CN104178660B - 一种高强度Cu-Ni-Si合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度Cu‑Ni‑Si合金及其制备方法，该合金由2.0～6.0%Ni、0.5～1.5%Si、0.5～1.0%Ti、0.5～1.0%Mn、0.5～1.0%Ag、余量为铜和不可避免的杂质元素组成；其制备过程依次包括熔炼、铸模、均匀化处理、热轧、固溶处理、预冷轧、时效处理和冷轧变形，本发明的合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相，多次轧制后，可以提高析出相的形核位置，晶粒破碎越多，产生的晶界越多，析出相的形核位置就越多，这样析出相就越多，多次的时效情况下，析出相析出就更多，合金的综合性能得到大幅提升，提高合金的强度、高温延伸性能与导电率，改善合金的弯曲加工性能。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金材料技术领域，具体涉及一种高强度Cu-Ni-Si合金及其制备方法。
背景技术
Cu-Ni-Si系合金是一类应用较为广泛的高导电性能合金，目前广泛应用于大规模集成电路用引线框架、电车及电力机车接触线、电动工具换向器以及连铸机结晶器内衬等领域。随着目前全世界IT产业的不断发展，由芯片和引线框组成的集成电路在电子信息技术占据着核心的地位，从而对大规模集成电路用引线框架铜合金的性能提出了更高的要求。
中国专利2012年4月24日（公开号CN 102676876A）公开的高强高导铜合金材料及其制造方法，该发明在Cu-Ni-Si合金中添加Cr、Al、Be微量元素，变形时效处理得到的合金的抗拉强度和导电率偏低。中国专利2012年6月5日（公开号CN 102703754A）公开的一种Cu-Ni-Si基合金及其制备方法，该发明在Cu-Ni-Si合金中加入微量元素V，该合金导电率较高，但是其硬度偏低，且无强度数据。2012年3月14日申请的专利（公开号CN 103429771A）涉及一种弯曲加工性优异的Cu-Ni-Si合金条，其中Ni、Si含量分别为1.0～4.5%、0.2～1.0%，为保证合金的热加工性能，限制Si浓度不能超过1.0%，导致合金的强度和导电率偏低。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有高强度、高导电率和良好弯曲加工性能的铜基合金。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：2.0～6.0%的Ni、0.5～1.5%的Si、0.5～1.0%的Ti、0.5～1.0%的Mn、0.5～1.0%的Ag，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
一种高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法，包括以下步骤：（1）、将上述组分的原料置于压强为0.05MPa、氩气气氛的熔炼炉中熔炼至原料全部熔融形成熔液后，将温度为1100～1250℃的熔液浇铸到预热至100℃的锭模中成型铸锭；（2）、将步骤（1）制得的铸锭退火后，在850~950℃的温度区间内进行变形量为60%的热轧，热轧速率为0.01～0.1s-1，将热轧得到的坯体置于热处理炉中，在950℃下保温2h后，水淬至坯体温度至室温；然后进行变形量为20~70%的预冷轧；（3）、将步骤（2）预冷轧之后的坯体在400～550℃的温度区间内进行0.25～10h的保温时效处理，然后进行变形量为20～80%的冷轧，制得高强度Cu-Ni-Si合金。
进一步的，本发明中步骤（1）原料的熔炼方法为：将高频真空熔炼炉抽真空至炉内压强为0.05Pa，充入氩气至炉内压强达到0.05MPa，加入所述组分的Cu、Ni和Si在100℃以下烤料15min，除去原料中的水分，防止后续熔炼过程中，原料出现崩裂现象；然后在1000℃以下熔炼10min，再分别以Ti-Cu、Mn-Cu、和Ag-Cu中间合金的形式加入Ti、Mn、Ag和剩余的Cu，然后在1200~1350℃的温度下熔炼至原料全部熔融形成熔液。本发明的原料在氩气气氛下熔炼，能够将微量合金元素的烧损量降至最低，而现有技术一般采用氮气气氛下熔炼，烧损量较大。
步骤（1）中，在对锭模进行预热的同时，需对锭模进行熏苯处理，以提高脱模时铸锭的表面质量。
本发明中，步骤（2）中退火工艺为：将步骤（1）制得的铸锭加热至950~990℃，保温2~4h。
本发明中，步骤（3）中时效和冷轧工艺为：将步骤（2）预冷轧之后的坯体在400～500℃的温度区间内进行0.25～6h的保温时效处理，然后进行变形量为40～80%的冷轧，冷轧速率为0.1s-1。
更为具体的，步骤（3）中时效和冷轧工艺为：将步骤（2）预冷轧之后的坯体在400～500℃的温度区间内进行2～4h的保温时效处理，然后进行初次冷轧变形，冷轧速率控制为0.1 s-1，将初次冷轧变形后的坯体在300～600℃的温度下，保温2～6h，然后再在420～500℃下的温度下，保温0.25～6h，再进行第二次冷轧变形，并使两次冷轧总变形量为步骤（2）预冷轧后坯体的40～80%。
