本發明屬于銅合金，具體涉及一種高導耐高溫銅鉻鋯合金板材及其制備方法和應用。

背景技術：

1、鉻鋯銅系合金是典型的時效強化型合金，目前已有諸多專利報道其通過對時效工藝的優化，實現對彌散析出相的控制，進而獲得強度大于400mpa，導電率大于75％iacs

2、鉻鋯銅系合金材料，目前已廣泛應用于焊機電極、結晶器背板等這類高溫使用的零部件。然而隨著焊機等設備的加熱溫度越來越高，不僅要求基體材料具有良好的導電和導熱性能，以滿足其使用工況，同時要求材料具有高硬度和耐高溫性能，以減小材料在高溫使用條件下發生的變形，提高其使用壽命。為獲得兼具高導電、導熱和耐高溫的鉻鋯銅合金板，目前主流的解決方式是采用大變形量提高材料硬度并配合過時效工藝加工。

3、公開號為cn110835699a的發明專利申請公開了一種高強高導銅鉻鋯系合金材料及其制備方法。該材料的重量百分比組成為：cr：0.5～1.5％，zr：0.05～0.3％，mg：0.02～0.1％，si：0.005～0.01％，fe：0.002～0.005％，其余為cu，另外合金中還包括ti、la、b、ca四種元素中的兩種，各元素含量均為0.001～0.005％，合金元素總含量為0.005～0.01％。通過熔煉及鑄造，熱軋，銑面，粗軋，中間退火，中軋，高溫快速固溶處理，精軋和時效處理制備得到該材料。

4、公開號為cn113718129a的發明專利申請公開了一種鉻鋯銅合金，其特征在于，該鉻鋯銅的質量百分比組成為cr：0.5～1.1wt％，zr：0.05～0.12wt％，si：0.01～0.05wt％，mg：0.005～0.01wt％，余量為cu和不可避免的雜質。本發明在傳統鉻鋯銅合金的基礎上添加mg、si，對材料基體進行細化，其塑性變形能夠分散在更多晶粒上進行，協調變形更充分，內應力減小，晶界增多能夠增加位錯滑移的難度，并且可以使材料在時效過程中控制析出相的位置與大小，獲得更彌散分布、顆粒更細小的析出相，使其強度、塑性和抗高溫軟化溫度均增加。

5、然而以采用上述專利申請公開的工藝制備的鉻鋯銅合金板為基體的零件，在使用初期的確性能優良，然而在反復升溫降溫工況下使用時，由于過時效形成的析出相較為粗大，表層的硬度會逐漸下降，使得零件發生翹曲或彎曲，最終導致元件的失效。

6、針對上述問題，國內外對于鉻鋯銅材料進行了微合金化處理，但該方式的微合金化元素的添加方式、添加數量和比例均需要嚴格控制，工業化生產的穩定性較差，且額外增加了加工成本。

7、因此，本發明旨在開發一種組織織構調控的制備方法，解決鉻鋯銅板表層因反復受熱導致的硬度下降問題，進而獲得一種兼顧導電性、高硬度和良好耐熱性能的鉻鋯銅材料，以適應焊機電極、結晶器背板等的使用需求。

技術實現思路

1、本發明提供了一種高導電、高硬度和良好耐熱性能的鉻鋯銅合金。

2、為解決上述技術問題，本發明提供了一種高導耐高溫銅鉻鋯合金板材，按質量百分比計，所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的各組分包括cr：0.50-1.50wt％，zr：0.08-0.30wt％，和cu：98.2-99.4wt％；

3、所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的組織包括s型織構和cube型織構，

4、從所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的內層至表層，所述s型織構與cube型織構的體積百分比比值呈現梯度遞增。

5、作為結晶器背板的基材，本發明制備的銅鉻鋯合金板材要具有良好耐熱性能，尤其是表層的要承受長時間的高溫溫度，否則一旦材料變軟發生彎曲，會帶來極大的使用隱患，同cube型織構相比，s型織構的耐高溫性能更好，因此本發明通過提高表層的s型織構體積比，從而使材料表層獲得更好的耐高溫效果。

6、優選地，在所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的表層，所述s型織構和cube型織構的體積百分比的比值為1.1-1.8；

7、在所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的內層，所述s型織構和cube型織構的體積百分比的比值為0.4-1.0。

8、本發明通過控制表層的s型織構在較高含量范圍，使得本發明提供的鉻鋯合金板材具有較高的強度、硬度，和抗高溫軟性性能，如果表層的s型織構過高，則會導致表層和內層的硬度和強度差距過大，材料內部存在加工應力，在高溫下更容易發生彎曲變形，本發明通過控制內層的cube型織構的含量，使得本發明提供的鉻鋯合金板材具有較高的導電性能，如果內存的cube型織構的含量過多，則材料內層硬度和強度較低，材料性能的均勻性差，不能滿足產品使用要求。

9、進一步優選地，在所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的表層，所述s型織構和cube型織構的體積百分比的比值為1.4-1.6，在所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的內層，所述s型織構和cube型織構的體積百分比的比值為0.5-0.8。在該比值范圍條件下，材料的高溫軟化溫度更高。

10、優選地，在厚度方向，所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的表層為板材表面-1/4t；

11、在厚度方向，所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的內層為1/4t-3/4t，不包含1/4t和3/4t處；

12、其中，t為板材的厚度。

13、優選地，在所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材中，s型織構的體積百分比為25-40％，cube型織構的體積百分比為40-60％。

