本發(fā)明涉及銅合金制造領(lǐng)域，尤其涉及一種抗軟化銅合金、制備方法及其應(yīng)用，屬于合金新材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

焊接是一種以加熱、高溫或高壓的方式接合金屬或其他材料的制造工藝技術(shù)。目前主要有三種方式完成接合材料的目的：熔焊、壓焊和釬焊。焊接過(guò)程中，工件和焊料熔化形成熔融區(qū)域，熔池冷卻凝固后便形成材料之間的連接。這一過(guò)程中，通常還需要施加壓力。焊接的能量來(lái)源有很多種，包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等。19世紀(jì)末之前，唯一的焊接工藝是鐵匠沿用了數(shù)百年的金屬鍛焊。最早的現(xiàn)代焊接技術(shù)出現(xiàn)在19世紀(jì)末，先是弧焊和氧燃?xì)夂?，稍后出現(xiàn)了電阻焊。20世紀(jì)早期，隨著第一次和第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)戰(zhàn)，對(duì)軍用器材廉價(jià)可靠的連接方法需求極大，故促進(jìn)了焊接技術(shù)的發(fā)展。隨著焊接機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，研究人員仍在深入研究焊接的本質(zhì)，繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的焊接方法，以進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量。

縱觀現(xiàn)代焊接技術(shù)裝備的發(fā)展，焊接設(shè)備自動(dòng)化及提升生產(chǎn)效率是焊接技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。因銅合金具有良好的強(qiáng)度及電性能，故而在焊接設(shè)備中有許多耗材使用銅及其合金，如電阻焊中的電極帽、釬焊中的導(dǎo)電嘴等。隨著現(xiàn)代自動(dòng)化裝備尤其是焊接機(jī)器人的使用，對(duì)導(dǎo)電嘴、電極帽等銅合金的要求日益提高，尤其是其抗高溫軟化的能力。焊接過(guò)程中，由于需加熱、高溫或高壓，因此實(shí)際銅合金耗材的使用環(huán)境經(jīng)常是在很高的溫度下，所以對(duì)銅合金的要求也越來(lái)越高。在其他領(lǐng)域內(nèi)，也存在材料在高溫環(huán)境下使用的例子，比如電氣化鐵路接觸線，其也需在比較高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用。因此，開(kāi)發(fā)一款抗高溫軟化性能更加優(yōu)良的銅合金便成了迫切的要求。

目前,實(shí)際推廣的焊接裝備導(dǎo)電嘴、電極帽以及電氣化鐵路接觸線等產(chǎn)品多采用傳統(tǒng)的銅鉻鋯合金(如美標(biāo)C18150)，因其具有優(yōu)良的強(qiáng)度與導(dǎo)電性能，在上述領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。但隨著機(jī)械自動(dòng)化水平的逐步提高，焊接等行業(yè)基本開(kāi)始采用機(jī)器代人策略，以提升生產(chǎn)效率。這種改變就將對(duì)其零部件的原材料性能提出新的要求，首當(dāng)其沖的就是抗高溫軟化性能，因?yàn)榭垢邷剀浕阅芎?，零部件的耗損就小，導(dǎo)致零部件的使用壽命提高，并且焊接過(guò)程中的精度也會(huì)隨之提高。目前傳統(tǒng)的銅鉻鋯合金(如美標(biāo)C18150)其抗高溫軟化性能為在580℃下，其硬度損失值在15％以上，這已不能滿足相關(guān)行業(yè)的發(fā)展要求，因此，提高材料的抗高溫軟化性能成了目前迫切的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種抗高溫軟化性能更加優(yōu)異的銅合金，解決了目前鉻鋯銅合金的抗高溫軟化性能待提升的問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，通過(guò)下面所述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種抗軟化銅合金，所述合金的組成為：Cr：0.1-1.0wt％，Zr：0.01-0.2wt％，Si：0.01-0.10wt％,Fe：≤0.10wt％，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)，該銅合金微觀結(jié)構(gòu)由單質(zhì)Cr相、Cu₅Zr相和Cr₃Si相組成。本發(fā)明銅合金采用添加適量硅元素形成Cr₃Si化合物提升材料抗高溫軟化效果，同時(shí)以單質(zhì)Cr相和Cu₅Zr相強(qiáng)化銅合金基體，并利用Cr₃Si相和單質(zhì)Cr相的協(xié)同作用，并通過(guò)控制Fe雜質(zhì)的含量，進(jìn)一步提升材料的強(qiáng)度和抗高溫軟化性能。

