一种高强度高导电率Cu-Ag-Sn合金及其制备方法

本发明属于有色金属合金，具体涉及一种高强度高导电率cu-ag-sn合金及其制备方法。

背景技术：

0、技术背景

1、铜合金具有良好的导电性，是应用于引线框架、电触头、强磁体线圈等重要产业的关键材料。cu-ag合金因为ag在时效处理中以纳米相析出，可以提高合金的强度，使合金同时兼具高强度与高导电性。但是ag价格昂贵，极大提高了合金成本。因此，一般采用6％质量分数以下的ag含量。

2、随着现代工业的不断发展，当前cu-ag合金的强度已逐渐无法满足技术发展的需求。对于ag重量百分比3～9％的cu-ag合金，其主要的强化方式是依赖于时效热处理后cu基体中析出的ag纳米析出相。ag纳米析出相可分为连续性析出相与非连续性析出相两类；非连续性析出相为较粗大的片状或棒状，而连续性析出相则为细小的弥散颗粒，呈网状分布。且连续性析出相尺寸小，分布密度大。相关研究表明，促进cu-ag合金中的连续性析出相有利于提高合金的强度和硬度力学性能。连续性析出相在形变加工后可形成高密度的ag增强纤维，是高强高导cu-ag复合材料提高强度的关键。因此如何提高ag连续性析出相的比例，并细化析出相的尺寸，成为提高3～9％ag含量cu-ag合金力学性能的关键。

3、目前，通过添加第三组元优化合金成分，改变纳米析出相形态，可进一步提高合金的性能。发明专利201610218372.0公开了一种结合0.1～30t磁场与添加fe元素制备cu-ag-fe合金的方法，得到cu-ag-fe合金线材/板材导电率为55～88％iacs，抗拉强度750～1760mpa。发明专利201810259998.5公开了一种cu-ag-fe-c合金的制备方法，在cu-ag合金熔炼过程中添加fe-c预合金，使fe-c预合金颗粒均匀分布，提高合金的导电率和抗拉强度，得到的铸态合金抗拉强度为420-500mpa，导电率为40-55％iacs。发明专利201910401815.3公开了一种高强高导cu-ag-sc合金及其制备方法，在熔炼过程中加入ag-sc中间合金，通过添加sc促进ag的连续性析出，合金硬度88～148hv，导电性83～88％iacs。发明专利201610173651.x公布了在cu-ag合金(6～30％ag)中添加nb、cr或mo第三组元，利用弥散强化的方式强化合金，通过合适的热处理控制ag的析出方式，促进ag的连续性析出，提高材料强度的同时增大导电性能；发明专利200510048639.8公开了通过添加re细化cu-ag合金组织，并采用大变形和合理的热机械处理，形成以ag纳米纤维为强化相的原位纳米纤维增强的复合材料，使其抗拉强度与导电率性能优化组合。发明专利202110851495.9公开了高强高导高耐热cu-ag-hf合金及制备方法，通过在cu-ag合金中添加hf，获得更好的析出强化效果，使合金的抗软化温度不低于550℃。以上的几项专利中，添加的第三组元熔点均较高，较难在熔炼中均匀溶入cu-ag合金熔体，易产生偏析，不利于工业化大尺寸铸态合金的制备，限制了应用价值。

4、一些学术文献也对在cu-ag合金中添加第三组元改进性能进行了探讨；其中raabed等(acta materialia.1999,47(3):769)发现富nb相有着良好的延展性，使cu-8.2％ag-4％nb三元合金具有良好的延展性，同时具有很高的线应变和极限抗拉强度。wux等(materials&design.2019,168:107676)报道了在cu-ag合金中加入zr可以提高合金高温退火后的力学性能。bittnerf等(materials science and engineering:a.2014,597:139)发现了zr在cu-ag合金中可形成高硬度的cu4agzr复合颗粒，可提高cu-ag-zr复合材料的硬度。lir等(journal of alloys and compounds.2019,773:121)报道了在cu-26％ag合金中加入0.1％fe能够细化共晶组织和ag析出相，从而提高合金的抗拉强度和电阻率。chang l等(journal of rare earths.2017,35(10):1029)报道了在cu-ag合金中添加稀土元素ce，能够促进铸态cu-ag合金柱状晶向等轴晶转变，使合金晶粒细化，析出相硬化，从而提高合金的力学性能。以上文献中添加的第三元素也均为熔点远高于cu与ag的元素，在工业生产的大尺寸铸锭制备中易出现熔炼困难和宏观偏析的问题，限制了应用的价值。

