CN104342579B - 一种高强度高弹性Cu‑Ni‑Mn合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度高弹性Cu‑Ni‑Mn合金及其制备方法,该合金的主要成分为Cu46‑73wt%,Ni13‑26wt%,Mn13‑26wt%,Zr0.5‑1.0wt%,Co0.5‑1.0wt%,其中Ni/Mn为0.8‑1.2。本发明通过添加Zr、Co等微合金元素,控制Ni/Mn比为0.8‑1.2,细化时效析出相,改善合金时效析出相的分布,减少晶界上的不连续析出相,获得高强度高弹性的Cu‑Ni‑Mn合金。该合金的屈服强度可达1000‑1200MPa,拉伸强度可达1100‑1500MPa,弹性模量可达132‑140GPa。

Description

一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金及其制备方法,属于铜合金材料技术领域。
背景技术
Cu-Ni-Mn合金是一种重要的弹性铜合金材料,具有高强度、高弹性、高工作温度、抗应力腐蚀性能好、导电导热性好、无磁性、无毒性、成本低等性能特点。Cu-Ni-Mn合金是析出强化型合金,其热处理敏感性较低,固溶加热后在空气中冷却即可。在时效处里过程中,该合金通过溶质原子的周期性偏聚首先形成调幅结构。随着时效时间的延长,调幅结构逐渐演变成主要由Ni、Mn原子组成的面心四方结构的析出相。这些难变形析出相的存在,使该合金在时效初期合金的强度和硬度迅速增加。随着时效时间的延长,强度和硬度的增加速度变慢并且最终到达峰值。有研究表明,Cu-Ni-Mn合金的时效过程存在一个临界温度,低于这一温度时,更容易在晶界上优先形成析出相,高于这一温度时则更易获得均匀分布的析出相。对于这种合金的时效强化效应和工艺,已有很多研究见诸报道。但是,对于析出相的组成、形成过程、强化机理等方面,仍然没有明确和统一的认识。
发明内容
本发明基于Cu-Ni-Mn合金的成分特点,在大量基础研究的指导下,通过采用微合金化并控制Ni/Mn比的方法,改善Cu-Ni-Mn合金的时效析出相的析出形式、分布规律,并且细化析出相,从而获得更高强度的合金。同时,本发明中还描述了基于冷轧+时效的进一步提高合金强度的工艺方法。
本发明提供了一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金及其制备方法,具体涉及通过添加Zr、Co等微合金元素,控制Ni/Mn比为0.8-1.2,细化时效析出相,改善合金时效析出相的分布,减少晶界上的不连续析出相,并且结合冷变形+时效工艺,获得一种高强度高弹性的Cu-Ni-Mn合金。
一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金,该合金的主要成分为:Cu元素为46-73wt%,Ni元素为13-26wt%,Mn元素为13-26wt%,Zr元素为0.5-1.0wt%,Co元素为0.5-1.0wt%,其中Ni/Mn(重量比)为0.8-1.2。
经过冷变形及时效处理后,该合金的屈服强度可达1000-1200MPa,拉伸强度可达1100-1500MPa,弹性模量可达132-140GPa。
本发明还提供了上述高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,通过添加Zr、Co微合金元素,细化时效析出相,改善合金时效析出相的分布,减少晶界上的不连续析出相,获得高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金。
一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,其具体工艺步骤包括:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为46-73wt%,Ni元素为13-26wt%,Mn元素为13-26wt%,Zr元素为0.5-1.0wt%,Co元素为0.5-1.0wt%,Ni/Mn为0.8-1.2,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,在金属模中浇铸成合金坯料;
(2)变形工艺:将合金坯料进行总变形量为80-90%的热轧变形;热轧后的合金再进行固溶处理;
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行冷轧变形,总变形量为70-80%,获得厚度为1-3mm的冷轧合金板;
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400-450℃,保温5-10h,空冷至室温。
步骤(1)中,进行熔炼时,需要在1250-1300℃下保温15-20min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀;合金坯料的厚度为50mm,宽为80-100mm。
步骤(2)中,首先将合金坯料加热到650-700℃下保温2-4h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为80-90%的热轧变形;固溶处理为将热轧后的合金再加热到600-650℃,保温2h,空冷至室温。
步骤(3)中,固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行8-10道次的冷轧变形。
本发明的优点:
1)采用控制Ni/Mn比例以及添加Zr、Co微量元素,控制Ni/Mn比为0.8-1.2,细化时效析出相,改善合金时效析出相的分布,减少晶界上的不连续析出相,从而提高合金的强度;
2)由于本发明中所涉及的Cu-Ni-Mn合金溶质元素含量较高,本发明还提供了冷变形+时效的制备方法,以进一步改善析出相的分布,缩短时效处理的时间;
3)本发明所涉及的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金屈服强度可达1000-1200MPa,拉伸强度可达1100-1500MPa,弹性模量可达132-140GPa。
本发明在Cu-Ni-Mn本身具有较高的强度、弹性模量、较低的成本的基础上,进一步提高了其力学性能,并且大大缩短其时效时间,降低其热处理工艺的难度,具有明显的技术优势。
具体实施方式
实施例1:Cu-13Ni-13Mn-0.5Zr-0.5Co合金
