CN101333610A

CN101333610A - 超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN101333610A
Application number: CNA2008100320042A
Authority: CN
Inventors: 李周; 潘志勇; 肖柱; 雷前; 汪明朴
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: CN101333610B

Abstract

超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金及制备方法，其组成为(重量百分)：Ni：6.4－8.2wt％；Si：1.2－1.8wt％；Sn：0.3－0.5wt％；Mg：0.1－0.2wt％；Zr：0.1－0.2wt％；余量为Cu，制备方法包括：(1)CuNiSi非真空二次重熔、铸锭；(2)均匀化处理及热轧；(3)双级固溶处理；(4)冷轧；(5)时效处理五个步骤。本发明合金组分合理、合金化程度高、生产工艺简单、操作方便、生产成本低、合金强度高、导电率高、抗应力松弛性能好、可以实现大规格坯锭的制备、所制备的目标合金体系中Ni和Si含量高，本发明工艺方法适于工业化生产，可替代现有航天、航空大功率密封电磁继电器，电子工业中高性能导电弹性器件的原材料及生产工艺。

Description

超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种CuNiSi系弹性铜合金及其制备方法，特别是指一种超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金及其制备方法。主要应用于航天、航空大功率密封电磁继电器，以及电子工业中高性能导电弹性器件。

背景技术

航天、航空、兵器、舰船等工业的发展，对继电器的各项技术指标和环境适应能力提出了更高的要求。高可靠性、高寿命的工作性能，小型化、高负载、高环境适应能力和绿色环保已成为继电器发展的主要方向。例如功率型密封电磁继电器，其簧片和触点极限通断能力要求能切换28Vd.c.80A的大电流，试验环境温度为125℃，再加上线圈温升和负载切换温升，接触簧片的工作温度达到或超过150℃。因此要求材料不但导电性能高、弹性好，而且要求材料在150℃以上各项性能稳定，仍然能保持高的导电性能和稳定的弹性性能。

现阶段国内外使用的继电器接触簧片材料大致分为两类。一类为贵金属材料，如银镁镍合金，它的特点是导电、导热性能好、抗电弧能力强，表面镀金后可以兼做触点材料，在小的压力作用下接触电阻较小。但银镁镍合金的强度、弹性模量较低，而且价格昂贵，这些固有缺陷制约了它的使用。

另一类是以铍青铜为代表的铜基合金。铍青铜合金具有高的强度、弹性、硬度、耐磨性、抗疲劳和优良的电性能，是较为理想的继电器用簧片材料。但该合金由于其含剧毒物质铍而且在高于120℃环境下，材料弹性、强度急剧降低，导致继电器在工作状态下的灭弧能力、反力特性的改变，致使继电器工作失效。

近年来前苏联、美国、日本和中国开发出的Cu-Ti、Cu-Ni-Al、Cu-Ni-Sn、“卡密隆”、“卡密林”、MHЦ15-20和德银合金等新型无铍弹性铜合金。这些合金具有相当高的强度(≥1000MPa)，而且在150℃下仍然保持较高的强度和稳定的弹性性能，但其电导率太低，都不超过15％IACS，远低于铍青铜。

近年来研制了CuNiSi系合金，如CN90106428.9所述合金有高的强度和导电率，但它未涉及材料的抗应力松弛性能，微合金化元素也与本发明不同，且该专利采用的是真空熔炼和单级固溶处理制度，真空熔铸难以制备大规格锭坯，且熔铸成本高；US4594211专利所述合金有高的强度和导电率，但它未涉及材料的弹性和抗应力松弛性能，而且其成分在本发明之外。

公开的专利200410068497.7和200410036828.9提供了一种兼具有高强度和高导电性的电子用CuNiSi系合金，但该合金强度在700-800MPa，而且其主合金成分在本发明之外。

用于功率型继电器上的簧片材料，要求材料σ_b大于1000MPa，导电率≥25IACS％，应力松弛率≤10％)。但在上述专利中，均未给出同时满足上述三大性能指标要求的合金的成分以及制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种合金组分合理、合金化程度高、生产工艺简单、操作方便、生产成本低、合金强度高、导电率高、抗应力松弛性能好的超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金及其制备方法。满足大功率密封电磁继电器，以及电子工中高性能导电弹性器件的需求。