各合金元素及相關(guān)析出相在銅中的作用如下：

鉻常溫下在銅中的固溶度很小，只有不到0.5％，但在高溫時(shí)固溶度相對(duì)較大，可達(dá)0.65％，因此可實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化，是本發(fā)明銅合金中的主要強(qiáng)化元素。在銅合金中，利用熱處理可得到單質(zhì)Cr的彌散強(qiáng)化相粒子，對(duì)銅基體形成強(qiáng)化效果。在強(qiáng)化銅基體的同時(shí)，Cr還會(huì)與銅基體中固溶的Si形成Cr₃Si化合物，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)Cr₃Si化合物為高溫穩(wěn)定化合物相，即使在800℃高溫下也不會(huì)發(fā)生溶解，因此其抗高溫軟化能力極強(qiáng)。本發(fā)明青銅合金鉻含量為0.1-1.0％，若鉻含量小于此范圍，Cr與Si很難形成Cr₃Si，即使形成，數(shù)量也不多，不能起到應(yīng)有的作用，而若鉻含量大于此范圍，鉻將大量析出形成強(qiáng)化相，導(dǎo)致鉻在晶界處大量積聚，破壞材料的塑性。

鋯在銅合金中有一定的溶解度。鋯加入可提高銅基體的再結(jié)晶溫度，提升銅合金的耐高溫軟化能力。而且鋯會(huì)與銅形成Cu₃Zr中間化合物，對(duì)銅基體起到強(qiáng)化作用，同時(shí)提升銅合金的電性能。本發(fā)明銅合金鋯含量在0.01-0.2％，若低于此范圍，則起不到作用，而高于此范圍，雖對(duì)合金能夠起到強(qiáng)化作用，但會(huì)大大降低合金的導(dǎo)電性，影響合金的綜合性能。

硅在銅中有一定的固溶度，可強(qiáng)化銅合金基體，但對(duì)銅的導(dǎo)電性影響較大，可大幅降低銅合金的導(dǎo)電率。但當(dāng)銅合金中有適量的鉻時(shí)，其可形成Cr₃Si相化合物,Cr₃Si為析出相，析出后可大幅提升材料的導(dǎo)電性，因此對(duì)銅合金綜合性能有好的影響。本發(fā)明銅合金硅含量在0.01-0.1％，若低于此范圍，則銅合金中形成的Cr₃Si相不足，無(wú)法起到作用，而若高于此范圍，雖可形成足夠的Cr₃Si相，但會(huì)大大降低Cr的析出量，影響合金的綜合性能。

在本發(fā)明中，F(xiàn)e作為雜質(zhì)元素而控制，少量的Fe有利于強(qiáng)度的提高，但過(guò)高的Fe會(huì)影響導(dǎo)電率，因此，在本發(fā)明中將Fe含量控制在0.10wt％以下。

