CN103421984A - 一种超高强CuNiAl系弹性铜合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高强CuNiAl系弹性铜合金材料及其制备方法。合金化学组分为:Ni:6.50-10.00wt%;Al:1.00-3.00wt%;Si:0.80-1.00wt%;Mg:0-0.20wt%;Ce:0-0.15wt%;Zr:0-0.15wt%;余量是Cu和不可避免的杂质。合金制备过程包括:(1)熔铸、(2)热轧、(3)冷轧、(4)固溶处理、(5)冷精轧、(6)时效处理等步骤。本发明最终产品带材的综合性能为:硬度:300-340HV;抗拉强度:970-1260MPa;屈服强度:960-1200MPa;伸长率:0.9-2.1%;电导率:15.0-22.0%IACS;200℃/100h应力松弛率:8.3-10.8%。本发明所制备的弹性铜合金其力学性能和电学性能已达铍青铜的水平,并且具有更好的抗应力松弛性能,是一种可替代铍青铜的性能优良的环保型铜基弹性合金,可适用于制作航天、航空以及微电子工业的高性能导电弹性元器件。
Description
技术领域
本专利涉及一种超高强CuNiAl系弹性铜合金材料及其制备方法,隶属新材料领域。特别是指一种力学性能、导电性能、抗应力松弛性能优良的超高强CuNiAl系弹性铜合金及其制备方法。
背景技术
弹性合金是精密仪器仪表和精密机械中不可缺少的材料。它广泛应用于制造各种弹性元件,如波纹管、膜片膜盒、压力弹簧管、谐振弹性元件、热敏双金属弹簧、片簧和盘簧等。在仪器仪表及各种测量装置中,弹性元件的性能决定着仪器整体的精度、可靠性和寿命。随着现代工业和科学技术的发展,新一代电器工业中簧片材料要求合金的强度≥1100MPa,电导率≥15%IACS,200℃/100h应力松弛率<15%,研制高精度、耐高温、耐腐蚀、高导电和高弹性的弹性合金已势在必行。
高强导电弹性合金中的代表是铍青铜,因其导电性、强度、耐腐蚀性、耐磨性等综合性能优异,而被广泛应用于各个领域。目前,它仍是仪表小型化的最佳材料,但是铍青铜是一种非环保型合金,其生产过程会危害人体健康,污染环境且其由于生产工艺复杂、成本高而造成价格一直居高不下。同时,铍青铜不具备高温抗应力松弛能力、在较高温度下工作稳定性差,使得其使用温度均低于150℃。
近年来国内外专家不断寻求新型合金以取代铍青铜,相继开发出的新型材料有:Cu-Ti、Cu-Ni-Al、Cu-Ni-Sn、“卡密隆”、“卡密林”、MHI-15-20和德银合金等新型无铍弹性铜合金。如北京有色金属研究总院的发明专利(CN102899518A、CN102719699A和CN102676878A)所述铜合金具有优良的导电性能和抗应力松弛性能,但抗拉强度均低于1000MPa。专利20130167988发明了一种高强度、高弹性CuNiSi合金,但微合金化元素在本专利之外。专利US5846346所述CuNiSiSn合金硬度不高于250HV,抗拉强度为800-900MPa,且未涉及导电性能及抗应力松弛性能。专利US2851353发明的一种CuNiAlSi合金,其抗拉强度不高于1100MPa,屈服强度低于1000MPa,导电率不高于10%IACS,该专利未涉及抗应力松弛性能,且合金元素配比和微合金化元素均与本发明有所不同。
目前广泛应用的弹性铜合金强度、导电性能不能兼备,且高温工作稳定性能差,已严重制约了新一代电器工业的发展。而上述国内外专利报道的铜合金弹性材料均未能达到新型大功率继电器用簧片材料高强度、高抗应力松弛、高导电率的性能要求。因此,亟需发明一种力学性能、导电性能和抗应力松弛性能均能满足新型簧片材料需求的高温抗应力松弛性能优良的弹性铜合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组分合理、合金化程度高、生产工艺简便、成本低廉、无毒害、强度高、导电性良好、抗应力松弛性能优良的CuNiAl系弹性铜合金及其制备方法,以满足电子工业高性能弹性器件对高温抗应力松弛性能优良的高强高弹性铜合金的需求。
一种超高强CuNiAl系弹性铜合金,其化学成分组成如下:
Ni:6.50-10.00wt%;
Al:1.00-3.00wt%;
Si:0.80-1.00wt%;
Mg:0-0.20wt%;
Ce:0-0.15wt%;
Zr:0-0.15wt%;
余量是Cu和不可避免的杂质。
优选地,本发明涉及一种超高强CuNiAl系弹性铜合金,其化学成分组成如下:
(1)Ni:8.50wt%;
Al:2.00wt%;
Si:0.90wt%;
余量是Cu和不可避免的杂质。
(2)Ni:8.50wt%;
Al:2.00wt%;
Si:0.90wt%;
Mg:0.10wt%;
Ce:0.10wt%;
Zr:0.10wt%;
余量是Cu和不可避免的杂质。