本发明在Cu-Ni-Si合金的基础上加入钛、锰、银，钛的加入能提高合金的抗拉强度，同时使合金具有优良的冷热加工性能，特别是在合金热轧和冷轧过程中防止开裂；锰的加入能够充分提高合金的延伸率，提高合金的抗软化温度；银的加入能够大幅提高合金的导电率，也能同时提高合金的延伸率。
本发明采用热轧、强化处理和冷轧的方式，对合金坯体进行处理，使铜合金经过多次处理后，铜合金内部的位错密度高，位错相互交截形成割阶，位错的流动性小，使铜合金的强度和硬度提高。冷轧时变形量的控制，能够促进合金中Ni2Si增强相沿位错析出，提高铜合金的导电率；而且，Ni2Si增强相还对位错起到钉扎作用，减缓晶粒的再结晶过程，使晶粒细化，提高了铜合金的强度。
本发明将浇铸铸锭时，熔液的温度控制在1100～1250℃，能够使熔液的流动性最佳，浇铸时不易形成气泡和晶粒偏析，避免形成冷隔和锭模边角部位浇不足的缺陷。
Cu-Si-Ni合金时效过程中，先对热轧后的铸锭进行950℃下保温2h的固溶强化，使其余合金元素溶入铜基体中产生经过畸变，阻碍了晶格位错运动而提高合金的强度；本发明在时效处理之前，对坯体进行预冷轧，能够促进Ni2Si增强相的析出作用，提高合金的导电率；然后进行时效强化处理，本发明中，Ni、Si、Ti、Mn、和Ag的含量较高，950℃下保温2h固溶强化以及400～550℃下保温0.25～10h的时效强化温度和时间设定，能够促进Ni2Si增强相的析出，从而引起合金元素在基体中固溶量的增大，使合金的高温延伸性能、强度和导电率提高。
有益效果：1、本发明中热轧工艺是使铸锭在850~950℃的温度区间内，进行变形量为60%的热轧，热轧速率为0.01～0.1s-1，该热轧温度与速率的搭配适当，避免了坯体在轧制过程中出现轧裂和起皮等问题；而且，通过实验能够证实，超过该热轧工艺范围，易导致轧制坯体边缘破裂，轧制中材料出现断裂的情况。
2、本发明的合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相，过饱和溶质原子Ni和Si析出形成第二相Ni2Si，所转变新相Ni2Si量的多少及其形状、分布对该铜合金的最终性能有较大影响，由于析出相最易在晶界处形核，多次轧制后，可以提高析出相的形核位置，晶粒破碎越多，产生的晶界越多，析出相的形核位置就越多，这样析出相就越多，多次的时效情况下，析出相析出就更多，合金的综合性能得到大幅提升，提高合金的强度、高温延伸性能与导电率，改善合金的弯曲加工性能。
3、本发明将钛、锰、银的加入量均控制在0.5～1.0%内，通过限定合金的成分及其比例，使各成分综合作用，显著提高了合金材料的综合性能，能较好的满足引线框架等电子工业领域用材料对铜合金性能的要求。本发明的铜合金具有制备过程简单、工艺流程短、高强度、高导电性、高弹性、热加工性能优良等特点，其抗拉强度可达887MPa。
具体实施方式
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：2.0～6.0%的Ni、0.5～1.5%的Si、0.5～1.0%的Ti、0.5～1.0%的Mn、0.5～1.0%的Ag，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
实施例1
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：2.0%的Ni、0.52%的Si、0.53%的Ti、1.0%的Mn、1.0%的Ag，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
上述高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将所述组分的金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氩气至炉内压强为0.05MPa，其熔炼顺序为：加入电解的镍、硅以及部分的铜→在100℃下烤料15min→升温熔炼铜、镍、硅→在1000℃下精炼10min→提高功率加入钛、锰、银（钛、锰和银均以与铜的中间合金形式加入）和剩余的铜→送电升温至浇铸温度→搅拌、静置、浇铸。在熔炼中控制熔炼温度为1250℃，浇铸前将锭模预热至约100℃，同时对锭模内表面进行熏苯处理，以至于脱模和提高表面质量，所述浇铸温度控制在1100℃；
（2）均匀化处理：将步骤（1）得到的铸锭加热至950℃，保温2h进行均匀化退火处理；
（3）热轧变形处理：将步骤（2）得到的铸锭加热至850℃，保温10min，进行热轧变形处理，热轧速率控制在0.01s-1，热轧变形量60%，得到坯体；
（4）固溶处理：将步骤（3）的坯体装入热处理炉中，在950℃保温2h，然后进行水淬至坯体温度至室温；
（5）预冷轧变形：将步骤（4）固溶处理后的合金进行预冷轧变形，变形量为50%；
（6）时效处理和冷轧变形：将步骤（5）冷轧变形后的合金进行时效处理，时效温度450℃下保温8h，随后进行冷轧变形，变形量为80%，制得高强度Cu-Ni-Si合金。
实施例2
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：2.5%的Ni、0.6%的Si、1.0%的Ti、0.7%的Ag、0.9%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