本發(fā)明銅合金的微觀相組成由單質(zhì)Cr相、Cu₅Zr相和Cr₃Si相組成，各相的作用如下：

Cr₃Si相為合金初生相，在合金液態(tài)及結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生，其在高溫下具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，在800℃下依舊可保持原始結(jié)構(gòu)而不溶解，因此可大幅度提升合金的抗高溫軟化能力。Cu₅Zr相為本發(fā)明銅合金中主要析出強(qiáng)化相之一，其在合金固溶處理后全部溶入銅基體形成過(guò)飽和固溶體，在隨后的時(shí)效過(guò)程中從銅基體中析出，彌散分布于合金中。Cu₅Zr相析出后，對(duì)位錯(cuò)起到釘扎作用，從而提升銅基體的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)由于其析出，使得銅基體變得純凈，對(duì)電子的阻礙作用減小，電阻率減小而導(dǎo)電率得以大幅度提升。本發(fā)明銅合金中的另外一種強(qiáng)化相是單質(zhì)Cr相，其生成原理與Cu₅Zr相類似，都產(chǎn)生于合金的熱處理中，固溶處理后全部溶入銅基體形成過(guò)飽和固溶體，在隨后的時(shí)效過(guò)程中從銅基體中析出，彌散分布于合金中。單質(zhì)Cr相是本發(fā)明合金中最重要的強(qiáng)化相，對(duì)合金的強(qiáng)度提升起到至關(guān)重要的作用。

本發(fā)明合金的3個(gè)主要強(qiáng)化相既獨(dú)立存在，又有一定的依存關(guān)系，通過(guò)添加合適的合金元素比列，形成合理比例的相，對(duì)合金的性能有重要作用。單質(zhì)Cr相是合金中的主要強(qiáng)化相，對(duì)合金強(qiáng)化起主要作用，Cr₃Si相為高溫相，對(duì)合金抗高溫軟化起主要作用，而Cu₅Zr相是另一中強(qiáng)化相，不僅可以強(qiáng)化合金，同時(shí)可以增加形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化單質(zhì)Cr相和Cr₃Si相，并使其彌散分布，進(jìn)而提升強(qiáng)度和抗高溫軟化效果。

可選的，單質(zhì)Cr相、Cu₅Zr相、Cr₃Si相，滿足如下關(guān)系：

設(shè)單質(zhì)Cr相數(shù)量為X，Cr₃Si相數(shù)量為Y，則：0<X/Y<20。

當(dāng)強(qiáng)化相達(dá)到該比例要求時(shí)，該銅合金的抗高溫軟化性能及強(qiáng)度將得到大幅度的提升。當(dāng)強(qiáng)化相比例大于20時(shí)，合金中的Cr₃Si相數(shù)量極少，則合金的抗高溫軟化性能達(dá)不到要求。

可選的，該銅合金含有，Mg：0.0001-0.10wt％。設(shè)置該比例的鎂，可固溶于銅基體中，對(duì)銅合金起到強(qiáng)化的效果，并對(duì)銅合金的導(dǎo)電性能影響較??；同時(shí)可以有效的清除銅合金中的氧，降低銅合金的氧含量，提升材料品質(zhì)。

可選的，該銅合金還包括0.01％-2.5wt％的Co，Zn，Mn，Sn，Nb元素的任意一種或兩種以上，其總和不超過(guò)3.5wt％。上述合金元素加入銅合金中，都可以起到固溶強(qiáng)化、提高材料再結(jié)晶溫度，進(jìn)而提升材料軟化溫度的作用。但上述合金元素加入量不宜太大，否則會(huì)大大降低材料的導(dǎo)電性能。

可選的，該銅合金的軟化溫度≥580℃。當(dāng)銅合金的軟化溫度≥580℃時(shí)，可大幅提升材料對(duì)各類焊接工藝的需求，提升焊接材料的使用壽命。

