一种高性能铜铬锆合金板材的轧制方法

摘要

本发明公开了一种高性能铜铬锆合金板材的轧制方法，属于铜合金加工技术领域，具体实施步骤如下：(1)固溶处理，(2)欠时效预处理，其硬度应保持在峰时效硬度的80％‑90％，导电率应保持在峰时效态导电率的80％‑90％,(3)轧制处理，(4)峰时效后处理。充分发挥析出相在增殖位错、细化晶粒、降低体系能量方面的优势，与传统的固溶态轧制和峰时效态轧制相比，相同变形量下，本发明的延伸率和导电率得到保持，强度显著提高；与传统的多级轧制和时效工艺相比，本发明在更小变形量、更低能耗、更短流程下获得相似的力学和导电性能。采用本发明的变形热处理方法，周期短、能耗低、强化显著，在工业化生产中具有很大的应用价值。

权利要求

1.一种高性能铜铬锆合金板材的轧制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：（1）固溶处理：经固溶处理使初始铜铬锆合金材料的组织达到过饱和固溶状态；所述初始铜铬锆合金材质按重量百分比计的化学成分为：铬0.5 1.2%、锆0.08 0.2%、镍0 0.02%、~ ~ ~铁0 0.02%、镁0 0.02%、硅0 0.02%，余量为铜和不可避免的杂质；

~ ~ ~

（2）欠时效预处理：将步骤（1）获得的固溶态铜铬锆合金材料进行欠时效处理，使其硬度表现为达到峰值硬度前的状态；欠时效处理的温度为380  °C‑480 °C，保温时间为0.5 h‑

2 h，随后冷却至室温，硬度表现为峰时效态硬度的80%‑90%，导电率表现为峰时效态导电率的80%‑90%；

（3）轧制处理：对步骤（2）处理后的铜铬锆合金材料进行多道次轧制变形；轧制处理中，每道次变形量为3%‑10%，总变形量为50%‑95%；

（4）峰时效后处理：对步骤（3）轧制后获得的铜铬锆合金材料进行时效处理，使其硬度表现为达到峰值状态。

2.根据权利要求1所述的高性能铜铬锆合金板材的轧制方法，其特征在于：步骤（1）中，固溶处理的温度为920 °C‑1060  °C，保温时间0.5 h‑2 h，随后用水或NaCl水溶液淬至室温。

3.根据权利要求1所述的高性能铜铬锆合金板材的轧制方法，其特征在于：步骤（4）中，峰时效处理的温度为380 °C‑480 °C，保温时间为0.5 h‑10 h，随后冷却至室温。

说明书

一种高性能铜铬锆合金板材的轧制方法

技术领域

[0001] 本发明属于铜合金加工技术领域，具体涉及一种高性能铜铬锆合金板材的轧制方法。

背景技术

[0002] 铜及其合金有着优异的导电性能和较高的强度，是应用最为广泛的导电材料。随着电力、电子和电磁等领域的快速发展，以高速铁路接触网、电磁发射系统为代表的先进装备对高强、高导铜合金的要求越来越高。显然纯铜由于其较低的强度无法满足需求，为此沉淀强化的铜铬锆合金应运而生，具有高强度、高导电、高抗软化温度的优异性能。近年来人们致力于获得具有高位错密度、超细晶粒、纳米析出相和低固溶铜基体的结构，以期获得更高的综合性能。

[0003] 相较于其他大塑形变形方法，轧制更适合于工业化生产和制备大型构件，为获得高密度位错和超细晶提供有力保障。目前铜铬锆合金板常用的生产工艺为均匀化‑热轧‑冷轧(冷轧态)，或者均匀化‑热轧‑固溶‑冷轧‑时效(时效态)。其中，冷轧态板材强度较高，但塑性很差，同时粗大的析出相丧失了一部分沉淀强化效果。时效态虽然塑性比冷轧态高，但由于轧制过程中缺少析出相钉扎和增殖位错的作用，且后续时效处理不可避免地发生回复，导致其位错密度低，强度低。目前用于提高时效态板材强度的方法是轧制工序中进行多次中间退火，并增加变形量。这种方法的主要机理是利用析出相和增加变形量来增殖位错和细化晶粒。但这种方法工艺周期长，生产效率低，能耗大。因此，开发一种短流程、高效率、低能耗并能显著提高铜铬合金力学性能的变形热处理方法具有重要意义。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种高性能铜铬锆合金板材的轧制方法，解决现有的工艺周期长、生产效率低、能耗大，且相同变形量下力学性能提高不明显的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0006] 一种高性能铜铬锆合金板材的轧制方法，包括以下步骤：

