CN107090553B - 一种高强高弹性铜合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强高弹性铜合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高弹性铜合金及其制备方法，属于有色金属加工领域，具体涉及铜基弹性合金。该高强高弹性铜合金由以下成分及含量组成：Ni 4.8～7.6wt％，Co 0.05～0.10wt％，V 2.3～5.7wt％，Cr 1.7～2.2wt％，Mo 3.5～5.7wt％，Zn 1.5～2.3wt％，Mn 1.2～2.3wt％，Ti 0.7～2.5wt％，余量为Cu。该铜合金抗拉强度可以达到1300MPa～1600MPa，断后延伸率在11.5％～16.0％之间，同时具有很高的疲劳强度，不低于460MPa；而且本发明得到的铜合金抗拉强度、断后延伸率波动范围都小，满足插拔力1.5N时插拔次数≥40000次的要求，可用作电子弹性元器件。

Description

一种高强高弹性铜合金及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属加工领域，具体涉及铜基弹性合金，尤其涉及一种高强高弹性铜合金及其制备方法。
背景技术
高强高弹铜合金是弹性元件和电子元器件的关键材料之一，广泛应用在电子、通信汽车等领域。
目前国内市场上铜基弹性合金以铍青铜和锡磷青铜等材料为主，铍青铜是一种优质弹性材料，但是也有其固有缺点，铍的氧化物或粉尘有毒，合金性能对热处理敏感，高温抗应力松弛能力差，不宜长时间在较高温度下工作。锡磷青铜属于应用最广泛的铜基弹性合金，但其弹性性能较低，耐疲劳性能差，仅应用于中低端弹性元件。普通家用墙壁插座或插排，要求插拔次数≥5000次，插拔力：1.5N(min)，一般锡磷青铜即可满足要求。对于人流量较大的户外或者公共场合，对插座使用频率极高，要求插拔次数≥40000次，插拔力：1.5N(min)，锡磷青铜在插拔30000次时会出现裂纹，因此不能满足户外或公共场合需求。
专利201611036913.4《一种高强高弹CuNiSn合金材料及其制备方法》，该合金含有Ni 8.5～10.5wt％、Sn 1.8～2.8wt％、Co 0.5～1.0wt％、B 0.005～0.01wt％、V 0.01～0.05wt％、P 0.1～0.5wt％、余量为Cu，得到的铜合金不能兼顾强度和韧性，当强度变高时，材料的韧性则明显下降，不能兼顾强度和韧性。
专利201611046219.0《一种高强、中导新型铜合金Cu-Zn-Cr-RE导条及制备方法》公开了铜合金中化学组成及其重量百分比为：Cr 0.25～0.35wt％、Zn 6～10wt％、RE 0.05～0.15wt％、Fe 0～0.05wt％、Pb 0～0.03wt％、其余为铜，但是该合金应用于异步牵引电机转子，因此是以电学性能为最主要指标，得到的材料电学性能优异，并且常温下断后伸长率高达20％左右，但是室温屈服强度却不超过500Mpa。
专利201611116079.X《一种多元微合金化高强高导铜合金及其制备工艺》公开了含有铬0.2～0.3wt％，锆0.08～0.1wt％，镁0.02～0.03wt％，镧0.04～0.08wt％，余量为铜的铜合金，合金的导电率良好，但是整体力学性能提升并不突出，抗拉强度最高仅超过700，在低抗拉强度450MPa以上，延伸率≥6％，高抗拉强度下即≥650MPa，材料延伸率极低。
专利201580025319.2《高强度黄铜合金及合金产品》，该黄铜合金涉及包括58～66重量％Cu；1.6～7重量％Mn；0.2～6重量％Ni；0.2～5.1重量％Al；0.1～3重量％Si；≤1.5重量Fe；≤0.5重量％Sn；≤0.5重量％Pb；以及剩余的Zn连同无法避免的杂质的高强度黄铜合金，但是其力学性能范围过大，合金拉伸强度为400～920MPa，断裂伸长率为3～19％，且当拉伸强度在780～920MPa时，断裂伸长率仅为1.5～3％。
发明内容
本发明的目的是针对现有铜合金强度与韧性不能兼顾的缺陷，提供一种强度与韧性优良，且电性能良好，耐疲劳的高强高弹性铜合金。
为了实现本发明的目的，发明人通过大量试验研究并不懈努力，最终获得了如下技术方案：一种高强高弹性铜合金，该合金由以下成分及含量熔炼而成：Ni 4.8～7.6wt％，Co 0.05～0.10wt％，V 2..3～5.7wt％，Cr 1.7～2.2wt％，Mo 3.5～5.7wt％，Zn 1.5～2.3wt％，Mn 1.2～2.3wt％，Ti 0.7～2.5wt％，余量为Cu。
优选地，如上所述的高强高弹性铜合金，其由以下成分及含量熔炼而成：Ni 5.0～6.2wt％，Co 0.07～0.09wt％，V 3.2～5.4wt％，Cr 1.8～2.0wt％，Mo 4.0～5.1wt％，Zn1.7～2.0wt％，Mn 1.6～2.0wt％，Ti 1.2～1.9wt％，余量为Cu。
