CN108060325B - 超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法 - Google Patents

超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法 Download PDF

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Abstract

一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理制备方法，包括：铸件依次进行两级均匀化处理、热轧、固溶、预时效、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效；所述预时效工艺参数为：350‑380℃时效30‑60分钟。本发明合金的多级组合形变热处理工艺，能够有效避免合金时效过程中发生胞状析出，调控CuNiSn系合金的析出相的分布，显著提高合金的耐蚀、耐磨性能，并能提高电导率和强塑积(强度和塑性的乘积)。本发明的热处理工艺所制备的CuNiSn系弹性铜合金具有超高强度、高抗应力松弛等特性、安全可靠性大，可适用于航天、航空、航海以及电子工业对高性能导电弹性材料的需求。

Description

超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法
技术领域
本发明涉及一种超高强CuNiSn系弹性铜合金制备方法，特别是指一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理制备方法。主要应用于航天、航空、航海和电子等工业所需的高端导电弹性材料的制备。
背景技术
随着航空、航天、舰船、兵器和电子等工业的发展，对弹性铜合金材料的性能提出了更高的要求。高可靠性、高使用寿命、高负载、高环境适应能力和绿色环保已成为弹性铜合金材料的主要方向。高端弹性铜合金领域的最典型的弹性铜合金是Cu-Be合金。它们具有高强度、高弹性、高硬度、高耐磨性、抗疲劳和优良的导电性能。但该合金含有Be这一剧毒元素而对人们的健康造成威胁，而且其在高于150℃环境下使用，材料弹性、强度急剧降低，导致继电器在工作状态下的灭弧能力、反力特性改变，致使继电器工作失效，从而不能满足高端需求。
CuNiSn系合金不含剧毒元素Be,且该合金具有成本低、无毒、抗蚀性和焊接性好、高温下有较高的强度和热稳定性好等诸多优点，在250℃以上性能优于铍青铜等。该合金在继电器、电位器、开关、接插件以及高精度仪器仪表传感器中的敏感元件中均有非常广泛的应用。
CuNiSn系合金是典型的时效强化合金。合金时效过程中，过饱和固溶体脱溶初期是产生调幅分解相变，形成溶质原子富集区和溶质原子贫乏区交替排列的调幅结构，随时效时间的延长,调幅结构粗化。调幅结构发展到一定程度,在基体内和晶界处析出纳米级NiXSn金属间化合物，进一步延长时效时间或升高时效温度，在原固溶体的晶粒边界处形成层片状的α+γ不连续沉淀物(胞状析出),其后α+γ不连续沉淀物自晶界开始向晶内地区生长、发展,数量不断增多。合金时效处理后的性能,取决于调幅结构、纳米级NiXSn金属间化合物和α+γ不连续沉淀物的分布及相对数量，α+γ的出现和增多将对合金的塑韧性和强度带来不利的影响。
现有的CuNiSn合金的制备工艺主要是采用形变热处理的方法，技术路线为：熔铸→均匀化处理→固溶→冷轧→时效。通过冷轧的量和时效温度以及时间的控制来调控合金的性能，但是在形变热处理中，为了得到较高的导电性能，必须延长时效时间或者提高时效温度，这会导致晶界α+γ不连续沉淀物增多，使合金耐蚀性能、强度和塑性均降低。
因此，亟需发明一种新的热处理工艺，使CuNiSn合金的综合性能得到提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种新型的热处理工艺，通过控制合金的微观组织结构，提高CuNiSn系合金的综合性能，满足航天、航空、航海以及电子工业对高性能导电弹性材料的需求。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，包括以下步骤：
将铸件依次进行两级均匀化处理、热轧、固溶、预时效、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效；所述预时效工艺参数为：350-380℃时效30-60分钟；二次时效结束，坯件采用10％硫酸酸洗、剪切包装。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，所述预时效工艺参数为：370-380℃时效30-60分钟。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，一次冷轧的变形量为65-75％；一次时效工艺参数为：时效温度400-420℃，时间90-120分钟；优选的冷轧变形量为68-72％，时效温度405-415℃，时间90-100分钟；进一步优选的冷轧变形量为70％，时效温度408-412℃，时间90-95分钟。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，二次冷轧的变形量为45-70％；二次时效工艺参数为：时效温度360-380℃，时间120-180分钟；优选的冷轧变形量为50-65％，时效温度365-375℃，时间130-170分钟；进一步优选的冷轧变形量为58-62％，时效温度368-372℃，时间145-155分钟。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，铸件进行两级均匀化处理工艺参数为：在防氧化保护气氛下加热至830℃-850℃保温3-5小时后，升温至850-880℃均匀化处理2-5小时。两级均匀化处理防氧化保护气氛选自氩气、氮气中的一种。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，热轧变形工艺参数为：道次轧下量20％-25％，总变形量65％-75％，开轧温度850℃-880℃，终轧温度700℃-750℃。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，固溶温度为850℃-880℃，保温时间3-5小时。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，铸件合金包括下述组分，按质量百分比组成：