14、優選地，所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的抗拉強度為400-490mpa，硬度為125-145hb，導電率為83-87％iacs，耐高溫軟化溫度為580℃

15、另一方面，本發明還提供了一種高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的制備方法，所述制備方法的工藝流程包括：熔煉→半連續鑄造→銑面→熱鍛→固溶處理→第一次冷鍛→時效處理→第二次冷鍛→表面加工；

16、其中，按照所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材的各組分質量百分比進行配料、熔煉；

17、所述熱鍛的溫度為820-900℃，所述第一次冷鍛的加工率為15-35％，第二次冷鍛的加工率為5-15％。

18、本發明通過控制熱鍛的溫度，使得坯料內部由鑄造織構轉變為再結晶織構(cube織構)，為后續織構的調節打下基礎，如果熱鍛的溫度過低則不足以轉變鑄造織構，如果熱鍛的溫度過高則再結晶織構占比過高，后續冷鍛加工無法獲得足夠的加工織構(s型織構)，致使材料的力學性能不滿足要求。

19、本發明通過控制第一次冷鍛的加工率在較高的范圍內，使得固溶處理后的坯料組織沿著加工方向拉長，部分的cube織構轉變為s型織構，通過控制第二次冷鍛加工的加工率在較低的水平，使得坯料表面的s型織構的占比較高，而對內層cube織構的影響不大，由于坯料表面的s型織構占比高，因此制得的板材具有較高的強度、硬度和耐熱性能，又由于板材內部的cube織構的占比較高，使得板材的導電率較高。

20、本發明通過將第二次冷鍛的加工率控制在較低的水平，在不明顯降低材料導電性能的基礎上，提高材料表層的耐高溫性能，通過上述第二次冷鍛的加工后，材料厚度方向外層的s型織構占比上升，材料的硬度提升20-30hb，同時耐高溫性能更好，高溫軟化溫度可達到580℃，高于普通時效處理的鉻鋯銅材料的550℃，而厚度方向內層的織構比例無明顯變化，保證材料的導電性能不會發生明顯下降。

21、當第二次冷鍛加工率小于5％時，s型織構占比變化不大，材料的硬度和耐高溫性能提升有限；當冷鍛加工率大于15％時，由于鉻鋯銅板的塑性變形能力有限，材料會發生開裂。綜上所述，本發明采用5-15％的冷鍛加工率，對s型織構和cube織構的占比進行有效控制，從而提高板材的耐高溫性能。

22、優選地，所述熱鍛的溫度為加工率為45-75％。

23、優選地，加熱鍛的輔助工裝模具預熱到250℃以上。

24、優選地，所述固溶處理的溫度為920-980℃。

25、銅鉻鋯合金的時效效果好壞與固溶效果息息相關，本發明通過控制固溶處理的溫度，使得cr元素和zr元素的能夠充分固溶，同時避免材料晶粒長大明顯，晶粒粗大后，材料的性能會出現明顯的下降。

26、優選地，所述時效處理的溫度為420-500℃。

27、本發明通過控制時效處理的溫度，使得cr元素能夠析出形成強化相，提升材料的硬度和強度，同時能夠將內部組織中的部分s型織構轉變為cube織構，以提升坯料內層中cube織構的含量，從而提升板材的導電率；還能夠避免s型織構的過多轉化，使得耐高溫性能下降明顯。

28、優選地，所述熔煉的加料順序為：先加入電解銅板，再加入所需成分要求的銅鉻和銅鋯中間合金，隨后升溫至1250-1350℃，待上述材料全部熔化后，在表面覆蓋燒紅的木炭，進行擴散脫氧。隨后降溫至1200-1300℃，并進行直讀光譜測試，待成分合格后進行鑄造。

29、本發明采用非真空法進行銅鉻鋯合金鑄錠的鑄造，目前主流的銅鉻鋯合金采用真空鑄造，但真空爐生產效率低，生產成本高，且由于鑄錠自重小，因此無法制作大尺寸零部件。而本發明采用的半連續鑄造方法具有兩大優勢，一是鑄錠自重可達3噸以上，可進行大尺寸零部件的加工；二是zr元素以銅鉻中間合金的形式，在鑄造過程中加入溜槽，解決了非真空鑄造zr元素的燒損問題，保證了鑄錠中zr元素的均勻性，也為后續組織控制奠定了基礎；三是銅鉻鋯系合金在鑄造時容易出現皮下夾雜，這主要是由于在鑄造時形成含cr或zr的氧化物，而本發明鑄造時可及時去除結晶器上沿的夾渣，大大降低鑄錠出現皮下夾渣的發生概率。

30、另一方面，本發明還提供了所述高導耐高溫銅鉻鋯合金板材在焊機電極、結晶器背板或高精度模具材料上的應用。

31、與現有技術相比，本發明的有益效果為：

32、本發明通過控制s型織構和cube織構的體積百分比，從板材的內層至表層的梯度遞增變化，使得表層的s型織構含量較高，有利于提升板材的強度、硬度和耐熱性能，又使得內層的cube織構含量較高，有利于提升板材的導電率。

33、本發明通過控制熱鍛溫度使得坯料內部形成大量的cube織構，為后續的織構調控奠定基礎，通過控制第一次冷鍛的加工率，獲得部分s型織構，然后通過較低加工率的第二次冷鍛，使得板材表層的s型織構明顯增加，但又盡量減小對板材內層的cube織構的影響，從而得到從內層至表層，s型織構與cube織構的質量百分比呈現梯度遞增的變化，有利于獲得兼顧導電性、高硬度和良好耐高溫性能的鉻鋯銅材料。