CN107447126B - 一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种Cu‑Ni‑Sn‑Mn‑P‑Zn铜合金，包括以下重量百分数的组分：18％～24％的Ni，4.0％～8.0％的Sn，0.05％～0.15％的Mn，0.01％～0.03％的Fe，0.01％～0.02％的Pb，0.01％～0.10％的P，0.1％～0.3％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质；该铜合金保持甚至提高了现有技术中的Cu‑Ni‑Sn铜合金的强度、硬度、弹性、导电性能、抗应力松弛性能、耐磨性能以及抗腐蚀性能。本申请还提供了一种基于上述组分配方的Cu‑Ni‑Sn‑Mn‑P‑Zn铜合金的制备方法，提高了成品率，且降低了生产成本，能够适应现阶段的工业发展需要。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金材料技术领域，尤其是涉及一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金及其制备方法。
背景技术
高强度高弹性铜合金具有强度高、弹性好、耐疲劳、弹性滞后小、耐腐蚀等优良特性，被广泛地用来制造电子、电气、通讯、仪器、仪表、电讯、轻工、机械、化工、煤炭行业中，广泛地应用于制造各种弹性簧片、电触点、点焊极点、防爆工具等。且由于其性能稳定、使用寿命长、而被广泛用于航空、航天、兵器、船舶、雷达系统等重要军工部门中的特殊部件，主要为电接触器件、接插件元器件及继电器器件等。在计算机、高档家用电器、防爆工具、化工、煤炭等行业中也有其巨大的潜在市场，所以高强高弹铜合金是和人民生活水平日益提高有着密切联系的重要材料，也是国防建设和科学进步不可缺少的战略物资。
应力松弛是许多弹性元件和紧固件失效的直接原因。抗应力松弛性能是弹性元件的一个重要的机械性能指标。有关部门统计，家用电器有80％的维修故障是由弹性零件松弛，弹力降低甚至失效而引发的。研究表明，压缩螺旋弹簧和紧固螺钉(螺栓)长期贮存中的应力松弛导致对接密封结构的失效，直接影响导弹武器系统的可靠性。因此，现代工业的发展，要求弹性铜材料在高温工作能够保持较高的强度和弹性，高的抗应力松弛性能，同时具备较好的导电性能。
随着科技的进步，电子零件向小型化、高密度、高集成化的方向迅速发展，用户对高强高弹铜合金提出了更高的要求，常规的锡磷青铜弹性元件已不能满足日益增长的市场需求，铍青铜作为弹性元件本身有一定的缺点，寻求新型高强高弹铜合金是市场发展的必然。
调幅分解强化型Cu-Ni-Sn合金作为替代铍青铜的新型铜基弹性材料渐入人们的视野，这类合金无污染，具有优良的抗应力松弛、耐磨、耐腐蚀等优点，能够满足市场需求，但由于此类合金生产工艺尚不完善，在生产中成品率极低，极大的增大了生产成本。
因此，如何保持甚至提高Cu-Ni-Sn铜合金的强度、硬度、弹性、导电性能、抗应力松弛性能、耐磨性能以及耐腐蚀性能，且同时完善优化Cu-Ni-Sn铜合金的生产工艺，提高成品率，降低生产成本，以适应现阶段的工业发展需要是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金，该铜合金能够保持甚至提高Cu-Ni-Sn铜合金的强度、硬度、弹性、导电性能、抗应力松弛性能、耐磨性能以及耐腐蚀性能，能够适应现阶段的工业发展需要。本发明的另外一个目的是提供一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的制备方法，该制备方法能够提高Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的成品率，降低生产成本，以适应现阶段的工业发展需要。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金，包括以下重量百分数的组分：18％～24％的Ni，4.0％～8.0％的Sn，0.05％～0.15％的Mn，0.01％～0.03％的Fe，0.01％～0.02％的Pb，0.01％～0.10％的P，0.1％～0.3％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
优选的，包括以下重量百分数的组分：21％的Ni，5.5％的Sn，0.1％的Mn，0.03％的Fe，0.02％的Pb，0.05％的P，0.2％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
一种上述的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加锡，充分搅拌后加入铜锰中间合金，然后添加锌、铜磷合金，升温捞渣，覆盖煅烧果木炭，然后测温以及取样化验，然后静置，然后将熔体转移到保温炉，然后测温以及调整温度，然后保温炉搅拌捞渣，然后煅烧果木炭覆盖，然后取样化验；
(2)水平连铸：水平连铸过程中，起拉时熔体温度为1270℃～1290℃，正常铸造时熔体温度为1250℃～1280℃；
保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm～800mm；
冷却水的进水温度为10℃～30℃，冷却水的出水温度为40℃～60℃，冷却水的进水水压为0.1Mpa～0.3Mpa；
拉坯方式：反推—拉—停；
起拉速度为40mm/min～60mm/min，反推推程为1.0mm～2.0mm，正常铸造速度为80mm/min～120mm/min，铸坯出口温度为350℃～450℃，完成后制得Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金。