[0007] (1)固溶处理：将初始铜铬锆合金板材进行固溶处理，其中，固溶温度为920℃‑1060℃，保温时间0.5h‑2h，随后水淬至室温；所述初始铜铬锆合金材质按重量百分比计的化学成分为：铬0.5～1.2％、锆0～0.2％、镍0～0.02％、铁0～0.02％、镁0～0.02％、硅0～
0.02％，余量为铜和不可避免的杂质。

[0008] (2)欠时效预处理：对步骤(1)得到的固溶态铜铬锆合金进行欠时效处理，其中，时效温度为380℃‑480℃，保温时间为0.5h‑2h，随后冷却至室温，使其处于欠时效状态，其硬度应表现为峰时效态硬度的80％‑90％，导电率应表现为峰时效态导电率的80％‑90％，以保证足够数量的析出相提供位错增殖的作用；

[0009] (3)轧制处理：对步骤(2)处理后的铜铬锆合金进行多道次室温轧制变形，其中，每道次变形量为3％‑10％，总变形量控制在50％‑95％；

[0010] (4)峰时效后处理：对步骤(3)轧制后获得的轧制态铜铬锆合金进行后时效处理，其中，时效温度为380℃‑480℃，保温时间为0.5h‑10h，随后冷却至室温，使其处于峰时效状态，其硬度应表现为峰值硬度。

[0011] 相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0012] 1.本发明采用固溶处理‑欠时效预处理‑轧制‑时效的变形热处理方法对铜铬锆合金进行处理，利用欠时效态轧制代替传统的峰时效态轧制和固溶态轧制，充分发挥欠时效预处理阶段生成的共格析出相在轧制阶段增殖和钉扎位错的作用，积累更多的位错和细化晶粒；且在轧制后时效阶段固溶原子进一步析出降低体系能量，使得回复驱动力降低，回复减弱，保留更多的变形组织。

[0013] 2.本发明利用欠时效预处理、轧制和后时效处理的结合代替传统的多级轧制和时效，现有装备无须改造升级即可满足工艺要求，缩短了工艺流程、提高了生产效率、且大大降低了能耗。

[0014] 3.采用本发明制得的板材具有优异的力学性能和导电性能匹配，满足行业对高强高导铜合金性能要求，对电力电子、交通运输领域的发展有重要意义。

附图说明

[0015] 图1为本发明工艺流程图；

[0016] 图2为实施例与对比例的工程应力‑应变曲线。

具体实施方式

[0017] 以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

[0018] 实施例1

[0019] 铜铬锆合金化学成分(质量％)为：铬1.04％、锆0.08％、铁0.02％、镍0.01％，余量为铜。按照图1工艺流程对铜铬锆合金板进行处理，具体为：将厚度10mm铜铬锆合金板材进行980℃/1h的固溶处理，水淬至室温；将固溶态铜铬锆合金进行420℃/1h的欠时效预处理，硬度为峰时效态合金硬度的88％，导电率为峰时效态合金导电率的84％；然后将欠时效铜铬锆合金在室温条件下进行80％总变形量的轧制处理，每道次变形量为5％，轧制使用普通二辊轧机；最后将合金进行420℃/6h时效处理。

[0020] 对本实施例获得的铜铬锆合金板材进行力学及导电性能测试，显微硬度为196HV，屈服强度为563MPa，抗拉强度为590MPa，均匀延伸率为6.5％，导电率为81％IACS。

[0021] 实施例2

[0022] 铜铬锆合金化学成分(质量％)为：铬0.78％、锆0.17％、硅0.02％，余量为铜。将厚度10mm铜铬锆合金板材进行980℃/0.5h的固溶处理，水淬至室温；将固溶态铜铬锆合金进行480℃/1h的欠时效预处理，硬度为峰时效态合金硬度的87％，导电率为峰时效态合金导电率的81％；然后将欠时效铜铬锆合金在室温条件下进行80％总变形量的轧制处理，每道次变形量为5％，轧制使用普通二辊轧机；最后将合金进行450℃/0.5h时效处理。

[0023] 对本实施例获得的铜铬锆合金板材进行力学及导电性能测试，显微硬度为205HV，屈服强度为590MPa，抗拉强度为610MPa，均匀延伸率为5.0％，导电率为77％IACS。

[0024] 实施例3

[0025] 铜铬锆合金化学成分(质量％)为：铬1.04％、锆0.08％、铁0.02％、镍0.01％，余量为铜。将厚度10mm铜铬锆合金板进行980℃/1h的固溶处理，水淬至室温；将固溶态铜铬锆合金进行420℃/1h的欠时效预处理，硬度为峰时效态合金硬度的88％，导电率为峰时效态合金导电率的84％；然后将欠时效铜铬锆合金在室温条件下进行85％总变形量的轧制处理，每道次变形量为5％，轧制使用普通二辊轧机；最后将合金进行420℃/6h时效处理。