本发明---超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金，其组成如下(重量百分)：

Ni：6.4-8.2wt％；

Si：1.2-1.8wt％；

Sn：0.3-0.5wt％；

Mg：0.1-0.2wt％；

Zr：0.1-0.2wt％；余量为Cu。

本发明---超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金，其较佳组成如下(重量百分)：

Ni：6.8-7.8wt％；

Si：1.4-1.6wt％；

Sn：0.35-0.45wt％；

Mg：0.13-0.17wt％；

Zr：0.13-0.17wt％；余量为Cu。

本发明---超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金，其最佳组成如下(重量百分)：

Ni：7.3wt％；

Si：1.5wt％；

Sn：0.4wt％；

Mg：0.15wt％；

Zr：0.15wt％；余量为Cu。

本发明---超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金的制备方法，包括下述步骤：

(1)、CuNiSi非真空二次重熔、铸锭

a、一次熔铸：

将电解铜、镍、硅、锡烘干后放入加热炉中熔化，用氮气和煅烧木炭保护，熔化温度1300℃～1450℃，入模浇铸成锭坯，铣去锭坯表面杂质；

b、将一次熔铸的锭坯于1300℃～1450℃进行二次重熔，用氮气和煅烧木炭保护，待该铸锭全部熔化后，将炉温降至1200℃～1250℃后，将镐以铜-镐中间合金、镁以铜-镁合金的形式加入，熔匀后形成CuNiSiSnMgZr合金熔体，将该CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸成铸锭；

(2)均匀化处理及热轧

将步骤(1)所得铸锭铣去表面缺陷，于920~930℃氢气保护炉中均匀化处理20~24小时，热轧，道次轧下量20-30％，终轧温度850℃。

(3)、双级固溶处理

将步骤(2)所得热轧板坯，在氢气保护炉中于950~955℃固溶处理4~5小时，然后以每分钟5℃的加热速度加热至960~965℃，于960~965℃固溶处理2~3小时，水淬；将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的脱元素层；

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经15-60％变形量的冷轧。

(5)、时效处理

将步骤(4)所得冷轧板于450-500℃时效处理15-240分钟。

(1)、CuNiSi非真空二次重熔、铸锭

a、一次熔铸：

将电解铜、镍、硅、锡烘干后放入加热炉中熔化，用氮气和煅烧木炭保护，熔化温度1350℃～1400℃，入模浇铸成锭坯，铣去锭坯表面杂质；

b、将一次熔铸的锭坯于1350℃～1400℃进行二次重熔，用氮气和煅烧木炭保护，待该铸锭全部熔化后，将炉温降至1200℃～1250℃后，将镐以铜-镐中间合金、镁以铜-镁合金的形式加入，熔匀后形成CuNiSiSnMgZr合金熔体，将该CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸成铸锭；

(2)均匀化处理及热轧

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经40-60％变形量的冷轧。

(5)、时效处理

将步骤(4)所得冷轧板于450-500℃时效处理15-120分钟。

(1)、CuNiSi非真空二次重熔、铸锭

a、一次熔铸：

将电解铜、镍、硅、锡烘干后放入加热炉中熔化，用氮气和煅烧木炭保护，熔化温度1300-1450℃，入模浇铸成锭坯，铣去锭坯表面杂质；

b、将一次熔铸的锭坯于1300-1450℃进行二次重熔，用氮气和煅烧木炭保护，待该铸锭全部熔化后，将炉温降至1200℃～1250℃后，将镐以铜-镐中间合金、镁以铜-镁合金的形式加入，熔匀后形成CuNiSiSnMgZr合金熔体，将该CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸成铸锭；

(2)均匀化处理及热轧

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经50％变形量的冷轧。

(5)、时效处理

将步骤(4)所得冷轧板于450-500℃时效处理15-60分钟。

本发明中，所述加热炉为中频感应电炉。

本发明中，所述浇铸模为铁模。

本发明由于采用上述工艺方法，首先，对CuNiSi进行非真空二次重熔、铸锭，实现合金体系的高合金化，能够有效保证Ni、Si、Cu形成均匀的熔体；然后，进行均匀化处理、热轧及双级固溶处理，使合金体系的合金元素能够更充分的固溶到基体中；随后，对合金进行冷轧、时效处理，使合金中产生足够高密度的纳米强化粒子并充分析出在位错附近形成钉扎气团，有效提高合金的抗应力松弛性能；