本申请提供了一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金，包括以下重量百分数的组分：18％～24％的Ni，4.0％～8.0％的Sn，0.05％～0.15％的Mn，0.01％～0.03％的Fe，0.01％～0.02％的Pb，0.01％～0.10％的P，0.1％～0.3％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质；本申请提供的铜合金保持甚至提高了现有技术中的Cu-Ni-Sn铜合金的强度、硬度、弹性、导电性能、抗应力松弛性能、耐磨性能以及耐腐蚀性能，能够适应现阶段的工业发展需要。本申请还提供了一种基于上述组分配方的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的制备方法，由于该Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的组分配方相对于现有技术中的Cu-Ni-Sn铜合金的组分配方进行了优化，使得Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的成品率得到明显提高，且降低了生产成本，能够适应现阶段的工业发展需要。
经试验验证，本申请提供的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的抗拉强度σb最高可达到1100MPa，硬度(HV)320以上，屈服强度700-800MPa，塑性延伸率δ为3～10％，电导率为45～55％IACS，抗应力松弛性能(在200℃工作1000h)≥80％，纵向弹性系数130-160KN/mm2，横向弹性系数40-50KN/mm2，线膨胀系数18*10-6K,弹性模量130-145E/GPa，以及耐腐蚀性能小于5mg/cm2·h。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本申请提供了一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金，包括以下重量百分数的组分：18％～24％的Ni，4.0％～8.0％的Sn，0.05％～0.15％的Mn，0.01％～0.03％的Fe，0.01％～0.02％的Pb，0.01％～0.10％的P，0.1％～0.3％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
Ni的含量为18％～24％，镍的含量低于18％时，合金强度达不到设计要求，呈整体下降趋势，当镍的含量高于24％时，材料塑性指标缓慢下降，加工性能不良。因此，所述Ni元素的重量百分数为18％～24％，优选为20％～23％，更优选为20.5％～21.8％。
Sn的含量为4.0％～8.0％，Sn含量的添加显著提高材料的弹性性能，当Sn含量小于4.0％，合金弹性性能得不到良好的发挥，固溶度达不到饱和状态，Sn含量大于8.0％时，在凝固过程中开始形成少量β相，不利于加工，因此，所述Sn元素的重量百分数为4.0％～8.0％，优选为5.0％～7.0％，更优选为5.3％～6.0％。
Mn的含量为0.05％～0.15％，Mn元素的加入增加了材料时效硬化的效果，减缓α+γ不连续析出物的形成和发展，同时抑制晶界反应和晶粒粗化，改善合金的耐蚀性能。并且Mn元素的加入利于熔体除气除杂。当Mn含量低于0.05％时，材料时效硬化程度不明显，Mn含量高于0.15％时，过量的Mn与基体形成脆性化合物，加工中易出现裂纹等质量缺陷。因此，Mn元素的重量百分数为0.05％～0.15％，优选为0.08％～0.12％。
P的含量为0.01％～0.10％，P元素的增加，显著提高熔体的流动性，在铸造过程中，利于补缩及排出气体，在材料中添加P元素还能有效除气，避免缩松缺陷的产生。当P含量低于0.01％时，除气效果不明显，铜液流动性较差，当P含量高于0.10％时，材料的导电性能被严重削弱，因此，P元素的重量百分数为0.01％～0.10％，优选为0.02％～0.05％。
Zn的含量为0.10％～0.30％，Zn元素的添加可以提高材料的耐磨性能，提高材料的物理性能，Zn元素加入可以微畸形化晶体结构，材料的耐磨性能得到优化。当Zn含量低于0.10％时，不能达到畸形化效果，当Zn含量高于0.30％时，材料的抗应力松弛性能减弱，因此，Zn元素的重量百分数为0.10％～0.30％，优选为0.15％～0.25％。
在本申请的一个实施例中，上述Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金，包括以下重量百分数的组分：21％的Ni，5.5％的Sn，0.1％的Mn，0.03％的Fe，0.02％的Pb，0.05％的P，0.2％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
实际上，上述多种合金元素不是孤立起作用，其影响是相互的，其中任何一种组分的多少均对合金的性能带来变化。每种元素具有各自独立的作用，但此元素相互组合后，元素之间相互激发，相互促进，协同作用非常明显，使铜合金的加工性能、力学性能、抗应力松弛性能和抗软化性能得到了显著提高。
本发明通过对铜合金中元素种类和含量的控制和优化，保持甚至提高了现有技术中的Cu-Ni-Sn铜合金的强度、硬度、弹性、导电性能、抗应力松弛性能、耐磨性能以及耐腐蚀性能，能够适应现阶段的工业发展需要。
本申请还提供了一种上述的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加锡，充分搅拌后加入铜锰中间合金，然后添加锌、铜磷合金，升温捞渣，覆盖煅烧果木炭，然后测温以及取样化验，然后静置，然后将熔体转移到保温炉，然后测温以及调整温度，然后保温炉搅拌捞渣，然后煅烧果木炭覆盖，然后取样化验；
(2)水平连铸：水平连铸过程中，起拉时熔体温度为1270℃～1290℃，正常铸造时熔体温度为1250℃～1280℃；
保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm～800mm；
冷却水的进水温度为10℃～30℃，冷却水的出水温度为40℃～60℃，冷却水的进水水压为0.1Mpa～0.3Mpa；
拉坯方式：反推—拉—停；
起拉速度为40mm/min～60mm/min，反推推程为1.0mm～2.0mm，正常铸造速度为80mm/min～120mm/min，铸坯出口温度为350℃～450℃，完成后制得Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金。