一种超高强CuNiAl系弹性铜合金材料的制备方法包括以下步骤:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,再将纯铝、铜-硅、铜-锆、铜-铈和铜-镁中间合金分别加入加热炉中,熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,于920-960℃保温2-6小时,然后热轧开坯,热轧每道次轧下量30-40%,热轧总变形量60-70%。控制板坯开轧温度为920-960℃,终轧温度为800-850℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为65-80%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为920-960℃,处理时间为4-6小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为65-80%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为400-450℃,时效时间为0.5-16小时。
本发明采用上述制备方法,合金熔铸过程中,熔体表面覆盖一层木炭防止氧化,坯锭采用铁模浇铸。
本发明采用上述制备方法,合金热轧道次至少二次,热轧每道次变形量不超过40%,热轧总变形量60-70%。
本发明涉及的一种CuNiAl系弹性铜合金,铸锭浇铸后直接进行热轧,省略均匀化处理步骤,简化了生产工艺,节省了生产成本,提高了生产效率,冷、热加工性能优良。
本发明涉及的一种CuNiAl系弹性铜合金,铸锭依次进行热轧、冷轧、固溶处理、冷精轧、时效处理。合金进行固溶处理使合金元素充分固溶于基体,有效消除应力造成的缺陷。固溶之后进行冷精轧变形,产生的加工硬化效应提高了合金的硬度、强度。冷变形过程中产生的位错、空位等晶体缺陷,使合金时效处理时,在短时间内析出大量弥散分布的Ni3Al、Ni2Si纳米级第二相粒子,使铜基体晶格畸变减少,提高合金的导电性能;且第二相粒子能与位错发生交互作用显著提高合金强度。微量元素Mg提高了材料的抗应力松弛性能。添加微量Ce、Zr作用除了脱氧、净化晶界以外,还能够细化合金的晶粒,减少气孔及疏松,改善合金冷、热塑性,使合金获得优良的综合性能。
本发明制备的CuNiAl系弹性铜合金综合性能如下:硬度:300-340HV;抗拉强度:970-1260MPa;屈服强度:960-1200MPa;伸长率:0.9-2.1%;电导率:15.0-22.0%IACS;200℃/100h应力松弛率:8.3-10.8%。而QBe2合金200℃/100h应力松弛率为30%,可见本合金抗应力松弛性能远优于QBe2合金。
综上所述,本发明所述合金组分合理,合金化程度高,Ni、Al和Si元素配比适当,简化了合金固溶处理工艺。产品强度高、导电性良好、抗应力松弛性能优异,能够满足新型电器工业中弹性元器件超高强、高温抗应力松弛性能优良的需求,是一种环保型优良的铍青铜替代合金。本发明涉及的材料原料低廉,制备工艺流程短,生产效率高,生产成本低,并适用于大规模工业化生产,可应用于制造现代电子工业中精密弹性器件。
具体实施方式
实施例1:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,加入铜-硅中间合金和纯铝,控制成分为:Ni:6.50wt%;Al:1.00wt%;Si:0.80wt%;余量为Cu。熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,于920℃保温2小时,然后热轧开坯,热轧每道次轧下量30-40%,热轧总变形量60%。控制板坯开轧温度为920℃,终轧温度为800℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为65%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为920℃,处理时间为4小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为65%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为450℃,时效时间为0.5小时,其主要性能如表1所示:
表1
硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) | 导电率(%IACS) | 应力松弛率(%) |
300 | 970 | 960 | 2.1 | 17.8 | 10.8 |
注:应力松弛率(%)为实验室样品200℃加载100小时的静态应力松弛率。
实施例2:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,加入纯铝、铜-硅、铜-镁、铜-铈和铜-锆中间合金,控制成分为:Ni:6.50wt%;Al:1.00wt%;Si:0.80wt%;Mg:0.20wt%;Ce:0.15wt%;Zr:0.15wt%;余量为Cu。熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,置于940℃加热炉中保温4小时,然后热轧开坯,热轧总变形量70%。控制板坯开轧温度为940℃,终轧温度为830℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为70%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为940℃,处理时间为4小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为80%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为400℃,时效时间为16小时,其主要性能如表2所示:
表2
硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) | 导电率(%IACS) | 应力松弛率(%) |
321 | 1032 | 1017 | 1.6 | 22.0 | 9.7 |
注:应力松弛率(%)为实验室样品200℃加载100小时的静态应力松弛率。
实施例3:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,加入铜-硅中间合金和纯铝,控制成分为:Ni:10.00wt%;Al:3.00wt%;Si:1.00wt%;余量为Cu。熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,置于940℃加热炉中保温4小时,然后热轧开坯,热轧总变形量65%。控制板坯开轧温度为940℃,终轧温度为830℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为80%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为960℃,处理时间为4小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为80%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为400℃,时效时间为16小时,其主要性能如表3所示:
表3
硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) | 导电率(%IACS) | 应力松弛率(%) |
340 | 1260 | 1200 | 1.4 | 15.0 | 8.6 |
注:应力松弛率(%)为实验室样品200℃加载100小时的静态应力松弛率。
实施例4:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,加入纯铝、铜-硅、铜-镁、铜-铈和铜-锆中间合金,控制成分为:Ni:10.00wt%;Al:3.00wt%;Si:1.00wt%;Mg:0.20wt%;Ce:0.15wt%;Zr:0.15wt%;余量为Cu。熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,置于960℃加热炉中保温6小时,然后热轧开坯,热轧总变形量70%。控制板坯开轧温度为960℃,终轧温度为850℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为70%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为960℃,处理时间为6小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为80%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为450℃,时效时间为4小时,其主要性能如表4所示:
表4
硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) | 导电率(%IACS) | 应力松弛率(%) |
330 | 1180 | 1133 | 0.9 | 15.1 | 8.3 |
注:应力松弛率(%)为实验室样品200℃加载100小时的静态应力松弛率。
实施例5:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,加入铜-硅中间合金和纯铝,控制成分为:Ni:8.50wt%;Al:2.00wt%;Si:0.90wt%;余量为Cu。熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,置于940℃加热炉中保温4小时,然后热轧开坯,热轧总变形量70%。控制板坯开轧温度为940℃,终轧温度为830℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为70%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为950℃,处理时间为4小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为80%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为400℃,时效时间为16小时,其主要性能如表5所示:
表5
硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) | 导电率(%IACS) | 应力松弛率(%) |
326 | 1095 | 1073 | 1.6 | 21.5 | 9.6 |
注:应力松弛率(%)为实验室样品200℃加载100小时的静态应力松弛率。
实施例6:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,加入纯铝、铜-硅、铜-锆、铜-铈和铜-镁中间合金,控制成分为:Ni:8.50wt%;Al:2.00wt%;Si:0.90wt%;Mg:0.10wt%;Ce:0.10wt%;Zr:0.10wt%;余量为Cu。熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,置于960℃加热炉中保温4小时,然后热轧开坯,热轧总变形量70%。控制板坯开轧温度为960℃,终轧温度为850℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为70%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为950℃,处理时间为6小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为80%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为450℃,时效时间为2小时,其主要性能如表6所示:
表6
硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(%) | 导电率(%IACS) | 应力松弛率(%) |
318 | 1023 | 1012 | 1.5 | 18.5 | 9.3 |
注:应力松弛率(%)为实验室样品200℃加载100小时的静态应力松弛率。
综上所述,实施例1-6所述合金的成分、生产工艺及主要性能如表7所示:
表7
注:应力松弛率(%)为实验室样品200℃加载100小时的静态应力松弛率
由此可见,本发明专利合金组分在已报导的铜基弹性合金专利之外,合金成分配比合理,生产工艺简单高效。产品的综合性能优异,高温抗应力松弛性能远优于现役的弹性铜合金,适用于制作新一代电器工业高性能弹性元器件。
Claims (5)
1.一种超高强CuNiAl系弹性铜合金,其化学成分组成如下(质量百分比):
Ni:6.50-10.00wt%;
Al:1.00-3.00wt%;
Si:0.80-1.00wt%;
Mg:0-0.20wt%;
Ce:0-0.15wt%;
Zr:0-0.15wt%;
余量是Cu和不可避免的杂质。
2.根据权利要求书1所述一种超高强CuNiAl系弹性铜合金,优选地,其化学成分组成如下:
Ni:8.50wt%;
Al:2.00wt%;
Si:0.90wt%;
余量是Cu和不可避免的杂质。
3.根据权利要求书1所述一种超高强CuNiAl系弹性铜合金,优选地,其化学成分组成如下:
Ni:8.50wt%;
Al:2.00wt%;
Si:0.90wt%;
Mg:0.10wt%;
Ce:0.10wt%;
Zr:0.10wt%;
余量是Cu和不可避免的杂质。
4.根据权利要求书1所述一种超高强CuNiAl系弹性铜合金的制备方法包括以下步骤:
(1)熔铸
将电解铜、电解镍放入加热炉中熔化,控制炉温为1280-1320℃,并且在熔体表面覆盖一层木炭以防止氧化。待金属完全熔化后,降低炉温至1200-1250℃时,再将纯铝、铜-硅、铜-锆、铜-铈和铜-镁中间合金分别加入加热炉中,熔化完全并充分搅拌后,在1200-1250℃浇铸成板坯,将所得的铸锭进行双面铣面;
(2)热轧
将步骤(1)所得的铸锭,于920-960℃保温2-6小时,然后热轧开坯,热轧每道次轧下量30-40%,热轧总变形量60-70%。控制板坯开轧温度为920-960℃,终轧温度为800-850℃,水淬。将所得热轧板材进行双面铣面;
(3)冷轧
将步骤(2)所得的热轧板材进行冷轧变形,冷轧每道次轧下量为20-25%,冷轧总变形量为65-80%;
(4)固溶处理
将步骤(3)所得的板材置于加热炉中进行固溶处理,炉内为还原性气体保护气氛。固溶温度为920-960℃,处理时间为4-6小时,水淬。将所得板材进行酸洗;
(5)冷精轧
将步骤(4)固溶处理后的板材进行冷精轧,冷精轧每道次轧下量20-30%,冷精轧变形总量为65-80%;
(6)时效处理
将步骤(5)获得的板材进行时效处理,时效温度为400-450℃,时效时间为0.5-16小时。
5.根据权利要求书2所述的一种超高强CuNiAl系弹性铜合金的制备方法,其特征在于,其步骤(2)中热轧道次至少二次,热轧每道次变形量不超过40%,热轧总变形量60-70%。
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2013
- 2013-09-10 CN CN2013104073488A patent/CN103421984A/zh active Pending
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