制备Cu-13Ni-13Mn-0.5Zr-0.5Co合金,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为73wt%,Ni元素为13wt%,Mn元素为13wt%,Zr元素为0.5wt%,Co元素为0.5wt%,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,并且在1250℃下保温15min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀,最后在金属模中浇铸成厚度为50mm,宽100mm的合金坯料。
(2)变形工艺:将合金坯料首先加热到650℃下保温3h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到600℃,保温2h,空冷至室温,完成固溶处理。
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行8道次的冷轧变形,总变形量为70%,最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400℃,分别保温5h、7.5h、10h,空冷至室温。合金的性能见下表1。
表1 Cu-13Ni-13Mn-0.5Zr-0.5Co合金的力学性能
实施例2:Cu-13Ni-13Mn-1Zr-0.8Co合金
制备Cu-13Ni-13Mn-1Zr-0.8Co合金,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为72.2wt%,Ni元素为13wt%,Mn元素为13wt%,Zr元素为1wt%,Co元素为0.8wt%,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,并且在1300℃下保温20min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀,最后在金属模中浇铸成厚度为50mm,宽100mm的合金坯料。
(2)变形工艺:将合金坯料首先加热到700℃下保温3h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为90%的热轧变形。热轧后的合金再加热到630℃,保温2h,空冷至室温,完成固溶处理。
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行8道次的冷轧变形,总变形量为80%,最终获得厚度为1mm的冷轧合金板。
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃,保温5h、7.5h、10h,空冷至室温。合金的性能见下表2。
表2 Cu-13Ni-13Mn-1Zr-0.8Co合金的力学性能
实施例3:Cu-20Ni-16.5Mn-0.6Zr-0.6Co合金
制备Cu-20Ni-16.5Mn-0.6Zr-0.6Co合金,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为62.3wt%,Ni元素为20wt%,Mn元素为16.5wt%,Zr元素为0.6wt%,Co元素为0.6wt%,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,并且在1300℃下保温20min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀,最后在金属模中浇铸成厚度为50mm,宽100mm的合金坯料。
(2)变形工艺:将合金坯料首先加热到700℃下保温3h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃,保温2h,空冷至室温,完成固溶处理。
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行8道次的冷轧变形,总变形量为70%,最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃,保温6h、8h、10h,空冷至室温。合金的性能见下表3。
表3 Cu-20Ni-16.5Mn-0.6Zr-0.6Co合金的力学性能
实施例4:Cu-20Ni-20Mn-0.6Zr-0.6Co合金
制备Cu-20Ni-20Mn-0.6Zr-0.6Co合金,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为58.8wt%,Ni元素为20wt%,Mn元素为20wt%,Zr元素为0.6wt%,Co元素为0.6wt%,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,并且在1300℃下保温20min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀,最后在金属模中浇铸成厚度为50mm,宽80mm的合金坯料。
(2)变形工艺:将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃,保温2h,空冷至室温,完成固溶处理。
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行10道次的冷轧变形,总变形量为80%,最终获得厚度为2mm的冷轧合金板。
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃,分别保温6h、8h、10h,空冷至室温。合金的性能见下表4。
表4 Cu-20Ni-20Mn-0.6Zr-0.6Co合金的力学性能
实施例5:Cu-26Ni-26Mn-0.5Zr-0.5Co合金
制备Cu-26Ni-26Mn-0.5Zr-0.5Co合金,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为47wt%,Ni元素为26wt%,Mn元素为26wt%,Zr元素为0.5wt%,Co元素为0.5wt%,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,并且在1300℃下保温20min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀,最后在金属模中浇铸成厚度为50mm,宽80mm的合金坯料。
(2)变形工艺:将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为90%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃,保温2h,空冷至室温,完成固溶处理。
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行8道次的冷轧变形,总变形量为80%,最终获得厚度为1mm的冷轧合金板。