本发明对上述方法中未提及的处理设备及工艺参数没有限制，采用本技术领域内技术人员熟知的处理设备及工艺参数即可。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
本实施例1中的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的成分设计为：包括以下重量百分数的组分：22％的Ni，7.0％的Sn，0.15％的Mn，0.03％的Fe，0.02％的Pb，0.08％的P，0.15％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
熔炼原料：电解纯铜、纯镍、纯锡、纯锌、铜磷合金以及铜锰合金。
本实施例1中的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加锡，充分搅拌后加入铜锰中间合金，然后添加锌、铜磷合金，升温捞渣，覆盖煅烧果木炭，然后测温以及取样化验，然后静置，然后将熔体转移到保温炉，然后测温以及调整温度，然后保温炉搅拌捞渣，然后煅烧果木炭覆盖，然后取样化验；
(2)水平连铸：水平连铸过程中，起拉时熔体温度为1283℃，正常铸造时熔体温度为1270℃；
保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm；
冷却水的进水温度为22℃，冷却水的出水温度为48℃，冷却水的进水水压为0.1Mpa；
拉坯方式：反推—拉—停；
起拉速度为47mm/min；
铸坯拉出后调整参数：以6mm/s反推1.5mm—14mm/s拉6.5mm—停3.2s，熔体温度为1250℃，拉速为75mm/min；
观察带面情况，当结晶线变宽并且模糊时，带面有不平整症状时，提高拉速：以8mm/s反推1.5mm—16mm/s拉7.5mm—停3.2s，熔体温度为1250℃，拉速为93mm/min；
铸坯出口温度为350℃～450℃，完成后制得Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金。
实施例2
本实施例2中的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的成分设计为：包括以下重量百分数的组分：20.5％的Ni，5.5％的Sn，0.10％的Mn，0.02％的Fe，0.01％的Pb，0.06％的P，0.20％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
熔炼原料：电解纯铜、纯镍、纯锡、纯锌、铜磷合金以及铜锰合金。
本实施例2中的Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加锡，充分搅拌后加入铜锰中间合金，然后添加锌、铜磷合金，升温捞渣，覆盖煅烧果木炭，然后测温以及取样化验，然后静置，然后将熔体转移到保温炉，然后测温以及调整温度，然后保温炉搅拌捞渣，然后煅烧果木炭覆盖，然后取样化验；
(2)水平连铸：水平连铸过程中，起拉时熔体温度为1275℃，正常铸造时熔体温度为1270℃；
保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm；
冷却水的进水温度为24℃，冷却水的出水温度为52℃，冷却水的进水水压为0.1Mpa；
拉坯方式：反推—拉—停；
起拉速度为49mm/min；
铸坯拉出后调整参数：以8mm/s反推1.5mm—11mm/s拉8.7mm—停2.5s，熔体温度为1270℃，拉速为70mm/min；
观察带面情况，当结晶线变宽并且模糊时，带面有不平整症状时，提高拉速：以8mm/s反推1.5mm—11mm/s拉8.5mm—停2.5s，熔体温度为1270℃，拉速为104mm/min；
铸坯出口温度为350℃～450℃，完成后制得Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金。
表1 实施例1-2的合金性能表
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (2)
1.一种Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼：在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加锡，充分搅拌后加入铜锰中间合金，然后添加锌、铜磷合金，升温捞渣，覆盖煅烧果木炭，然后测温以及取样化验，然后静置，然后将熔体转移到保温炉，然后测温以及调整温度，然后保温炉搅拌捞渣，然后煅烧果木炭覆盖，然后取样化验；
(2)水平连铸：水平连铸过程中，起拉时熔体温度为1270℃～1290℃，正常铸造时熔体温度为1250℃～1280℃；
保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm～800mm；
冷却水的进水温度为10℃～30℃，冷却水的出水温度为40℃～60℃，冷却水的进水水压为0.1Mpa～0.3Mpa；
拉坯方式：反推—拉—停；
起拉速度为40mm/min～60mm/min，反推推程为1.0mm～2.0mm，正常铸造速度为80mm/min～120mm/min，铸坯出口温度为350℃～450℃，完成后制得Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金；
所述Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金包括以下重量百分数的组分：18％～24％的Ni，4.0％～8.0％的Sn，0.05％～0.15％的Mn，0.01％～0.03％的Fe，0.01％～0.02％的Pb，0.01％～0.10％的P，0.1％～0.3％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Cu-Ni-Sn-Mn-P-Zn铜合金包括以下重量百分数的组分：21％的Ni，5.5％的Sn，0.1％的Mn，0.03％的Fe，0.02％的Pb，0.05％的P，0.2％的Zn，其余为Cu以及不可避免的杂质。
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