本发明中，采用双级固溶处理制度对所制备的镍硅含量高的合金体系进行固溶处理，使添加的所有元素充分的固溶到铜合金的基体中，有效保证后续时效时纳米粒子大量均匀弥散的析出，从而使合金获得优良的综合性能。克服了现有单一固溶处理技术的不足，即单一固溶温度偏高时，由于硅含量高而产生共晶组织，导致热加工开裂；偏低时，则不能实现完全固溶，而采用双级固溶处理制度，则可以有效克服这一难题。另外，固溶处理后的冷变形，能够使合金在较短的时效时间内产生足够高密度的纳米强化粒子，达到节能的目的；加入Sn、Mg元素，能够实现纳米级粒子的充分析出并在位错附近形成钉扎气团，从而使合金获得优良的抗应力松弛性能和综合性能。综上所述，本发明合金组分合理、合金化程度高、生产工艺简单、操作方便、生产成本低、合金强度高、导电率高、抗应力松弛性能好、可以实现大规格坯锭的制备、所制备的目标合金体系中Ni和Si含量高，本发明工艺方法适于工业化生产，可替代现有航天、航空大功率密封电磁继电器，电子工业中高性能导电弹性器件的原材料及生产工艺。

具体实施方式

实施例1：合金成份：Ni：8.2wt％；Si：1.8wt％；Sn：0.5wt％；Mg：0.2wt％；Zr：0.2wt％；余量为Cu。

首先，将电解铜、镍、硅、锡烘干后放入加热炉中熔化，用氮气和煅烧木炭保护，熔化温度1300-1450℃，入模浇铸成锭坯，铣去锭坯表面杂质；再于1300℃～1450℃进行二次重熔，用氮气和煅烧木炭保护，待该铸锭全部熔化后，将炉温降至1200℃～1250℃后，将镐以铜-镐中间合金、镁以铜-镁合金的形式加入，熔匀后形成CuNiSiSnMgZr合金熔体，将该CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸成铸锭；

(2)均匀化处理及热轧

CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸所得铸锭铣去表面缺陷，于920℃氢气保护炉中均匀化处理24小时，出炉，在此温度下进行热轧，道次轧下量20-30％，终轧温度850℃，热轧板厚度为5mm；

(3)、双级固溶处理

将步骤(2)所得热轧板坯，在氢气保护炉中于950℃固溶处理4小时，然后以每分钟5℃的加热速度加热至960℃，于960℃固溶处理2小时，水淬。将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的脱元素层；

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经冷轧变形60％。

(5)、时效处理

于450℃时效处理60分钟。测得合金性能数据如表1所示。

表1

实施例2：合金成份：Ni：6.4wt％；Si：1.2wt％；Sn：0.3wt％；Mg：0.1wt％；Zr：0.1wt％；余量为Cu。

首先，将电解铜、镍、硅、锡烘干后放入加热炉中熔化，用氮气和煅烧木炭保护，熔化温度1300-1450℃，入模浇铸成锭坯，铣去锭坯表面杂质；再于1300-1450℃进行二次重熔，用氮气和煅烧木炭保护，待该铸锭全部熔化后，将炉温降至1200℃～1250℃后，将镐以铜-镐中间合金、镁以铜-镁合金的形式加入，熔匀后形成CuNiSiSnMgZr合金熔体，将该CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸成铸锭；

(2)均匀化处理及热轧

CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸所得铸锭铣去表面缺陷，于925℃氢气保护炉中均匀化处理22小时，出炉，在此温度下进行热轧，道次轧下量20-30％，终轧温度850℃，热轧板厚度为5mm；

(3)、双级固溶处理

将步骤(2)所得热轧板坯，在氢气保护炉中于955℃固溶处理4小时，然后以每分钟5℃的加热速度加热至965℃，于965℃固溶处理2小时，水淬。将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的脱元素层；

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经冷轧变形50％。

(5)、时效处理

于500℃时效处理15分钟。测得合金性能数据如表2所示。

表2

实施例3：合金成份：Ni：7.3wt％；Si：1.5wt％；Sn：0.4wt％；Mg：0.15wt％；Zr：0.15wt％；余量为Cu。

(2)均匀化处理及热轧

CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸所得铸锭铣去表面缺陷，于930℃氢气保护炉中均匀化处理20小时，出炉，在此温度下进行热轧，道次轧下量20-30％，终轧温度850℃，热轧板厚度为5mm；

