一种耐热碲铜合金材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及铜合金材料技术领域，具体涉及一种耐热碲铜合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.新能源汽车的快速发展大大提高了高性能铜合金的需求，铜和铜合金主要应用于新能源汽车的电池系统、换流器、电动马达、高压线缆、低压线缆等部分，新能源汽车单车用铜量远高于传统汽车。与一般铜合金相比，新能源汽车所使用的铜合金所处的工作环境具有工作频率高、运行功率大、工作环境复杂多变、安全性要求高四大突出特点，因此要求其力学性能、导电性能、导热性能、抗氧化性能、抗软化性能好。
3.碲铜(c14500)合金材料兼顾了较好的易切削性能和优良的导电、导热性能，同时具备抗腐蚀和抗电烧蚀性能及在大电流作用下的抗电弧性，冷热加工性能较好，适用于新能源汽车所使用的铜合金材料。此外还广泛应用于在电子、电器、铁路交通、信息通讯、电机和军工行业，但碲铜合金的耐热性能不好。在实际应用过程中，满足新能源汽车用碲铜合金所处的工作频率高、运行功率大、工作环境复杂多变等情境，现有碲铜合金的抗高温稳定性有待提高。
4.目前的碲铜合金，如中国发明专利《接触网导线用铜合金材料》，其专利号为 zl02133772.1(授权公告号为cn1410569b)公开了一种接触网导线用铜合金，成分为te： 0.1～1.2，mg：0.2～1.3、li：0.02～0.50，cu余量，经热挤压或热轧、冷拔或冷轧制，再结晶退火后，合金的强度可达523～576mpa，伸长率8～11％，但导电性能一般，导电率低于 76％iacs。
5.又如中国发明专利申请《一种多元复合微合金化的高强高导铜合金及其制备》，其专利申请号为cn200910303691.1(申请公布号为cn101629254a)开发了一种用微量铬、锆和碲复合微合金化的高强高导铜合金，成分为cr：0.2～0.8、zr：0.1～0.3、te：0.1～0.5，余量cu。经轧制和热处理，导电率92％iacs，但力学性能较低，抗拉强度为500mpa。又如中国发明专利《一种电动汽车充电桩连接器用碲铜合金及其生产工艺》，其专利号为zl201610698759.0(授权公告号为cn106222477b)公开了一种碲铜合金应用于汽车充电桩连接器，化学成分为：te：0.16～0.19，cr：0.07～0.10，co：0.07～0.10，y：0.005～0.01，sn： 0.005～0.01，氧含量小于0.0005％。合金经过固溶、冷轧、时效、拉拔等工艺步骤，制备的产品力学、电学性能优异，抗拉强度超过550mpa，导电率大于90％iacs，伸长率约3％，但其中改善合金抗高温稳定性的元素cr、co、y的含量较低(cr：0.07～0.10，co：0.07～0.10， y：0.005～0.01)，极限固溶度下cu
‑
(cr/sn)合金的再结晶温度约400℃，cu
‑
co合金的再结晶温度低于250℃，而cu
‑
0.25hf合金的再结晶温度约550℃，显然cr/sn元素的抗高温能力不如元素hf，稀土y在0.05％以上时对合金的抗软化有益，在该专利中起净化除杂的作用，因此微量cr：0.07～0.10，co：0.07～0.10，y：0.005～0.01对碲铜合金的抗软化温度提升非常有限。
6.因此，需要对现有的耐热碲铜合金材料及制备方法作进一步的改进。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种同时兼具高耐热、高强度、高抗电弧烧蚀且高抗高温氧化性的耐热碲铜合金材料。
8.本发明所要解决的第二个技术问题是，提供了一种上述耐热碲铜合金材料的制备方法。
9.本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种耐热碲铜合金材料，其特征在于，按照重量百分比计，包括有以下组分：te：0.2～0.5wt.％，hf：0.3～0.9wt.％， ag：0.1～0.2wt.％，余量为cu。
10.所述耐热碲铜合金材料的抗拉强度为480～620mpa，导电率为78～92％iacs，抗软化温度≥550℃，断后伸长率≥4％。该耐热碲铜合金材料同时兼具高抗拉强度、高导电率和良好的高温稳定性。
11.优选地，所述hf元素为cu
‑
8hf wt.％中间合金中的hf元素。hf与zr的作用类似，但hf的溶解度为0.4at.％，zr的溶解度仅为0.12at.％，析出强化潜力较大。同时，由于 hf元素易氧化烧损，所以本发明采用中间合金来提升hf元素的收得率。
12.本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述的耐热碲铜合金材料的制备方法，其特征在于，依次包括有以下步骤：
13.(1)上引连续铸造：根据所述高性能铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu、脱水件放入感应炉中，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，保温一段时间然后进行铸造形成合金杆件；
