CN101984107B - CuNiSiAl系弹性铜合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CuNiSiAl系弹性铜合金的制备方法，包括：熔铸、均匀化处理、热轧、固溶处理、冷轧、时效处理、再冷轧等步骤。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。本发明生产的合金与铍青铜相比，具有高强度、良好的导电性能、高抗应力松弛性能和不含有毒元素铍等优势。本发明所制备的CuNiSiAl系弹性铜合金具有超高强度、高抗应力松弛等特性，可适用于航天、航空以及微电子工业高性能导电弹性器件，如大功率密封电磁继电器等。
Description
技术领域
本发明涉及一种CuNiSiAl系弹性铜合金制备方法，特别是指一种超高强、高抗应力松弛CuNiSiAl系弹性铜合金制备方法。主要应用于航天、航空工业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
随着航空、航天、舰船、兵器等工业的发展，对国防工业中的大功率密封电磁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、高使用寿命、高负载、高环境适应能力和绿色环保已成为大功率密封电磁继电器发展的主要方向。功率型密封电磁继电器的簧片和触点极限通断能力要求能切换28Vd.c.80A的大电流，工作环境温度近200℃。因此要求继电器的簧片材料得具有导电性能良好、弹性性能卓越、焊接性能优异等，并能在200℃环境下工作时保持以上各项性能优异且稳定。
现阶段国内外功率密封型电磁继电器接触簧片材料有两类。一类为贵金属材料(银镁镍合金)，它们具有优异的导电性能、导热性能、抗电弧能力。但银镁镍合金的强度、弹性模量低且价格昂贵，这些制约着它在功率型继电器上的使用。另一类是以Cu-Be合金为代表的铜合金材料。它们具有高强度、高弹性、高硬度、高耐磨性、抗疲劳和优良的导电性能。但该合金含有Be这一剧毒元素而对人们的健康造成威胁，而且其在高于150℃环境下使用，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，从而不能满足目前大功率密封继电器的要求。
开发出无铍的弹性铜合金已成为国内外研究与攻关的重点。80年代后期，前苏联、美国、日本和中国都已经开发并大量使用Cu-Ni-Al、Cu-Ni-Sn、Cu-Ti、“卡密隆”、“卡密林”、MHU15-20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，不能满足功率型继电器对材料电导率≥25%IACS 的基本要求。
近年来研制了多种CuNiSi系合金，如CN90106428.9所述合金有高的强度和电导率，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电导率，但它未涉及材料的弹性性能和抗应力松弛性能，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能的电子用CuNiSi系合金，但该合金的抗拉强度在700-800MPa，且其主要合金元素成分在本发明之外。公开的专利200810032004.2提供了一种CuNiSiSnMgZr合金具有超高的强度、良好的导电性能和优异的抗应力松弛性能。但其制备过程中存在一些不足之处，如因为添加了Sn元素造成了锭坯的偏析严重，需要较长时间的均匀化处理；需要控制的双级固溶处理难以控制升温速率，实现难度大；且其所述的非真空二次重熔工艺不适合大规模、工业化生产。
用于大功率继电器上的簧片材料，要求材料的抗拉强度大于1000MPa，电导率大于25%IACS，抗应力松弛率小于10%。但在上述的专利中，除专利200810032004.2外均未给出同时满足指标要求的合金的成分以及制备工艺。专利ZL98104639.8公开了一种可以部分代替铍青铜的CuNiSiAl系弹性铜合金材料，但其电导率明显达不到大功率继电器上的簧片材料的要求。
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、电导率高、抗应力松弛性能好的环境友好性的超高强、高抗应力松弛CuNiSiAl系弹性铜合金制备方法，满足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的需求。
本发明CuNiSiAl系弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
A．熔铸
将配定的电解铜、镍和铬放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1150℃-1200℃后，将铝、铜-硅中间合金和铜-镁中间合金分别加入，使得成分范围为（重量）Ni：5.3-6.3wt%；Si：0.9-1.6%；Al：0.2-1.0wt%；Mg：0.05-0.2wt%；Cr：0.05-0.3wt%；余量是Cu，熔匀后形成CuNiSiAlCrMg合金熔体，1250℃-1280℃进行浇铸；
