiàn)，同樣不能利用這種方法對(duì)合金強(qiáng)度及電導(dǎo)率進(jìn)行控制和調(diào)整。
對(duì)于大變形量Cu-10％Ag合金，張曉輝等(中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2002，vol.12，No.1，pp.115-119)提出了控制變形量以及調(diào)整中間熱處理和穩(wěn)定化處理規(guī)范來獲得不同強(qiáng)度及電導(dǎo)率組合的研究結(jié)果，并得到了在不同加工條件下材料強(qiáng)度與電導(dǎo)率的關(guān)系。然而，利用控制變形量及中間熱處理規(guī)范的方法調(diào)整合金性能同樣無法適用于定型產(chǎn)品，而所提出的穩(wěn)定化熱處理僅針對(duì)η＝9.8(η為變形程度，定義為η＝ln(A0/A)，A0和A分別表示拉伸前后合金線材的橫截面積)的大變形加工的極細(xì)絲材(直徑僅為0.1mm)，變形加工困難而且應(yīng)用范圍及效果有限。
Hong等(Materials Science and Engineering，1999，A264，pp.151-158)公布了高Ag含量的Cu-24％Ag合金抗拉強(qiáng)度及電導(dǎo)率隨熱處理溫度的關(guān)系，利用這種關(guān)系原則上可以控制強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的匹配，但此技術(shù)僅針對(duì)含Ag較多的合金，原材料成本較高，變形加工中需要增加450℃熱鍛工序，并且需要在450℃均勻化退火10～20h，生產(chǎn)工藝復(fù)雜且周期較長(zhǎng)，而且強(qiáng)度可控范圍較窄，只能在500～950MPa之間變化。
Kwon等(Journal of Alloys and Compounds，2001，vol.327，pp.161-166)公布了纖維強(qiáng)化Cu-24％Ag合金不同溫度下的超塑性性能，提出了不同溫度下抗拉強(qiáng)度的變化。然而，這種變化關(guān)系僅是針對(duì)材料在不同載荷溫度的行為，不能利用其控制產(chǎn)品最終強(qiáng)度，同時(shí)缺少導(dǎo)電性能的變化，更無法獲得強(qiáng)度與導(dǎo)電性能的合理匹配關(guān)系。
鑒于以上背景技術(shù)及存在問題可見，希望能夠采用專門方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)僅有固定性能水平的最終產(chǎn)品強(qiáng)度及電導(dǎo)率進(jìn)行控制和調(diào)整，滿足不同服役條件下所需的性能匹配或組合關(guān)系，以有效擴(kuò)大產(chǎn)品的服役適用范圍。同時(shí)，這種方法應(yīng)該工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)中易于實(shí)施，性能匹配控制范圍寬，能夠充分發(fā)揮材料性能水平，并在兼顧原材料成本及強(qiáng)度需求的條件下，應(yīng)適用于中等Ag含量的合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種控制復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金性能匹配的熱處理工藝，通過對(duì)經(jīng)拉拔形變及中間熱處理制備的復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金的不同溫度熱處理，改變合金組織中的再結(jié)晶比例和形態(tài)，可以方便地使合金得到不同水平的強(qiáng)度及電導(dǎo)率匹配關(guān)系，以滿足不同服役條件的需要。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下1)將純度分別為99.95％及99.90％的Ag、電解Cu按質(zhì)量12∶88的比例配料，酸洗并清洗后烘干，先將Cu置于真空感應(yīng)爐中，在低于0.1Pa大氣壓下熔化，在1100～1200℃下靜置除氣后向爐內(nèi)充Ar至40～50kPa，再加入Ag并熔化，經(jīng)電磁攪拌均勻并靜置2～3分鐘后澆注成特定直徑的棒狀鑄坯，坯料經(jīng)720℃/4小時(shí)均勻化處理后冷拉拔至所需直徑的絲材，在拉拔過程中，當(dāng)變形程度η＝1.3、2.0及2.8時(shí)分別進(jìn)行400℃/1h、380℃/1h及360℃/1h的中間熱處理；2)對(duì)于經(jīng)熔鑄、均勻化處理、冷拉拔及中間熱處理制備的合金絲材，已具備復(fù)相纖維組織形態(tài)，對(duì)已具備復(fù)相纖維組織形態(tài)的上述合金在真空爐中退火熱處理，熱處理溫度根據(jù)不同強(qiáng)度及電導(dǎo)率匹配關(guān)系可在20～600℃之間選擇，采用隨爐升溫的加熱方式，熱處理保溫時(shí)間為1h，期間爐內(nèi)應(yīng)保持低于0.1Pa的氣體壓力，保溫后隨爐冷卻。