14.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔；
15.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，随后对合金杆件进行酸洗处理；
16.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔。
17.优选地，在步骤(2)中，冷拉拔总变形量为72～76％，保证合金大变形量具备良好的力学性能；在步骤(4)中，冷拉拔总变形量为68～71％，维持(退火处理后)经二次冷变形后合金的塑性和强度。
18.进一步优选地，在步骤(2)中，冷拉拔总变形量为75％；在步骤(4)中，冷拉拔总变形量为70％。实现合金力学电学性能的良好组合。
19.优选地，在步骤(3)中，退火处理温度为430～460℃，时效时间为1～3h。
20.进一步优选，在步骤(3)中，退火处理温度为450℃，时效时间为2h。易于析出纳米强化相，实现退火温度和退火时间的最优组合。
21.优选地，在步骤(1)中，脱水木炭覆盖层的厚度为6mm，保证铸造牵引过程中合金液面与结晶器下降协调进行，还能减少合金在熔炼过程中易氧化元素的损耗；铸造温度为1170～1200℃，保温时间为4～6min，确保金属液的流动性与合金元素的充分溶解。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将微合金化元素hf添加至碲铜合金中，元素hf在铜中以纳米相析出，在铜中的溶解度大于zr，提高了本发明碲铜合金的抗拉强度、高温抗软化温度以及导电率，从而使得本发明的碲铜合金具有良好的高温稳定性；te 元素
的添加确保合金的抗电弧性能。另外，碲铜合金材料是以上引连铸－室温拉拔－退火处理－室温拉拔工艺制备，连铸过程中冷却速率快，微合金化元素固溶效果好，得到的合金杆件表面质量良好，组织均匀，沿拉铸方向有一定的晶粒取向，便于后续冷加工处理；hf元素的添加并配合过后续的形变热处理，相比普通的c14500合金(抗软化温度约400～450℃)其抗软化温度提升了100℃以上，抗拉强度强度提升70mpa以上，导电率维持在78％iacs以上。本发明制备方法得到的合金材料杂质元素含量低，较传统浇铸－挤压工艺简单，合金收得率高。另外，通过本发明所制备的碲铜合金材料，力学、电学、高温稳定性优异，可应用于新能源汽车、在电子、电器、铁路交通、信息通讯、电机和军工行业，有显著的经济效益和社会效益。
具体实施方式
23.以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
24.实施例1：
25.按照重量百分比计，本实施例的耐热碲铜合金材料的合金成分为：te：0.2％，hf： 0.3％，ag：0.1％，余量为cu。
26.本实施例的耐热碲铜合金材料的制备方法依次包括有以下步骤：
27.(1)上引连续铸造：按照上述铜合金材料的成分组成进行配料，其中，先将纯cu、脱水木炭放入中频感应炉中，脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，在温度1180℃下保温5min，拉铸铜合金杆件的横截面的直径为21mm；
28.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔(φ＝21mm
→
φ＝19mm
→
φ＝17mm
→
φ＝15mm
→
φ＝14mm
→
φ＝13mm
→
φ＝12mm
→
φ＝11 mm
→
φ＝10.5mm)，冷拉拔总变形量75％；
29.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间2h，随后对合金杆件进行酸洗处理；
30.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔(φ＝10.5mm
→
φ＝9 mm
→
φ＝8mm
→
φ＝7mm
→
φ＝6.5mm
→
φ＝5.8mm)，冷拉拔总变形量70％。
31.本实施例所得到的铜合金杆材抗拉强度为480mpa，导电率为92％iacs，延伸率为14％，抗软化温度为550℃，击穿电压为22kv，具有良好的高温稳定性和抗电弧能力。
32.实施例2：
33.按照重量百分比计，本实施例的耐热碲铜合金材料的合金成分为te：0.2％，hf： 0.7％，ag：0.15％，余量为cu。
34.本实施例的耐热碲铜合金材料的制备方法依次包括有以下步骤：
35.(1)上引连续铸造：按照上述铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu、脱水木炭放入中频感应炉中，脱水木炭覆盖层的厚度为6mm，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，在温度1180℃下保温5min，拉铸铜合金杆件的横截面的直径为21mm；
36.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔 (φ＝21mm
→
φ＝19mm
→
φ＝17mm
→
φ＝15mm
→
φ＝14mm
→
φ＝13mm
→
φ＝12mm
→
φ＝11 mm
→
φ＝10.5mm)，冷
拉拔总变形量75％；
37.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间2h，随后对合金杆件进行酸洗处理；
38.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔 (φ＝10.5mm
→
φ＝9mm
→
φ＝8mm
→
φ＝7mm
→
φ＝6.5mm
→
φ＝5.8mm)，冷拉拔总变形量 70％。
39.本实施例所得到的铜合金杆材抗拉强度为546mpa，导电率为84％iacs，延伸率为7％，抗软化温度为550℃，击穿电压为22kv，具有良好的高温稳定性和抗电弧能力。
40.实施例3：
41.按照重量百分比计，本实施例的耐热碲铜合金材料的合金成分为te：0.2％，hf： 0.9％，ag：0.2％，余量为cu。
42.本实施例的耐热碲铜合金材料的制备方法依次包括有以下步骤：
43.(1)上引连续铸造：按照上述高性能铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu和脱水木炭放入中频感应炉中，脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，在温度1200℃下保温5min，拉铸铜合金杆件的横截面的直径为21mm；
44.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔 (φ＝21mm
→
φ＝19mm
→
φ＝17mm
→
φ＝15mm
→
φ＝14mm
→
φ＝13mm
→
φ＝12mm
→
φ＝11 mm
→
φ＝10.5mm)，冷拉拔总变形量75％；
45.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间2h，随后对合金杆件进行酸洗处理；
46.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔 (φ＝10.5mm
→
φ＝9mm
→
φ＝8mm
→
φ＝7mm
→
φ＝6.5mm
→
φ＝5.8mm)，冷拉拔总变形量 70％。
47.本实施例所得到的铜合金杆材抗拉强度达到581mpa，导电率达到80.2％iacs，延伸率达到5％，抗软化温度为570℃，击穿电压为22kv，具有良好的高温稳定性和抗电弧能力。
48.实施例4：
49.按照重量百分比计，本实施例的耐热碲铜合金材料的合金成分为te：0.4％，hf： 0.3％，ag：0.1％，余量为cu。
50.本实施例的耐热碲铜合金材料的制备方法依次包括有以下步骤：
51.(1)上引连续铸造：按照上述高性能铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu、脱水木炭放入中频感应炉中，脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，在温度1170℃下保温5min，拉铸铜合金杆件的横截面的直径为21mm；
52.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔 (φ＝21mm
→
φ＝19mm
→
φ＝17mm
→
φ＝15mm
→
φ＝14mm
→
φ＝13mm
→
φ＝12mm
→
φ＝11 mm
→
φ＝10.5mm)，冷拉拔总变形量75％；
53.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间2h，随后对合金杆件进行酸洗处理；
54.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔(φ＝10.5 mm
→
φ＝
9mm
→
φ＝8mm
→
φ＝7mm
→
φ＝6.5mm
→
φ＝5.8mm)，冷拉拔总变形量70％。
55.本实施例所得到的铜合金杆材抗拉强度达到483mpa，导电率达到89.6％iacs，延伸率达到11％，抗软化温度为550℃，击穿电压为22.5kv，具有良好的高温稳定性和抗电弧能力。
56.实施例5：
57.按照重量百分比计，本实施例的耐热碲铜合金材料的合金成分为te：0.5％，hf： 0.6％，ag：0.2％，余量为cu。
58.本实施例的耐热碲铜合金材料的制备方法依次包括有以下步骤：
59.(1)上引连续铸造：按照上述高性能铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu和脱水木炭放入中频感应炉中，脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，在温度1180℃下保温5min，拉铸铜合金杆件的横截面的直径为21mm；
60.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔 (φ＝21mm
→
φ＝19mm
→
φ＝17mm
→
φ＝15mm
→
φ＝14mm
→
φ＝13mm
→
φ＝12mm
→
φ＝11 mm
→
φ＝10.5mm)，冷拉拔总变形量75％；
61.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间2h，随后对合金杆件进行酸洗处理；
62.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔(φ＝10.5mm
→
φ＝9 mm
→
φ＝8mm
→
φ＝7mm
→
φ＝6.5mm
→
φ＝5.8mm)，冷拉拔总变形量70％。
63.本实施例所得到的铜合金杆材抗拉强度达到539mpa，导电率达到85.2％iacs，延伸率达到7％，抗软化温度为550℃，击穿电压为22.5kv，具有良好的高温稳定性和抗电弧能力。
64.实施例6：
65.按照重量百分比计，本实施例的耐热碲铜合金材料的合金成分为te：0.5％，hf： 0.9％，ag：0.2％，余量为cu。
66.本实施例的耐热碲铜合金材料的制备方法依次包括有以下步骤：
67.(1)上引连续铸造：按照上述高性能铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu和脱水木炭放入中频感应炉中，脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，在温度1200℃下保温5min，拉铸铜合金杆件的横截面的直径为21mm；
68.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔(φ＝21mm
→
φ＝19 mm
→
φ＝17mm
→
φ＝15mm
→
φ＝14mm
→
φ＝13mm
→
φ＝12mm
→
φ＝11mm
→
φ＝10.5mm)，冷拉拔总变形量75％；
69.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间2h，随后对合金杆件进行酸洗处理；
70.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔(φ＝10.5 mm
→
φ＝9mm
→
φ＝8mm
→
φ＝7mm
→
φ＝6.5mm
→
φ＝5.8mm)，冷拉拔总变形量70％。
71.本实施例所得到的铜合金杆材抗拉强度达到602mpa，导电率达到78.5％iacs，延伸率达到5％，抗软化温度为570℃，击穿电压为22.5kv，具有良好的高温稳定性和抗电弧能
0.9％，ag：0.2％，余量为cu。
90.本实施例的耐热碲铜合金材料的制备方法依次包括有以下步骤：
91.(1)上引连续铸造：按照上述高性能铜合金材料的成分组成进行配料，先将纯cu和脱水木炭放入中频感应炉中，脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，在大气环境下进行熔炼，待纯铜完全熔化后加入cu
‑
8hf wt.％中间合金和纯ag，在温度1200℃下保温5min，拉铸铜合金杆件的横截面的直径为21mm；
92.(2)室温拉拔：将步骤(1)所得的合金杆件经多道次冷拉拔，本实施例中经历了8次 (φ＝21mm
→
φ＝19mm
→
φ＝17mm
→
φ＝15mm
→
φ＝14mm
→
φ＝13mm
→
φ＝12mm
→
φ＝11 mm
→
φ＝10.5mm)，冷拉拔总变形量75％；
93.(3)退火处理：将骤(2)所得的合金杆件进行退火处理，退火处理温度为450℃，时效时间2h，随后对合金杆件进行酸洗处理；
94.(4)室温拉拔：将步骤(3)所得的合金杆件经多道次冷拉拔，本实施例中经历了5次 (φ＝10.5mm
→
φ＝9mm
→
φ＝8mm
→
φ＝7mm
→
φ＝6.5mm
→
φ＝5.8mm)，冷拉拔总变形量 70％；
95.本实施例所得到的铜合金杆材抗拉强度达到620mpa，导电率达到78％iacs，延伸率达到4％，抗软化温度为570℃，击穿电压为22.5kv，具有良好的高温稳定性和抗电弧能力。
96.实施例10：
97.本实施例与上述实施例9的区别仅在于：步骤(1)中的脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，温度为1170℃，保温时间4min；步骤(2)中的冷拉拔总变形量为72％；步骤(3)中的退火温度为430℃，时效时间为1h；步骤(4)中的冷拉拔总变形量为68％；
98.实施例11：
99.本实施例与上述实施例9的区别仅在于：步骤(1)中的脱水木炭覆盖层的厚度为6cm，温度为1200℃，保温时间6min；步骤(2)中的冷拉拔总变形量为76％；步骤(3)中的退火温度为460℃，时效时间为3h；步骤(4)中的冷拉拔总变形量为71％；
100.以上具体实例是对本发明所作的进一步详细说明，并不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明提出的合金成分范围及形变热处理工序，可以做适当的成分调整和改善，但都应视为属于本发明所提交权利要求书的保护范围。