技术实现思路

1、针对现有技术中，所添加的第三组元的熔点均较高，如sc元素的熔点为1541℃、fe为1538℃、cr为1907℃、nb为2468℃、mo为2620℃等，使得添加元素较难在熔炼中均匀溶入cu-ag合金熔体，易产生偏析，不利于工业化大尺寸铸态合金的制备，限制了其应用的价值问题。本发明的目的是，提出一种高强度高导电率的cu-ag-sn合金及其制备方法。以熔点为232℃的sn元素作为第三组元，配合适当的热处理工艺，通过热处理使sn与ag元素先固溶进入cu基体，然后时效热处理使ag析出。通过sn元素改变ag纳米相的析出方式，获得具有高强度与高导电性的cu-ag-sn合金。

2、一种高强度高导电率cu-ag-sn合金，所述合金按质量百分比，由如下组分组成：ag3～9％，sn0.1～1％，y0.01～0.02％，余量为cu。

3、进一步地，所述合金抗拉硬度80～130hv，强度180～250mpa，导电性70～85％iacs。

4、本发明的另一个目的是提供一种高强度高导电率cu-ag-sn合金的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将固体原料无氧cu、高纯ag、ag-sn中间合金和ag-y中间合金置于感应熔炼炉的坩埚中，对所述感应熔炼炉进行抽真空，之后通入惰性气体，在所述惰性气体保护下加热至1200～1300℃，保温10～30min，得到合金熔液，关闭感应电源，使熔体静置30秒，然后将所述合金液浇铸进入模具，得到合金铸锭。

6、(2)在惰性气氛条件下，将合金铸锭加热至780～800℃，保温1～4h，然后水淬至室温，获得热处理合金铸锭。

7、(3)在惰性气氛条件下，在热处理合金铸锭加热至400～450℃，保温2～4h进行时效热处理，然后空冷至室温，制成高强度高导电率cu-ag-sn合金。

8、优选地，步骤(1)中所述的抽真空条件为真空度≤0.1mpa。

9、优选地，步骤(1)中所述的惰性气体为氩气，惰性气体气压≤0.05mpa。

10、进一步地，步骤(1)中所述ag-sn中间合金采用如下方法制备：将所述高纯ag在感应加热炉中加热至1000℃，加入金属sn，在合金液完全混溶后浇铸成小铸锭，得到所述ag-sn中间合金；所述ag-sn中间合金中sn的质量百分含量为5～20％。

11、进一步地，步骤(1)中所述ag-y中间合金采用如下方法制备：将所述高纯ag与金属y一起放入电弧炉中，加热至1600℃以上，随炉冷却制成小铸锭，得到所述ag-y中间合金；所述ag-y中间合金中y的质量百分含量为1～5％。

12、进一步地，步骤(1)中所述保温同时利用电磁感应对合金熔液进行搅拌，得到混合均匀的合金液。

13、优选地，所述惰性气氛为氩气气氛。

14、本发明前所未有的将sn与y添加在cu-ag合金中以改变纳米相析出方式得到高强度高导电率cu-ag-sn合金及其相关制备方法。与现有技术相比，存在以下优点：

15、①第三组元sn熔点低，易于在熔炼中均匀溶入cu-ag合金熔体，凝固后sn元素均匀分布于cu-ag-sn合金铸锭中，解决了第三组元在cu-ag合金中的偏析问题。

16、②sn元素在cu中固溶度较大，可与ag一起固溶于cu基体中，再与ag一起时效析出，可有效改变ag的析出方式，促进ag以连续性析出相的方式分布在cu基体中。使得cu-ag-sn合金的强度与硬度显著高于相同条件下的cu-ag合金。

17、③通过使用ag-sn中间合金的方式，避免了低熔点sn组元的烧损与挥发。

18、④通过ag-y中间合金使y均匀分布于熔体中，y元素在熔炼过程中可与氧元素结合生成氧化物熔渣上浮去除，有效去除杂质o元素(合金中o元素的去除可提高合金导电率)。凝固后合金中剩余的少量y元素含量≤0.02％，以cu7y化合物颗粒形式分散在组织中，并起到对基体进一步强化的作用。