上述高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将所述组分的金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氩气至炉内压强为0.05MPa，其熔炼顺序为：加入电解的Ni、Si以及部分的Cu→在100℃下烤料15min→升温熔炼铜、镍、硅→在1000℃下精炼10min→提高功率以Ti-Cu、Mn-Cu和Ag-Cu中间合金的形式加入Ti、Mn、Ag和剩余的Cu→送电升温至浇铸温度→搅拌、静置、浇铸。在熔炼中控制熔炼温度为1300℃，浇铸前将锭模预热至约100℃，同时对锭模内表面进行熏苯处理，以至于脱模和提高表面质量，所述浇铸温度控制在1200℃；
（2）均匀化处理：将步骤（1）得到的铸锭加热至950℃，保温3h进行均匀化退火处理；
（3）热轧变形处理：将步骤（2）得到的铸锭加热至880℃，保温10min，进行热轧变形处理，热轧速率控制在0.01s-1，热轧变形量60%，得到板坯；
（4）固溶处理：将步骤（3）的板坯装入热处理炉中，在950℃保温2h，然后进行水淬；
（5）预冷轧变形：将步骤（4）固溶处理后的合金进行冷轧变形，变形量为60%；
（6）时效处理和冷轧变形：将步骤（5）冷轧变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度460℃下保温4h，进行初次冷轧变形，变形量为70%，冷轧速率控制为0.1 s-1，冷轧后在400℃保温3h进行去应力退火；然后在温度为450℃下保温4h，再进行第二次冷轧变形，变形量为20%，制得高强度Cu-Ni-Si合金。
实施例3
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：2.5%的Ni、0.6%的Si、1.0%的Ti、0.7%的Ag、0.9%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
上述高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法为：
（1）熔炼、铸模制备过程参照实施例2；其中，在熔炼中控制熔炼温度为1280℃，浇铸温度控制在1180℃；
（2）均匀化处理：将步骤（1）得到的铸锭加热至990℃，保温4h进行均匀化退火处理；
（3）热轧变形处理：将步骤（2）得到的铸锭加热至950℃，保温10min，进行热轧变形处理，热轧速率控制在0.1s-1，热轧变形量60%，得到板坯；
（4）固溶处理和预冷轧变形过程参照实施例2；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）冷轧变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度480℃下保温2h，进行冷轧变形，变形量为40%，冷轧速率控制为0.1 s-1，冷轧后在600℃保温5h进行去应力退火；然后在时效温度为500℃下保温6h，再进行第二次冷轧变形，变形量为40%，制得高强度Cu-Ni-Si合金。
实施例4
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：2.1%的Ni、0.52%的Si、0.5%的Ti、0.5%的Ag、0.7%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
上述高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法中，制备步骤（1）~（5）的熔炼和铸模制备过程、均匀化处理、热轧变形处理、固溶处理、预冷轧变形均参照实施例1；
而步骤（6）时效处理和冷轧变形过程为：将步骤（5）冷轧变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度460℃下保温2h，进行冷轧变形，变形量为20%，冷轧速率控制为0.1 s-1，冷轧后在500℃保温2h进行去应力退火；然后在时效温度为480℃下保温4h，再进行第二次冷轧变形，变形量为25%，制得高强度Cu-Ni-Si合金。
实施例5
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：2.1%的Ni、1.0%的Si，、0.5%的Ti、0.5%的Ag、0.5%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
上述高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法中，制备步骤（1）~（5）的熔炼和铸模制备过程、均匀化处理、热轧变形处理、固溶处理、预冷轧变形均参照实施例1；
而步骤（6）时效处理和冷轧变形过程为：将步骤（5）冷轧变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度470℃下保温2h，进行冷轧变形，变形量为30%，冷轧速率控制为0.1 s-1，冷轧后在550℃保温2h进行去应力退火；然后在时效温度为490℃下保温4h，再进行第二次冷轧变形，变形量为30%，制得高强度Cu-Ni-Si合金。
实施例6
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：3.0%的Ni、0.75%的Si、1.0%的Ti、0.6%的Ag、1.0%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相；其制备方法同实施例1。
