权利要求
1.一种Ni微合金化形成核壳结构的高热稳定性Cu-Zr合金，其特征在于，按重量百分比计由以下组分组成：Zr: 0.18~0.23%， Ni: 0.3~0.5%，余量为Cu和不可避免的杂质;所述铜合金的微观组织中包含以Cu5Zr相为核、以富Ni原子层为壳的核壳结构纳米析出相。
2.根据权利要求1所述的高热稳定性核壳结构强化Cu-Zr合金，其特征在于，所述核壳结构纳米析出相的平均尺寸为2-5 nm。
3.一种如权利要求1或2所述高热稳定性核壳结构强化Cu-Zr合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 熔铸：按照权利要求1所述的成分配比，采用真空感应炉进行熔炼和浇铸，获得合金铸锭;
S2. 固溶处理：将所述合金铸锭在920~980℃下进行2~6小时的固溶热处理;
S3. 热挤压：将固溶处理后的铸锭进行机加工，随后在750~850℃的温度下进行热挤压变形，获得挤压棒材;
S4. 冷拉拔：将所述热挤压棒材进行多道次冷拉拔变形，总变形量不低于90%，获得冷拔态材料;
S5. 时效处理：将所述冷拔态材料在400~550℃下进行0.5-1.5小时的时效处理。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述固溶处理的条件为：950℃下保温4小时。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述热挤压的温度为800℃。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述冷拉拔变形是将直径为14mm的棒材拉拔至直径为4mm的线材。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中所述时效处理的温度为450~500℃。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理后，合金的抗软化温度不低于580℃。
说明书
技术领域
背景技术
[0002]铜及铜合金因其优异的导电、导热性能，被广泛应用于电工电子、交通运输、航空航天等领域。然而，纯铜强度较低，抗软化温度(通常低于300℃)差，难以满足高端装备对材料综合性能的要求。
[0003]通过添加合金元素(如Zr、Cr、Ag等)进行沉淀强化是提高铜合金强度的有效途径。其中，Cu-Zr合金因其较好的强度和导电性组合而受到关注。然而，传统Cu-Zr合金中的主要强化相Cu5Zr在高温(>500℃)下容易粗化、溶解，导致合金迅速软化，强度和热稳定性无法满足更高温度服役环境的需求，如大功率电机转子、高温焊接电极、高速轨道交通接触线等。
[0004]因此，开发一种在保持高导电性的同时，兼具高强度、尤其具有高抗软化温度的新型铜合金材料，具有重要的工业应用价值。
发明内容
[0005]本发明要解决的技术问题：针对现有Cu-Zr合金抗高温软化能力不足的问题，提供一种新型铜合金及其制备方法。该方法通过在Cu-Zr合金中引入微量Ni元素，并配合适当的热机械处理工艺，在基体中形成一种具有高热稳定性的核壳结构纳米析出相，从而在几乎不损失导电率的前提下，显著提高合金的强度和抗软化温度。为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一方面涉及一种Ni微合金化形成核壳结构的高热稳定性Cu-Zr合金，其特征在于，所述铜合金按重量百分比(wt.%)计由以下组分组成：Zr: 0.18~0.23%， Ni: 0.25~0.50%， 余量为Cu和不可避免的杂质;所述铜合金的微观组织中包含以Cu5Zr相为核、以富Ni原子偏聚层为壳的核壳结构纳米析出相。
[0006]在本发明的一个优选实施方式中，所述核壳结构纳米析出相的平均尺寸为2-5 nm
本发明另一方面涉及上述Cu-Zr合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 熔铸：按照上述成分配比，采用真空感应炉进行熔炼和浇铸，获得合金铸锭;
S2. 固溶处理：将所述合金铸锭在920~960℃下进行4小时的固溶热处理，使合金元素充分固溶于铜基体;
S3. 热挤压：将固溶处理后的铸锭机加工至规定尺寸后，在750~850℃的温度下进行热挤压变形，获得挤压棒材;
S4. 冷拉拔：将所述热挤压棒材进行多道次冷拉拔变形，总变形量不低于90%，获得冷拔态线材或棒材;
S5. 时效处理：将所述冷拔态材料在450~550℃的电阻炉中进行0.5-1.5小时的时效处理，促使Cu5Zr相析出，同时Ni原子扩散并偏聚于Cu5Zr相表面，形成所述核壳结构纳米析出相。
[0007]优选地，步骤S2中固溶处理温度为950℃，保温时间为4小时。
[0008]优选地，步骤S3中热挤压温度为800℃。
[0009]优选地，步骤S4中冷拉拔的最终变形是将直径从14mm拉拔至4mm。