經(jīng)受熱處理材料的拉拔變形程度在η＝5.1～7.0范圍內(nèi)變化，拉拔加工后的絲材直徑在1.6～0.6mm范圍內(nèi)變化。
材料的抗拉強(qiáng)度控制范圍為1040～220MPa，相應(yīng)的相對(duì)電導(dǎo)率控制范圍為73％～93％IACS。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益的效果是(1)對(duì)于復(fù)相纖維強(qiáng)化Cu-12％Ag合金絲材，可以由原單一強(qiáng)度及電導(dǎo)率匹配實(shí)現(xiàn)多種強(qiáng)度及電導(dǎo)率的匹配或根據(jù)需要改變強(qiáng)度及電導(dǎo)率的性能水平。
(2)控制強(qiáng)度及電導(dǎo)率匹配關(guān)系的操作在材料加工成形后獨(dú)立進(jìn)行，不需要加工中間環(huán)節(jié)配合，工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，并且要求的材料纖維化加工過程的變形程度不高。
(3)強(qiáng)度及電導(dǎo)率的變化控制范圍寬。
(4)在合金具有中等Ag含量(含12％Ag)的條件下，無需另添加其它合金元素、熔鑄棒坯不需要熱鍛預(yù)應(yīng)變、不需長(zhǎng)時(shí)間均勻化過程及僅采用3次中間熱處理，即能夠使合金的強(qiáng)度和電導(dǎo)率水平達(dá)到較高Ag含量合金的水平，降低了合金成本。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中的絲材復(fù)相纖維組織；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中的合金絲材抗拉強(qiáng)度與熱處理溫度的關(guān)系；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中的合金絲材相對(duì)電導(dǎo)率與熱處理溫度的關(guān)系；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中的合金絲材復(fù)相纖維組織；圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中的合金絲材抗拉強(qiáng)度與熱處理溫度的關(guān)系；圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中的合金絲材相對(duì)電導(dǎo)率與熱處理溫度的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將純度分別為99.95％及99.90％的Ag、電解Cu按12％Ag的比例配料，酸洗并充分清洗后烘干，先將電解Cu置于真空感應(yīng)爐中，在低于0.1Pa大氣壓下熔化，在1100～1200℃下靜置除氣后向爐內(nèi)充Ar至40～50kPa再加入純Ag并熔化，經(jīng)電磁攪拌均勻并靜置后2～3min澆注成特定直徑的棒狀鑄坯。錠模采用冷卻條件好的鑄鐵模、銅?；蛩淠?。
坯料經(jīng)720℃/4h均勻化處理，表面車削去除缺陷后采用如下步驟進(jìn)行變形加工7道次冷拉拔至變形程度η＝1.3→400℃/1h退火→5道次冷拉拔至η＝2.0→380℃/1h退火→5道次冷拉拔至η＝2.8→360℃/1h退火→10道次冷拉拔至η＝5.1。
經(jīng)過以上加工得到直徑為1.6mm的復(fù)相纖維強(qiáng)化Cu-12％Ag合金絲材，具有如圖1所示的纖維強(qiáng)化相分布形態(tài)，其初始狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度為810MPa，相對(duì)電導(dǎo)率為84％IACS。
對(duì)已具備這種初始性能水平的合金絲材分為7批，分批在真空爐中退火熱處理，各批次采用的熱處理溫度分別為20，100，200，300，400，500及600℃，采用隨爐升溫的加熱方式，熱處理保溫時(shí)間均為1h，期間爐內(nèi)應(yīng)保持低于0.1Pa的氣體壓力，保溫后隨爐冷卻。
對(duì)不經(jīng)熱處理及不同溫度熱處理的絲材進(jìn)行拉伸及電阻率測(cè)試，得到抗拉強(qiáng)度隨熱處理溫度的變化關(guān)系如圖2所示，即抗拉強(qiáng)度可允許在810～220MPa之間調(diào)整；相對(duì)電導(dǎo)率隨熱處理溫度的變化如圖3所示，即相對(duì)電導(dǎo)率可允許在84％～93％IACS之間調(diào)整。根據(jù)圖2及圖3所示性能與熱處理溫度的關(guān)系，可以根據(jù)實(shí)際服役條件對(duì)材料強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的需要，確定控制性能水平及特點(diǎn)的熱處理工藝。