[0026] 对本实施例获得的铜铬锆合金板材进行力学及导电性能测试，显微硬度为198HV，屈服强度为571MPa，抗拉强度为602MPa，均匀延伸率为6.1％，导电率为81％IACS。

[0027] 为进一步验证采用本发明的变形热处理得到的铜铬锆合金板材的力学性能有明显提高，做了以下三组对比实验。

[0028] 对比例1

[0029] 铜铬锆合金化学成分(质量％)为：铬1.04％、锆0.08％、铁0.02％、镍0.01％，余量为铜。将厚度10mm铜铬锆合金板进行980℃/1h的固溶处理，水淬至室温；将固溶态铜铬锆合金进行480℃/2.5h的峰时效预处理；然后将峰时效预处理后的铜铬锆合金在室温条件下进行80％总变形量的轧制处理，每道次变形量为5％，轧制使用普通二辊轧机；最后将合金进行420℃/1h时效处理。

[0030] 对本对比例获得的铜合金板材进行力学及导电性能测试，显微硬度为190HV，屈服强度为544MPa，抗拉强度为560MPa，均匀延伸率为3.5％，导电率为84％IACS。

[0031] 对比例2

[0032] 铜铬锆合金化学成分(质量％)为：铬1.04％、锆0.08％、铁0.02％、镍0.01％，余量为铜。将厚度10mm铜铬锆合金板进行980℃/1h的固溶处理，水淬至室温；然后将固溶态铜铬锆合金直接在室温下进行80％总变形量的轧制处理，每道次变形量为5％，轧制使用普通二辊轧机；最后将合金进行420℃/6h时效处理。

[0033] 对本对比例获得的铜合金板材进行力学及导电性能测试，显微硬度为185HV，屈服强度为523MPa，抗拉强度为554MPa，均匀延伸率为7.5％，导电率为82％IACS。

[0034] 对比例3

[0035] 铜铬锆合金化学成分(质量％)为：铬0.78％、锆0.17％、硅0.02％，余量为铜。将厚度10mm铜铬锆合金板进行980℃/0.5h的固溶处理，水淬至室温；将固溶态铜铬锆合金进行480℃/10min的欠时效预处理，硬度为峰时效态合金硬度的78％，导电率为峰时效态合金导电率的70％；然后将欠时效态铜铬锆合金在室温下进行80％总变形量的轧制处理，每道次变形量为5％，轧制使用普通二辊轧机；最后将合金进行450℃/6h时效处理。

[0036] 对本对比例获得的铜合金板材进行力学及导电性能测试，显微硬度为187HV，屈服强度为530MPa，抗拉强度为550MPa，均匀延伸率为6.6％，导电率为79％IACS。

[0037] 针对上述所有实施例及对比例的铜铬锆合金板材进行室温力学和导电性能测试，结果如表1所示。

[0038] 表1实施例及对比例的力学与导电性能

[0039]

[0040] 通过比较以上实施例和对比例可知，经本方法制备的铜铬锆板材强度与常规轧制方法相比强度显著提高。具体的，通过实施例1与对比例1的比较可知，相同变形量下，欠时效态轧制退火板材的抗拉强度比峰时效态轧制的抗拉强度高30MPa，这是由于本发明中欠时效态的母材含有的析出相在位错增殖和钉扎方面与峰时效态的相同，但是由于峰时效后处理过程中，欠时效态材料有Cr/Zr原子继续析出，降低了体系能量，使得位错回复的驱动力降低，缓解了回复程度，保留了更多的变形组织。通过实施例1与对比例2的比较可知，相同变形量下，欠时效态轧制退火的抗拉强度比固溶态轧制的抗拉强度高36MPa，这是由于本发明中欠时效态的母材含有析出相，能够促进位错积累，细化晶粒。通过实施例2与对比例3的比较可知，相同变形量下，欠时效程度会影响轧制退火性能的变化，对比例3的析出程度较小，无法积累足够位错，导致对比例3的强度较低，可见严格控制欠时效程度，是发挥欠时效轧制优势的关键。

[0041] 图2给出了实施例1‑2和对比例1‑2的工程应力‑应变曲线。可见相对于现有的铜合金板材处理方法，采用本发明方法获得的铜铬锆合金板材具有更高的强度，并保持了均匀延伸率。充分发挥析出相在增殖位错、细化晶粒、降低体系能量方面的优势，不增加工艺流程，不增加能耗，即实现了铜铬锆轧制板材强度的提升，并保持延伸率和导电率。

[0042] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。本发明所提供的工艺原理适用于所有沉淀强化型铜合金。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。