B．均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，于930℃-940℃含防氧化的保护气氛的保护炉中均匀化处理3-5小时；
C.热轧
将经过步骤B处理的铸锭热轧变形，热轧道次轧下量35%-55%，总变形量70%-80%，开轧温度930℃-940℃，终轧温度800℃-900℃；
D.固溶处理
将步骤C所得热轧板坯，在通还原性气体的保护炉中于940℃-960℃固溶处理4-6小时，水淬；
E.冷轧
将步骤D所得的板坯经45%-80%变形量的冷轧；
F.时效处理
将步骤E所得的冷轧板于400-500℃时效处理10-180分钟；
优选的，在上述方法中，冷轧变形量为55%-65%，时效处理时间为60-120分钟。
作为本发明的进一步改进，在时效处理后还经过再冷轧，变形量为30%-60%。
本发明由于采用上述工业方法，首先对CuNiSiAlMgCr进行熔铸，然后依次进行均匀化处理、热轧、固溶处理、冷轧、时效处理、再冷轧。这样获得的材料中含有大量弥散的纳米强化粒子并在位错附近钉轧气团，极大地提高了合金的弹性性能、导电性能和抗应力松弛性能。
本发明中，采用气体保护熔铸法制备了CuNiSiAlMgCr合金，并对其进行一次固溶处理，使得添加的合金元素充分固溶入铜基体中，固溶处理后的冷变形处理，使得合金在时效过程中能在较短的时间内产生足够高密度的纳米强化粒子，达到强化合金的目的，加入的Al、Mg和Cr能够实现纳米级粒子的充分析出并在形成气团钉轧位错，从而使得合金可以获得较好的综合性能。硬度：340HV-360HV ；抗拉强度：1180-1210MPa；屈服强度820-860Mpa：伸长率：3.0-4.5%；电导率：26.8-30.8%IACS；抗应力松弛性能：7.5-7.8%。
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，生产成本低廉、合金的强度高、导电性能好、抗应力松弛性能好、可实现大规格锭坯的制备、所制备的目标合金体系中Ni、Si含量适中，使固溶处理工艺更简单。本发明工艺方法适于工业化生产，可以替代现有航空、航天用大功率密封电磁继电器，电子工业中高性能导电弹性器件等原材料及其生产工艺。
具体实施方式
实施例1：
A．熔铸
将配定的电解铜、镍和铬放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖煅烧木炭以防止氧化，熔化温度1300℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1180℃，将铝、铜-硅中间合金和铜-镁中间合金分别加入，使得成分范围为（重量）Ni：5.3wt%；Si：1.0wt%；Al：0.2%；Mg：0.1wt%；Cr：0.1wt%；余量为Cu，熔匀后形成CuNiSiAlCrMg合金熔体，1250℃进行浇铸，所用浇铸模为铁模；
B．均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，于940℃氮气保护炉中均匀化处理3小时；
C.热轧
将经过步骤B处理的铸锭热轧变形，道次轧下量为40%，总变形量80%，开轧温度930℃，终轧温度900℃；
D.固溶处理
将步骤C所得热轧板坯，在氢气保护炉中于960℃固溶处理5小时，水淬，将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的氧化层；
E.冷轧
将步骤D所得的板坯经80%变形量的冷轧；
F.时效处理
将步骤E所得的冷轧板于450℃时效处理60分钟；
G. 再冷轧
将步骤F所得的板坯经60%变形量的冷轧。
测得的合金性能如表1所示
表1
实施例2：
A．熔铸
将配定的电解铜、镍和铬放入加热炉中熔化，熔体表面用氩气保护，以防止氧化，熔化温度1400℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1150℃，将铝、铜-硅中间合金和铜-镁中间合金分别加入，使得成分范围为（重量）Ni：5.6wt%；Si：0.9wt%；Al：0.5%；Mg：0.05wt%；Cr：0.3wt%；余量为Cu，熔匀后形成CuNiSiAlCrMg合金熔体，1280℃进行浇铸，所用浇铸模为铁模；
B．均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，于930℃氮气保护炉中均匀化处理4小时；
C.热轧
将经过步骤B处理的铸锭热轧变形，道次轧下量35%，总变形量70%，开轧温度940℃，终轧温度850℃；
D.固溶处理