銅合金的軟化溫度通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。一般情況下，當(dāng)材料在某一溫度下保溫2小時(shí)，然后入水冷卻，測(cè)試處理后的材料硬度，如處理后的材料硬度損失量在15％以內(nèi)，則認(rèn)為此溫度下材料未軟化，反之認(rèn)為材料軟化。傳統(tǒng)銅鉻鋯合金其軟化溫度在550℃左右，其在550℃下保溫2小時(shí)，然后入水冷卻，其處理后的材料硬度損失量約為13-15％左右，如果是580℃，則其硬度損失量遠(yuǎn)大于15％。因此傳統(tǒng)的銅鉻鋯合金其軟化溫度為550℃。而本發(fā)明銅合金在上述實(shí)驗(yàn)條件下，550℃時(shí)材料硬度損失量在4-8％，580℃時(shí)材料硬度損失量也不超過(guò)10％，因此本發(fā)明銅合金的軟化溫度≥580℃。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種抗軟化銅合金的制備方法，包括下述步驟：合金化處理精煉——澆注鑄錠——鋸錠加熱擠壓——固溶熱處理——拉伸及拉拔——時(shí)效熱處理——矯直精整；

其中所述合金化處理和覆蓋保護(hù)精煉的熔鑄溫度為1150℃-1350℃；所述熱擠壓溫度為850℃-950℃；所述固溶處理溫度為850℃-1000℃，冷卻介質(zhì)為水，冷卻速度為10℃/min-150℃/s；冷拉拔加工率為20％-60％；所述的時(shí)效熱處理溫度為450℃-520℃，保溫時(shí)間為2h-4h。利用該生產(chǎn)工藝可使生產(chǎn)出來(lái)的材料，其單質(zhì)Cr相、Cu₅Zr相、Cr₃Si相尺寸合理，分布更彌散，提高了發(fā)明銅合金的各項(xiàng)性能。

本發(fā)明公開(kāi)抗軟化銅合金在接觸線、連接器、焊接材料上的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明銅合金采用添加適量硅元素形成Cr₃Si化合物提升材料抗高溫軟化效果，同時(shí)以單質(zhì)Cr相和Cu₅Zr相強(qiáng)化銅合金基體，并利用Cr₃Si相和單質(zhì)Cr相的協(xié)同作用，并通過(guò)控制Fe雜質(zhì)的含量，進(jìn)一步提升材料的強(qiáng)度和抗高溫軟化性能；

2、本發(fā)明銅合金的軟化溫度≥580℃，更好地滿足焊接和接觸線領(lǐng)域?qū)︺~合金各項(xiàng)性能的要求。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

為避免重復(fù)，現(xiàn)將本具體實(shí)施方式所涉及的技術(shù)參數(shù)統(tǒng)一描述如下，實(shí)施例中不再贅述：

wt％：重量百分比。

％IACS：用來(lái)表征金屬或合金的導(dǎo)電率(參比于標(biāo)準(zhǔn)退火純銅)。一般定義標(biāo)準(zhǔn)退火純銅的導(dǎo)電率為100％IACS，即是5.80E+7(1/Ω·m)或58(m/Ω·mm²)。其值為國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電阻率(不管是體積和質(zhì)量的)對(duì)相同單位試樣電阻率之比乘以100。

HR:洛氏硬度。

Rem.:余量。

實(shí)施例1-20

表1：本發(fā)明抗軟化銅合金的成份組成實(shí)例(重量％)：

分別按表1實(shí)施例1-20中所述的抗軟化銅合金的成份及其質(zhì)量百分比配料，然后經(jīng)熔煉、鑄錠、加工成型，最后以1-30℃/min的平均升溫速度升溫至450℃-520℃，保溫時(shí)間為2h-4h，得本發(fā)明實(shí)施例21-40的抗軟化銅合金成品(得到成品的實(shí)施例21-40，其分別對(duì)應(yīng)實(shí)施例1-20中所述的抗軟化銅合金的成份及其質(zhì)量百分比配料)。

對(duì)實(shí)施例21-40中抗軟化銅合金成品的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

本發(fā)明實(shí)施例21-40中抗軟化銅合金主要通過(guò)所添加的各種合金元素以及特定的時(shí)效處理，形成不同性質(zhì)的微觀中間相及單質(zhì)，這些微觀相彌散的分布于銅基體中，使得銅合金的各種性能得到有效改善，本發(fā)明實(shí)施例21-40抗軟化銅合金的相關(guān)相及其含量見(jiàn)表2。