[0010]优选地，步骤S5中时效处理温度为500℃。
有益效果
[0011]独特的强化相结构
本发明通过Ni元素的微合金化与冷变形-时效工艺，成功在铜基体中构筑了“Cu5Zr为核、Ni原子富集层为壳”的核壳结构纳米析出相。这种结构是本合金高性能的微观基础。
[0012]优异的综合性能
① 高电导率保持率：Ni原子主要偏聚于析出相界面，极大降低了基体中固溶Ni的含量，从而最大限度地减少了合金原子对电子的散射，使合金在获得高强度的同时保持了与Cu-Zr合金相近的高导电性(导电率可达80% IACS以上)。
[0013]②显著提升的热稳定性：富集在界面的Ni原子扩散速率慢，能有效阻碍Cu5Zr析出相在高温下的粗化动力学，使其在高温长时间暴露后仍能保持高数量密度和细小尺寸。这使得合金的抗软化温度从传统Cu-Zr合金的约500℃大幅提升至580℃以上。
[0014]③高强度：高密度、细小的核壳结构析出相与冷变形引入的位错结构共同作用，对位错运动产生强烈的钉扎效应，赋予合金高的室温强度和高温强度。
[0015]工艺可控，适于产业化：
本发明采用的真空熔炼、热挤压、冷拉拔和时效处理均为成熟的工业化生产手段，工艺流程明确，参数可控，易于实现规模化生产。
附图说明
[0016]图1为本发明实施例1制备的Cu-0.2Zr-0.3Ni合金在500℃时效后的透射电子显微镜(TEM)明场像及相应的高分辨图谱，图中可观察到弥散分布的纳米析出相。
[0017]图2为图1中析出相的3DAP图像及对应的元素面分布图，清晰显示了Zr元素(核)与Ni元素(壳)的空间分布，证实了核壳结构的存在。
[0018]图3为本发明实施例1-3合金与对比例1(Cu-0.2Zr)合金在不同温度下保温1小时后的硬度变化曲线，显示了本发明合金抗软化温度的显著提升。
具体实施方式
[0019]下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0020]实施例1：一种Ni微合金化形成核壳结构的高热稳定性Cu-Zr合金及其制备方法，其成分为：Cu-0.2wt.%Zr-0.3wt.%Ni。
[0021]制备方法：
1.所用原材料为高纯无氧铜(Cu含量大于99.999wt.%)、Cu-40wt.%Zr中间合金及纯镍颗粒(Ni含量大于99.999wt.%)，采用真空感应炉熔炼并浇铸成Φ81mm的铸锭。
[0022]2.将铸锭在920℃下进行4小时的固溶处理。
[0023]3.机加工去除表面氧化皮，得到Φ80mm的坯料。
[0024]4.在800℃下对坯料进行热挤压，得到Φ14mm的棒材。
[0025]5.对Φ14mm棒材进行多道次冷拉拔，最终得到Φ4mm的线材，总变形量约为92%。
[0026]6.将冷拔线材在500℃的电阻炉中进行1小时时效处理。
[0027]实施例2：与实施例1区别在于，合金成分为：Cu-0.18wt.%Zr-0.4wt.%Ni。其余步骤与实施例1相同。
[0028]实施例3：与实施例1区别在于，合金成分为：Cu-0.23wt.%Zr-0.5wt.%Ni。其余步骤与实施例1相同。
[0029]一种传统Cu-Zr合金，成分为：Cu-0.2wt.%Zr。其制备方法除不添加Ni元素外，熔铸、固溶(950℃×4h)、热挤压(800℃)、冷拉拔(至Φ4mm)、时效(450℃×1h)工艺均与实施例1相同。
[0030]微观结构观察：对实施例1的时效后样品进行TEM和3DAP分析。结果如图1、图2所示，证实了尺寸为2-5nm的弥散析出相存在，且Ni原子偏聚在Cu5Zr相周围，形成了清晰的核壳结构。
[0031]抗软化性能测试：将实施例1-3及对比例1的最终态样品，分别在不同温度(400℃,420℃, 440℃, 460℃, 480℃, 500℃, 520℃, 540℃, 560℃, 580℃, 600℃, 620℃)下保温1小时，空冷后测量其维氏硬度。结果如图3所示。对比例1(Cu-0.2Zr)在500℃保温后硬度急剧下降，表明其抗软化温度约为500℃。而本发明所有实施例合金在580℃保温后仍能保持初始硬度的80%以上，抗软化温度均高于580℃。
[0032]：参照GB/T 3048.2标准，测试线材的电导率(以%IACS表示)。实施例1-3合金的电导率为80.3-81.4% IACS，对比例1合金的电导率为88.9% IACS。表明添加0.3-0.5wt.%Ni仅使电导率轻微下降，但仍保持在极高水平。
[0033]表1 本发明对比例与实施例所制备Φ4mm线材时效处理后的电导率测试数据
[0034]本发明通过成分设计与工艺创新，成功开发出一种具有高热稳定性核壳结构强化相的新型Cu-Zr合金。该合金完美地兼顾了高强度、高导电性和极高的抗软化温度，解决了传统沉淀强化铜合金高温性能不足的瓶颈问题，在高端电工、电子及高温服役领域具有广阔的应用前景。
[0035]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
说明书附图(3)