对比例1和对比例2
对比例1和对比例2中合金的组成元素成分均与实施例6相同，制备方法中的区别仅在于步骤（3）的热轧变形处理中：
Ⅰ、对比例1的步骤（3）热轧变形处理为：将步骤（2）得到的铸锭加热至800℃，保温10min，进行热轧变形处理，热轧速率控制在0.01s-1，热轧变形量60%，得到坯体。
Ⅱ、对比例2的步骤（3）热轧变形处理为：将步骤（2）得到的铸锭加热至990℃，保温10min，进行热轧变形处理，热轧速率控制在0.01s-1，热轧变形量60%，得到坯体。
实施例7
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：4.5%的Ni、1.1%的Si、0.9%的Ti、0.9%的Ag、0.9%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相；其制备方法同实施例4。
实施例8
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：4.7%的Ni、1.3%的Si、0.5%的Ti、0.5%的Ag、0.6%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相；其制备方法同实施例4。
实施例9
一种高强度Cu-Ni-Si合金，由以下重量百分比的组分组成：6.0%的Ni、1.5%的Si、0.6%的Ti、0.5%的Ag、0.5%的Mn，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相；其制备方法同实施例4。
实施例1~实施例9，以及对比例1和对比例2的合金性能如下表所示。
上表显示，在本发明所限定的工艺条件下制作的Cu-Ni-Si合金，具有良好的高温延伸性，软化温度较高，特别是抗拉强度能够达到887MPa。其中，对比例1由于热轧温度不足850℃，而对比例2高于此温度，可在轧制的坯体上直观观察到轧制坯体边缘破裂，轧制中材料出现断裂的情况。对比例1和2制得合金的导电率低于其余实施例，是由于在该热轧温度下，Ni2Si非氧化物相易发生偏析，合金元素难以被均匀扩散，导电率较低；软化温度低，其热加工性能较差。
Claims (5)
1.一种高强度Cu-Ni-Si合金，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：6.0%的Ni、1.5%的Si、0.5～1.0%的Ti、0.5～1.0%的Mn、0.5～1.0%的Ag，余量为铜和不可避免的杂质元素，且所述合金内部生成有Ni2Si非氧化物增强相。
2.如权利要求1所述的高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、将所述组分的原料置于压强为0.05MPa、氩气气氛的熔炼炉中熔炼至原料全部熔融形成熔液后，将温度为1100～1250℃的熔液浇铸到预热至100℃的锭模中成型铸锭；原料的熔炼方法为：将高频真空熔炼炉抽真空至炉内压强为0.05Pa，充入氩气至炉内压强达到0.05MPa，加入所述组分的Ni、Si以及部分的Cu，在100℃以下烤料15min，然后在1000℃以下熔炼10min，再分别以Ti-Cu、Mn-Cu和Ag-Cu中间合金的形式加入Ti、Mn、Ag和剩余的Cu，然后在1200~1350℃的温度下熔炼至原料全部熔融形成熔液；
（2）、将步骤（1）制得的铸锭加热至950~990℃，保温2~4h，在850~950℃的温度区间内进行变形量为60%的热轧，热轧速率为0.01～0.1s-1，将热轧得到的坯体置于热处理炉中，在950℃下保温2h后，水淬至坯体温度至室温；然后进行变形量为20~70%的预冷轧；
（3）、将步骤（2）预冷轧之后的坯体在400～550℃的温度区间内进行0.25～10h的保温时效处理，然后进行变形量为20～80%的冷轧，制得高强度Cu-Ni-Si合金。
3.根据权利要求2所述的一种高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，在对锭模进行预热的同时，需对锭模进行熏苯处理。
4.根据权利要求2所述的一种高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）中时效和冷轧工艺为：将步骤（2）预冷轧之后的坯体在400～500℃的温度区间内进行0.25～6h的保温时效处理，然后进行变形量为40～80%的冷轧，冷轧速率为0.1s-1。
5.根据权利要求2或4所述的一种高强度Cu-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤（3）中时效和冷轧工艺为：将步骤（2）预冷轧之后的坯体在400～500℃的温度区间内进行2～4h的保温时效处理，然后进行初次冷轧变形，冷轧速率控制为0.1 s-1，将初次冷轧变形后的坯体在300～600℃的温度下，保温2～6h，然后再在420～500℃下，保温0.25～6h，再进行第二次冷轧变形，并使两次冷轧的总变形量为预冷轧后坯体的40～80%。
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