另外，本发明还提供了上述高强高弹性铜合金的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)准备配料，(2)真空感应熔炼，(3)均匀化热处理，(4)铣面、粗轧，(5)热轧，(6)固溶退火处理，(7)合金冷变形，(8)时效热处理，其中步骤(2)真空感应熔炼具体为：将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度≤10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1550～1800℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温3～5分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
进一步优选地，如上所述高强高弹性铜合金的制备方法，其中步骤(3)均匀化热处理具体为：将合金铸锭放入热处理炉中，在900～950℃下保温时间3～4h。
进一步优选地，如上所述高强高弹性铜合金的制备方法，其中所述步骤(4)铣面为将合金上下表面各铣1mm，主要除去表面氧化皮等不良缺陷，粗轧为对合金进行冷轧开坯，粗轧总变形量为60～70％。
进一步优选地，如上所述高强高弹性铜合金的制备方法，其中步骤(5)热轧的温度为650～700℃，热轧总变形量为65～80％。
进一步优选地，如上所述高强高弹性铜合金的制备方法，其中步骤(6)固溶退火处理的温度为900～930℃，退火速度50～80m/min，冷却速度60～65℃/s。
进一步优选地，如上所述高强高弹性铜合金的制备方法，其中步骤(7)合金冷变形的总变形量为10～20％。
进一步优选地，如上所述高强高弹性铜合金的制备方法，其中步骤(8)时效处理的温度为550～600℃，保温时间为4～5h。
在时效处理后对材料进行酸洗，拉弯矫直，分剪，得到的铜合金可以应用于弹性电子元器件。本发明中涉及到酸洗等过程都为现有公开技术，其的目的是去除之前热处理等造成合金表面出现的氧化皮缺陷。
本发明相对于现有技术，具有如下有益的技术效果和进步性：
本发明制备得到的铜合金具有很高的抗拉强度，达到1300MPa～1600MPa，良好的塑性，断后延伸率在11.5％～16.0％，同时具有很高的疲劳强度，疲劳强度不低于460MPa；而且本申请得到的铜合金抗拉强度、断后延伸率波动范围都小，可满足插拔力1.5N时，插拔次数≥40000次的要求，可以用作电子弹性元器件。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例1
按照表1所示合金成分进行选料
表1 铜合金试验合金设计成分表(wt％)
铜合金制备过程如下：
熔炼:将上述原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1550℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温3分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
固溶退火：将铸坯放置在退火炉中进行退火，退火温度为900℃，保温时间3h然后快速冷却。
铣面、粗轧：对合金铸锭进行铣面(上下表面各铣0.8mm)，然后冷轧开坯，轧制道次8次，总变形量为60％。
热轧：将粗轧后的带材进行热轧处理，热轧温度为650℃下，热轧道次6次，热轧总变形量为65％。
固溶退火处理：固溶退火处理温度为900℃，退火速度50m/min，冷却速度60℃/s。
冷变形：对合金带材进行冷轧，轧制道次2次，使得总变形量为10％。
时效处理：冷轧后的带材放入罩式热处理炉中进行时效处理，温度为550℃，保温时间为4h。
在时效处理后对材料进行酸洗，拉弯矫直，分剪，得到的铜合金。
对上述不同组别得到的铜合金进行力学及电学性能检测，结果如表2所示：
电导率测量：将合金板材样品稍微打磨，去除氧化膜后进行电导率测量，测量仪器为SMP10型涡流导电仪。
室温力学性能测试：采用日本岛津AG-50kNE万能材料试验机测试样品相关力学性能，根据GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，材料经机械加工成圆形试样，在日本岛津AG-50kNE万能材料试验机上进行室温拉伸试验；疲劳强度按照GB/T4337-2008《金属材料疲劳试验旋转弯曲方法》进行测试，在疲劳强度试验机上进行，为了准确测得上述数据，上述实验均是选择三个样品测得各数据后取其平均值。
从该实施例可以看出，所有组别的导电率基本相当，而组3、4、5、6的抗拉强度、断后伸长率、疲劳强度和插拔次数均显著高于其它组，抗拉强度可以达到1320MPa～1610MPa，断后伸长率达到12.3％～15.8％，疲劳强度≥460MPa，且插拔次数达到46100次以上。
实施例2
合金成分见表3
熔炼:将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1550℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温3分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
固溶退火：将铸坯放置在退火炉中进行退火，退火温度为900℃，保温时间3h然后快速冷却。
铣面、粗轧：对合金铸锭进行铣面(上下表面各铣0.8mm)，然后冷轧开坯，轧制道次8次，总变形量为60％。
热轧：将粗轧后的带材进行热轧处理，热轧温度为650℃下，热轧道次6次，热轧总变形量为65％。
固溶退火处理：固溶退火处理温度为900℃，退火速度50m/min，冷却速度60℃/s。