表2本發(fā)明實(shí)施例21-40中抗軟化銅合金的中間相及其含量

分別按表1實(shí)施例1-20中所述抗軟化銅合金的成份及其質(zhì)量百分比配料，然后采用合金化處理和覆蓋保護(hù)精煉的熔鑄溫度為1150℃-1350℃；所述熱擠壓溫度為850℃-950℃；所述固溶處理溫度為850℃-1000℃，冷卻介質(zhì)為水，冷卻速度為10℃/min-150℃/s；冷拉拔加工率為20％-60％；所述的時(shí)效熱處理溫度為450℃-520℃，保溫時(shí)間為2h-4h，最后精整成Ф8的與實(shí)施例1-20中所述抗軟化銅合金的成份及其質(zhì)量百分比配料相對(duì)應(yīng)的實(shí)施例41-60的抗軟化銅合金棒材成品。

按相關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法檢測(cè)本發(fā)明實(shí)施例41-60抗軟化銅合金棒材的抗拉強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電率、軟化溫度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。其中，室溫拉伸試驗(yàn)按照《GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》在電子萬(wàn)能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣采用比例系數(shù)為5.65的圓形橫截面比例試樣。導(dǎo)電率測(cè)試按照《GB/T3048-2007電線電纜電性能試驗(yàn)方法第2部分：金屬材料電阻率試驗(yàn)》，本試驗(yàn)儀器為ZFD微電腦電橋直流電阻測(cè)試儀，樣品長(zhǎng)度為1000mm，用％IACS表示。硬度測(cè)試按照《GB/T 230.1-2009金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)》方法在硬度計(jì)上進(jìn)行測(cè)試。

表3：本發(fā)明實(shí)施例41-60中抗軟化銅合金棒材的性能試驗(yàn)結(jié)果

本發(fā)明的抗拉強(qiáng)度≥470MPa，洛氏硬度在75以上，導(dǎo)電率在75％IACS以上。

實(shí)施例61-80

實(shí)施例61-80中抗軟化銅合金的成份及其質(zhì)量百分比與實(shí)施例41-60中的相同，即分別按表1實(shí)施例1-20中所述抗軟化銅合金的成份及其質(zhì)量百分比配料，然后采用合金化處理和覆蓋保護(hù)精煉的熔鑄溫度為1150℃-1350℃；所述熱擠壓溫度為850℃-1000℃；所述固溶處理溫度為850℃-950℃，冷卻介質(zhì)為水，冷卻速度為10℃/min-150℃/s；冷拉拔加工率為20％-60％；所述的時(shí)效熱處理溫度為450℃-520℃，保溫時(shí)間為2h-4h，最后精整成Ф8的抗軟化銅合金棒材成品。

按照《HB5420-89電阻焊電極及輔助裝置用銅及銅合金》要求方法進(jìn)行軟化溫度測(cè)試。測(cè)試溫度選擇為580℃，結(jié)果列于表4。

表4：本發(fā)明實(shí)施例61-80中抗軟化銅合金棒材的軟化溫度試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述實(shí)施例，可以看出，本發(fā)明銅合金按標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，在580℃下，硬度損失值都在8％以下，而對(duì)比例的傳統(tǒng)銅鉻鋯合金，其硬度損失值大于18％，證明本發(fā)明銅合金的抗高溫軟化性能有較大提升。

應(yīng)用實(shí)施例

任選實(shí)施例41-60中的抗軟化銅合金棒材制成焊接用器材。

任選實(shí)施例41-60中的抗軟化銅合金棒材制成連接器材。

任選實(shí)施例41-60中的抗軟化銅合金棒材制成電氣化鐵路用接觸線。

綜上所述，本發(fā)明抗軟化銅合金不僅具有高強(qiáng)度、良好的電性能，還具有優(yōu)異的抗高溫軟化性能，特別適合用于焊接器械、連接器和電氣化鐵路用接觸線等工業(yè)領(lǐng)域。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。