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃,分别保温5h、7.5h、10h,空冷至室温。合金的性能见下表5。
表5 Cu-26Ni-26Mn-0.5Zr-0.5Co合金的力学性能
实施例6:Cu-26Ni-26Mn-1Zr-1Co合金
制备Cu-26Ni-26Mn-1Zr-1Co合金,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为46wt%,Ni元素为26wt%,Mn元素为26wt%,Zr元素为1wt%,Co元素为1wt%,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,并且在1300℃下保温20min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀,最后在金属模中浇铸成厚度为50mm,宽100mm的合金坯料。
(2)变形工艺:将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃,保温2h,空冷至室温,完成固溶处理。
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行10道次的冷轧变形,总变形量为70%,最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃,保温5h、7.5h、10h,空冷至室温。合金的性能见下表6。
表6 Cu-26Ni-26Mn-1Zr-1Co合金的力学性能
实施例7:Cu-20Ni-25Mn-1Zr-1Co合金
制备Cu-20Ni-25Mn-1Zr-1Co合金,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照主要成分:Cu元素为53wt%,Ni元素为20wt%,Mn元素为25wt%,Zr元素为1wt%,Co元素为1wt%,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,并且在1300℃下保温20min,以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀,最后在金属模中浇铸成厚度为50mm,宽100mm的合金坯料。
(2)变形工艺:将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h,使各溶质元素充分扩散均匀,随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃,保温2h,空冷至室温,完成固溶处理。
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行10道次的冷轧变形,总变形量为70%,最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃,保温5h、7.5h、10h,空冷至室温。合金的性能见下表7。
表7 Cu-20Ni-25Mn-1Zr-1Co合金的力学性能
本发明通过添加Zr、Co等微合金元素,控制Ni/Mn比为0.8-1.2,细化时效析出相,改善合金时效析出相的分布,减少晶界上的不连续析出相,获得一种高强度高弹性的Cu-Ni-Mn合金。制备时,首先以纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料在真空感应熔炼炉中进行熔炼,在金属模中浇铸成合金坯料。然后,将合金坯料进行热轧、固溶处理,并通过冷轧变形获得厚度为1-3mm的冷轧合金板。将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400-450℃,保温5-10h,空冷至室温。该合金的屈服强度可达1000-1200MPa,拉伸强度可达1100-1500MPa,弹性模量可达132-140GPa。

Claims (8)

1.一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)坯料熔铸:以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料,按照成分:Cu46-73wt%,Ni 13-26wt%,Mn 13-26wt%,Zr 0.5-1.0wt%,Co 0.5-1.0wt%,Ni/Mn为0.8-1.2,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,在金属模中浇铸成合金坯料;
(2)变形工艺:将合金坯料进行总变形量为80-90%的热轧变形;热轧后的合金再进行固溶处理;
(3)固溶处理后的合金经过表面清理,在室温下进行冷轧变形,总变形量为70-80%,获得厚度为1-3mm的冷轧合金板;
(4)时效热处理:将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400-450℃,保温5-10h,空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,其特征在于:进行熔炼时,在1250-1300℃下保温15-20min。
3.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,其特征在于:所述的合金坯料的厚度为50mm,宽为80-100mm。
4.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,其特征在于:所述的合金坯料加热到650-700℃下保温2-4h,然后在该温度下进行热轧变形。
5.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,其特征在于:所述的固溶处理为将热轧后的合金加热到600-650℃,保温2h,空冷至室温。
6.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法,其特征在于:所述的冷轧变形的道次为8-10。
7.采用权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法制备得到的Cu-Ni-Mn合金。
8.根据权利要求7所述的Cu-Ni-Mn合金,其特征在于:所述合金的屈服强度为1000-1200MPa,拉伸强度为1100-1500MPa,弹性模量为132-140GPa。
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