冷变形：对合金带材进行冷轧，轧制道次2次，使得总变形量为10％。
时效处理：冷轧后的带材放入罩式热处理炉中进行时效处理，温度为550℃，保温时间为4h。
在时效处理后对材料进行酸洗，拉弯矫直，分剪，得到的铜合金。
实施例3
合金成分见表3
熔炼:将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1800℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温5分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
固溶退火：将铸坯放置在退火炉中进行退火，退火温度为950℃，保温时间4h然后快速冷却。
铣面、粗轧：对合金铸锭进行铣面(上下表面各铣0.8mm)，进行冷轧开坯，轧制道次10次，总变形量为70％。
热轧：将粗轧后的带材进行热轧处理，热轧温度为700℃下，轧制道次9次，热轧总变形量为80％。
固溶退火处理：固溶退火处理温度为930℃，退火速度80m/min，冷却速度65℃/s。
冷变形：对合金带材进行冷轧，轧制道次5次，轧制总变形量为20％。
时效处理：冷轧后的带材放入罩式热处理炉中进行时效处理，温度为600℃，保温时间为5h。
在时效处理后对材料进行酸洗，拉弯矫直，分剪，得到的铜合金。
实施例4
合金成分见表3
熔炼:将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度0.5×10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1600℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温3分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
固溶退火：将铸坯放置在退火炉中进行退火，退火温度为900℃，保温时间3h然后快速冷却。
铣面、粗轧：对合金进行铣面(上下表面各铣0.8mm)，进行冷轧开坯，轧制9次，总变形量为65％。
热轧：将粗轧后的带材进行热轧处理，热轧温度为650℃下，轧制道次8次，热轧总变形量为70％。
固溶退火处理：固溶退火处理温度为900℃，退火速度60m/min，冷却速度60℃/s。
冷变形：对合金带材进行冷轧，轧制道次4次，使得总变形量为15％。
时效处理：冷轧后的带材放入罩式热处理炉中进行时效处理，温度为550℃，保温时间为4h。
在时效处理后对材料进行酸洗，拉弯矫直，分剪，得到的铜合金。
实施例5
合金成分见表3
熔炼:将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度0.5×10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1700℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温5分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
固溶退火：将铸坯放置在退火炉中进行退火，退火温度为950℃，保温时间4h然后快速冷却。
铣面、粗轧：对合金进行铣面(上下表面各铣0.8mm)，进行冷轧开坯，轧制10次，总变形量为70％。
热轧：将粗轧后的带材进行热轧处理，热轧温度为700℃下，轧制道次9次，热轧总变形量为75％。
固溶退火处理：固溶退火处理温度为930℃，退火速度70m/min，冷却速度65℃/s。
冷变形：对合金带材进行冷轧，轧制道次4次，使得总变形量为20％。
时效处理：冷轧后的带材放入罩式热处理炉中进行时效处理，温度为600℃，保温时间为5h。
在时效处理后对材料进行酸洗，拉弯矫直，分剪，得到的铜合金。
实施例6
合金成分见表3
熔炼:将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度0.5×10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1650℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温5分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
固溶退火：将铸坯放置在退火炉中进行退火，退火温度为910℃，保温时间3h然后快速冷却。
铣面、粗轧：对合金进行铣面(上下表面各铣0.8mm)，进行冷轧开坯，轧制8次，总变形量为70％。
热轧：将粗轧后的带材进行热轧处理，热轧温度为680℃下，轧制道次8次，热轧总变形量为75％。
固溶退火处理：固溶退火处理温度为930℃，退火速度55m/min，冷却速度60℃/s。
冷变形：对合金带材进行冷轧，轧制道次5次，使得总变形量为20％。
时效处理：冷轧后的带材放入罩式热处理炉中进行时效处理，温度为550℃，保温时间为5h。
在时效处理后对材料进行酸洗，拉弯矫直，分剪，得到的铜合金。
对比例1
合金成分：Ni 10.25wt％、Sn 2.8wt％、Co 0.56wt％、B 0.07wt％、V 0.028wt％、P0.25wt％、余量Cu。
该铜合金按照如下步骤制备:
1.熔炼：采用工频感应炉在非真空环境下进行熔炼，合金加入顺序为：先加入铜，融化后，在加入镍、钴、钒、铜硼合金，再低温下计入锡，待全部融化后加入铜磷合金，成分化验合格并对炉渣清理后，使用烘烤后的木炭覆盖；熔炼温度为1270℃，铸造温度控制在1200℃。
2.固溶退火：将铸坯放置钟罩退火炉中进行固溶退火，退火温度为820℃，保温时间4h。
3.铣面：对合金进行铣面(上下各铣0.8mm)。
4.粗轧：将经过铣面后的合金带材进行冷轧开坯，粗轧总加工率为70％。
5.中间退火：将冷轧后的带材装入罩式热处理炉中进行退火，退火温度580℃，保温7h。
6.中轧：将经过铣面后的带材进行中轧，中轧总加工率为80％。
7.固溶处理+表面清洗：将中轧后的板带材进行在线固溶处理，固溶温度为880℃，保温7h。
8.精轧：将固溶处理+表面清洗后的带材进行精轧，精轧总加工率为30％。
9.时效处理：将精轧的带材装入罩式热处理炉中进行时效处理，温度520℃，保温8h，得到铜合金。
实施例7
对实施例2～6及对比例1的铜合金进行测试，测试方法如实施例1所示，结果如表4所示。
表3 实施例2～6的铜合金成分组成(wt％)
表4 铜合金力学及电学性能测试结果
从表3和表4可知按照本发明的合金各成分配比，控制制备过程中的温度、时间等参数，得到的铜合金抗拉强度在1350～1680MPa范围内时，断后伸长率未低于11.5％，达到11.5％～16.0％，而现有抗拉强度优异的CuNiSn合金，其抗拉强度为1235MPa，且在该抗拉强度下，材料断后伸长率仅有6.1％，疲劳强度也仅有420MPa。

Claims (9)

1.一种高强高弹性铜合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Ni 4.8～7.6wt%，Co 0.05～0.10wt%，V 2.3 ～5.7wt%，Cr 1.7～2.2wt%，Mo 3.5～5.7wt%，Zn 1.5～2.3wt%，Mn 1.2～2.3wt%，Ti 0.7～2.5wt%，余量为Cu；该铜合金的制备方法包括如下步骤：（1）准备配料，（2）真空感应熔炼，（3）均匀化热处理，（4）铣面、粗轧，（5）热轧，（6）固溶退火处理，（7）合金冷变形，（8）时效热处理，其中步骤（2）所述真空感应熔炼具体为：将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度≤10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1550～1800℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温3～5分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
2.根据权利要求1所述的高强高弹性铜合金，其特征在于由以下成分及含量熔炼而成：Ni 5.0～6.2wt%，Co 0.07～0.09wt%，V 3.2～5.4wt%，Cr 1.8～2.0wt%，Mo 4.0～5.1wt%，Zn 1.7～2.0wt%，Mn 1.6～2.0wt%，Ti 1.2～1.9wt%，余量为Cu。
3.一种权利要求1或2 所述高强高弹性铜合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）准备配料，（2）真空感应熔炼，（3）均匀化热处理，（4）铣面、粗轧，（5）热轧，（6）固溶退火处理，（7）合金冷变形，（8）时效热处理，其中步骤（2）所述真空感应熔炼具体为：将原料加熔炼炉内，进行抽真空，至真空度≤10-2Pa，充入氩气进行保护，熔炼温度1550～1800℃，所有物料完全熔化后，磁搅拌均匀并保温3～5分钟，导入浇注模具进行浇铸，得到合金铸锭。
4.根据权利要求3所述高强高弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）均匀化热处理具体为：将合金铸锭放入热处理炉中，在900～950℃下保温时间3～4h。
5.根据权利要求3所述高强高弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）粗轧具体为：对合金进行冷轧开坯，总变形量为60～70%。
6.根据权利要求3所述高强高弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）热轧的温度为650～700℃下，热轧的总变形量为65～80%。
7.根据权利要求3所述高强高弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）固溶退火处理的温度为900～930℃，退火速度50～80m/min，冷却速度60～65℃/s。
8.根据权利要求3所述高强高弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（7）合金冷变形的总变形量为10～20%。
9.根据权利要求3所述高强高弹性铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（8）时效处理的温度为550～600℃，保温时间为4～5h。
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