将步骤C所得热轧板坯，在氢气保护炉中于940℃固溶处理6小时，水淬，将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的氧化层；
E.冷轧
将步骤D所得的板坯经45%变形量的冷轧；
F.时效处理
将步骤E所得的冷轧板于400℃时效处理180分钟；
G. 再冷轧
将步骤F所得的板坯经30%变形量的冷轧。
测得的合金性能如表2所示
表2
实施例3：
A．熔铸
将配定的电解铜、镍和铬放入加热炉中熔化，熔体表面用氩气保护，以防止氧化，熔化温度1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1200℃，将铝、铜-硅中间合金和铜-镁中间合金分别加入，使得成分范围为（重量）Ni：5.8wt%；Si：1.2wt%；Al：0.2%；Mg：0.1wt%；Cr：0.1wt%；余量为Cu，熔匀后形成CuNiSiAlCrMg合金熔体，1265℃进行浇铸，所用浇铸模为铁模；
B．均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，于938℃氮气保护炉中均匀化处理5小时；
C.热轧
将经过步骤B处理的铸锭热轧变形，道次轧下量55%，总变形量75%，开轧温度934℃，终轧温度800℃；
D.固溶处理
将步骤C所得热轧板坯，在氢气保护炉中于952℃固溶处理4小时，水淬，将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的氧化层；
E.冷轧
将步骤D所得的板坯经65%变形量的冷轧；
F.时效处理
将步骤E所得的冷轧板于500℃时效处理10分钟；
G. 再冷轧
将步骤F所得的板坯经40%变形量的冷轧。
测得的合金性能如表3所示
表3
实施例4：
A．熔铸
将配定的电解铜、镍和铬放入加热炉中熔化，熔体表面用氩气保护，以防止氧化，熔化温度1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1200℃，将铝、铜-硅中间合金和铜-镁中间合金分别加入，使得成分范围为（重量）Ni：6.3wt%；Si：1.3wt%；Al：1.0%；Mg：0.2wt%；Cr：0.05wt%；余量为Cu，熔匀后形成CuNiSiAlCrMg合金熔体，1265℃进行浇铸，所用浇铸模为铁模；
B．均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，于940℃氮气保护炉中均匀化处理5小时；
C.热轧
将经过步骤B处理的铸锭热轧变形，道次轧下量55%，总变形量75%，开轧温度934℃，终轧温度800℃；
D.固溶处理
将步骤C所得热轧板坯，在氢气保护炉中于952℃固溶处理4小时，水淬，将水淬后的热轧板坯进行铣面处理，铣去表面的氧化层；
E.冷轧
将步骤D所得的板坯经65%变形量的冷轧；
F.时效处理
将步骤E所得的冷轧板于500℃时效处理10分钟；
G. 再冷轧
将步骤F所得的板坯经40%变形量的冷轧。
测得的合金性能如表4所示
表 4
Claims (3)
1.一种CuNiSiAl系弹性铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A．熔铸
将配定的电解铜、镍和铬放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1150℃-1200℃后，将铝、铜-硅中间合金和铜-镁中间合金分别加入，使得成分范围为（重量）Ni：5.3-6.3wt%；Si：0.9-1.6%；Al：0.2-1.0wt%；Mg：0.05-0.2wt%；Cr：0.05-0.3wt%；余量是Cu，熔匀后形成CuNiSiAlCrMg合金熔体，1250℃-1280℃进行浇铸；
B．均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，于930℃-940℃含防氧化的保护气氛的保护炉中均匀化处理3-5小时；
C.热轧
将经过步骤B处理的铸锭热轧变形，热轧道次轧下量35%-55%，总变形量70%-80%，开轧温度930℃-940℃，终轧温度800℃-900℃；
D.固溶处理
将步骤C所得热轧板坯，在通还原性气体的保护炉中于940℃-960℃固溶处理4-6小时，水淬；
E.冷轧
将步骤D所得的板坯经45%-80%变形量的冷轧；
F.时效处理
将步骤E所得的冷轧板于400-500℃时效处理10-180分钟。
2.根据权利要求1的CuNiSiAl系弹性铜合金的制备方法，其特征在于，冷轧变形量为55%-65%，时效处理时间为60-120分钟。
3.根据权利要求1或者2的CuNiSiAl系弹性铜合金的制备方法，其特征在于，在时效处理后还经过再冷轧，变形量为30%-60%。
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