實(shí)施例2根據(jù)實(shí)施例1的加工方法制備冷拉拔至η＝5.1的合金絲材，再經(jīng)10道次的冷拉拔將絲材加工至η＝7.0，直徑減小到0.6mm，具有如圖4所示的纖維強(qiáng)化相分布形態(tài)，所對(duì)應(yīng)的初始狀態(tài)抗拉強(qiáng)度為1040MPa，相對(duì)電導(dǎo)率為73％IACS。
對(duì)已具備這種初始性能水平的合金絲材分為7批，根據(jù)實(shí)施例1的熱處理方法采用不同溫度對(duì)每批試樣進(jìn)行熱處理。對(duì)熱處理完成后的合金絲材進(jìn)行拉伸及電阻率測(cè)試，得到抗拉強(qiáng)度隨熱處理溫度的變化關(guān)系如圖5所示，即抗拉強(qiáng)度可允許在1040～300MPa之間調(diào)整；相對(duì)電導(dǎo)率隨熱處理溫度的變化如圖6所示，即相對(duì)電導(dǎo)率可允許在73％～90.0％IACS之間調(diào)整。根據(jù)圖5及圖6所示性能與熱處理溫度的關(guān)系，可以根據(jù)實(shí)際服役條件對(duì)材料強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的需要，確定控制性能水平及特點(diǎn)的熱處理工藝。
權(quán)利要求
1.控制復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金性能匹配的熱處理工藝，其特征在于1)將純度分別為99.95％及99.90％的Ag、電解Cu按質(zhì)量12∶88的比例配料，酸洗并清洗后烘干，先將Cu置于真空感應(yīng)爐中，在低于0.1Pa大氣壓下熔化，在1100～1200℃下靜置除氣后向爐內(nèi)充Ar至40～50kPa，再加入Ag并熔化，經(jīng)電磁攪拌均勻并靜置2～3分鐘后澆注成特定直徑的棒狀鑄坯，坯料經(jīng)720℃/4小時(shí)均勻化處理后冷拉拔至所需直徑的絲材，在拉拔過程中，當(dāng)變形程度η＝1.3、2.0及2.8時(shí)分別進(jìn)行400℃/1h、380℃/1h及360℃/1h的中間熱處理；2)對(duì)于經(jīng)熔鑄、均勻化處理、冷拉拔及中間熱處理制備的合金絲材，已具備復(fù)相纖維組織形態(tài)，對(duì)已具備復(fù)相纖維組織形態(tài)的上述合金在真空爐中退火熱處理，熱處理溫度根據(jù)不同強(qiáng)度及電導(dǎo)率匹配關(guān)系可在20～600℃之間選擇，采用隨爐升溫的加熱方式，熱處理保溫時(shí)間為1h，期間爐內(nèi)應(yīng)保持低于0.1Pa的氣體壓力，保溫后隨爐冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金性能匹配的熱處理工藝，其特征在于經(jīng)受熱處理材料的拉拔變形程度在η＝5.1～7.0范圍內(nèi)變化，拉拔加工后的絲材直徑在1.6～0.6mm范圍內(nèi)變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金性能匹配的熱處理工藝，其特征在于材料的抗拉強(qiáng)度控制范圍為1040～220MPa，相應(yīng)的相對(duì)電導(dǎo)率控制范圍為73％～93％IACS。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制復(fù)相纖維強(qiáng)化銅銀合金性能匹配的熱處理工藝。將材料純Ag、電解Cu按質(zhì)量12∶88比例的合金，經(jīng)真空熔煉、澆注、720℃/4h均勻化處理、冷拉拔至變形程度η＝5.1～7.0，并在拉拔過程中當(dāng)變形程度η＝1.3、2.0及2.8時(shí)分別進(jìn)行400℃/1h、380℃/1h及360℃/1h中間熱處理，得到具有拉長(zhǎng)纖維狀分布組織的直徑為1.6～0.6mm的絲材，并在20～600℃范圍內(nèi)進(jìn)行保溫1h的最終熱處理。本發(fā)明可在1040～220MPa范圍內(nèi)控制材料的抗拉強(qiáng)度及在73％～93％IACS范圍內(nèi)控制材料的相對(duì)電導(dǎo)率，拓展了這種材料的應(yīng)用范圍；控制性能匹配的熱處理操作不需要材料加工中間環(huán)節(jié)的配合，容易實(shí)施；不要求極高變形程度的材料組織纖維化加工過程；在中等Ag含量合金中的效果能夠使性能達(dá)到較高Ag含量合金的水平。
文檔編號(hào)C22F1/08GK1560313SQ200410016688
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者孟亮, 劉嘉斌, 張雷, 孟 亮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)