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经冷轧变形50％。

(5)、时效处理

于450℃时效处理60分钟。测得合金性能数据如表3所示。

表3

实施例4：合金成份：Ni：8.1wt％；Si：1.6wt％；Sn：0.5wt％；Mg：0.2wt％；Zr：0.15wt％；余量为Cu。

首先，将电解铜、镍、硅、锡烘干后放入加热炉中熔化，用氮气和煅烧木炭保护，熔化温度1300-1450℃，入模浇铸成锭坯，铣去锭坯表面杂质：再于1300-1450℃进行二次重熔，用氮气和煅烧木炭保护，待该铸锭全部熔化后，将炉温降至1200℃～1250℃后，将镐以铜-镐中间合金、镁以铜-镁合金的形式加入，熔匀后形成CuNiSiSnMgZr合金熔体，将该CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸成铸锭：

(2)均匀化处理及热轧

CuNiSiSnMgZr合金熔体浇铸所得铸锭铣去表面缺陷，于930℃氢气保护炉中均匀化处理24小时，出炉，在此温度下进行热轧，道次轧下量20-30％，终轧温度850℃，热轧板厚度为5mm；

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经冷轧变形40％。

(5)、时效处理

于400℃时效处理120分钟。测得合金性能数据如表4所示。

表4

实施例5：合金成份：Ni：7.5wt％；Si：1.2wt％；Sn：0.4wt％；Mg：0.2wt％；Zr：0.15wt％；余量为Cu。

(2)均匀化处理及热轧

(3)、双级固溶处理

将步骤(2)所得热轧板坯，在氢气保护炉中于950℃固溶处理4小时，然后以每分钟5℃的加热速度加热至960℃，于960℃固溶处理2小时，水淬。将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的脱元素层。

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经冷轧变形50％。

(5)、时效处理

于450℃时效处理45分钟。测得合金性能数据如表5所示。

表5

实施例6：合金成份：Ni：7.5wt％；Si：1.2wt％；Sn：0.4wt％；Mg：0.2wt％；Zr：0.15wt％；余量为Cu。

(2)均匀化处理及热轧

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经冷轧变形15％。

(5)、时效处理

于450℃时效处理240分钟。测得合金性能数据如表6所示。

表6

表7为日矿金属加工株式会社申请的专利申请号为：200410068497.7的合金性能指标。

表7

对比本发明与专利申请号为：200410068497.7的技术方案，涉及合金成分与性能，本发明主合金元素含量明显高于专利申请号为：200410068497.7所涉及的成分；而且，本发明所涉及合金的抗拉强度明显高于专利申请号为：200410068497.7所涉及合金的抗拉强度。

Claims

1、超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金，其组成如下(重量百分)：

Ni：6.4-8.2wt％；Si：1.2-1.8wt％；Sn：0.3-0.5wt％；

Mg：0.1-0.2wt％；Zr：0.1-0.2wt％；余量为Cu。

2、根据权利要求1所述的超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金，其组成如下(重量百分)：

Ni：6.8-7.8wt％；Si：1.4-1.6wt％；Sn：0.35-0.45wt％；

Mg：0.13-0.17wt％；Zr：0.13-0.17wt％；余量为Cu。

3、根据权利要求1所述的超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金，其组成如下(重量百分)：

Ni：7.3wt％；Si：1.5wt％；Sn：0.4wt％；

Mg：0.15wt％；Zr：0.15wt％；余量为Cu。

4、超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金的制备方法，包括下述步骤：

(1)、CuNiSi非真空二次重熔、铸锭

a、一次熔铸：

(2)均匀化处理及热轧

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经15％-60％变形量的冷轧。

(5)、时效处理

将步骤(4)所得冷轧板于450-500℃时效处理15-240分钟。

5、根据权利要求4所述的超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金的制备方法，包括下述步骤：

(1)、CuNiSi非真空二次重熔、铸锭

a、一次熔铸：

将电解铜、镍、硅、锡烘干后放入加热炉熔化，用氮气和煅烧木炭保护，熔化温度1300℃～1450℃，入模浇铸成锭坯，铣去锭坯表面杂质；

(2)均匀化处理及热轧

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经40-60％变形量的冷轧。

(5)、时效处理

将步骤(4)所得冷轧板于450-500℃时效处理15-120分钟。

6、根据权利要求4所述的超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金的制备方法，包括下述步骤：

(1)、CuNiSi非真空二次重熔、铸锭

a、一次熔铸：

(2)均匀化处理及热轧

(3)、双级固溶处理

(4)、冷轧

将步骤(3)所得热轧板坯经50％变形量的冷轧。

(5)、时效处理

将步骤(4)所得冷轧板于450-500℃时效处理15-60分钟。

7、根据权利要求4-6任意一项所述的超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述加热炉为中频感应电炉。

8、根据权利要求4-6任意一项所述的超高强、高导电CuNiSi系弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述浇铸模为铁模。