Ni：9.0-20.0％；Sn：2.0-8.5％；Mn：0.3-0.6％；Mg：0.05-0.2％；Ce:0.01-0.15％；B:0.01-0.10％；Sr:0.01-0.1％；V:0.01-0.1％；余量为铜。
本发明一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，铸件采用下述工艺制备：
将配定的电解铜、镍放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1250℃-1270℃后，将Sn、铜-镁中间合金、铜-铈中间合金、镍-硼中间合金、铜-锶中间合金、铜-钒中间分别加入，使得合金熔体成分的质量百分含量范围为(质量百分数)：Ni：9.0-20.0％；Sn：2.0-8.5％；Mn：0.3-0.6％；Mg：0.05-0.2％；Ce:0.01-0.15％；B:0.01-0.10％；Sr:0.01-0.1％；V:0.01-0.1％，余量为铜，熔匀后形成CuNiSnMnMgSrVB合金熔体，1230℃-1250℃进行浇铸。
熔体表面覆盖的防氧化保护气氛选自氩气、氮气中的一种。
铸件进行两级均匀化处理前，先除去表面缺陷。
本发明通过在合金基体中同时添加B，V元素，有效细化晶粒，细化铸态组织，打断Sn反偏析的通道，有效抑制合金中Sn的枝晶偏析和反偏析；通过Sr元素的添加，有效调控熔融态Cu和Sn的界面张力，促进Sn在铜中的均匀混合，显著减少Sn的反偏析；本发明通过通过B，V和Sr三种元素联合添加，产生协同作用，最大限度抑制Sn的枝晶偏析和反偏析，实现采用传统熔铸技术制备的超高强CuNiSn系弹性铜合金的铸锭反偏析现象显著降低；得到成分均匀的铸造组织，铸件固溶处理后，变形+时效前对合金进行一个低温预时效处理，由于在预时效过程中溶质原子的析出，使得固溶体中溶质原子浓度降低，因此，当合金进行冷变形+时效处理时，溶质原子难以在晶界处形成粗大的α+γ粒子，这在一定程度上抑制了时效后期不连续沉淀(胞状)组织的出现，并避免了晶界处粗大析出相引起的晶界脆性。因而，合金经发明的热处理工艺处理后，其强度提高的同时塑性不会下降，强塑积得到提高随后在进行冷轧变形以及低温时效处理时，进一步诱导固溶原子的析出，提高电导率，并能产生加工硬化的效果，从而进一步提高强度。
本发明对铸件进行两级均匀化处理后，沿用现有CuNiSn系弹性铜合金的形变热处理工艺，依次进行热轧、铣面、冷轧、酸洗、固溶处理后，增加一个低温预时效处理工序，随后进行两次冷轧及时效(冷轧+较高温时效+冷轧+较低温时效的处理工艺；首先，两级均匀化处理，即在第一级温度下消除铸态组织中的低熔点共晶，为后续第二级高温热处理提供组织准备，然后在第二级温度下使得添加的合金元素充分固溶入铜基体中，通过低温预时效处理，使得合金产生析出，随后的冷变形+时效过程中能在较短的时间内产生足够高密度、且均匀弥散分布的纳米强化粒子，这样获得的材料中含有大量弥散的纳米强化粒子，达到强化合金的目的，从而使得合金可以获得较好的综合性能；极大地提高了合金的弹性性能、导电性能和抗应力松弛性能；硬度、强度、电导率、强塑积等性能较现有技术处理的CuNiSn系弹性铜合金提高8％-30％。
综上所述，本发明合金的热处理工艺，能够充分发挥CuNiSn系弹性铜合金合金的潜质，制备出综合性能优异的合金，具有超高强度、高抗应力松弛等特性，特别是提高合金的强塑积，，而强塑积的提高，则表明合金安全服役系数高，使用可靠性高。本发明工艺方法适于工业化生产，可以替代现有航空、航天用大功率密封电磁继电器，电子工业中高性能导电弹性器件等原材料及其生产工艺。适用于航天、航空、航海以及电子工业对高性能导电弹性材料的需求。
具体实施方式
实施例1：
A.熔铸
将配定的电解铜、镍放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1250℃-1270℃后，将Sn、铜-镁中间合金、铜-铈中间合金、镍-硼中间合金、铜-锶中间合金、铜-钒中间分别加入，使得成分范围为(质量百分数)，Ni：15.0％；Sn：8.0％；Mn：0.5％；Mg：0.15％；B：0.03％,Ce:0.1％；Sr:0.1％；V:0.005％，余量为铜，熔匀后形成CuNiSnMnMgSrVB合金熔体，1230℃-1250℃进行浇铸；
B.均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，含防氧化的保护气氛的保护炉中于830℃/5小时；然后在870℃含防氧化的保护气氛的保护炉中均匀化处理5小时。
C.热轧
将步骤B所得板坯热轧变形，热轧道次轧下量20％，总变形量70％，开轧温度870℃，终轧温度750℃；
D.铣面
将步骤C所得热轧板坯双面铣面处理，铣面厚度为铣去表面缺陷为准。
E.固溶
将步骤D所得的板坯经在870℃固溶4小时；
F.预时效
将步骤E所得的板坯在370℃时效60分钟；
G.冷轧
将步骤F所得板坯，冷轧变形70％；
H.时效处理
将步骤G所得的固溶轧板于410℃时效处理90-120分钟；
I.将步骤H所得的预时效板冷轧变形60％；
J.将步骤I所得的板于370℃时效处理150分钟；
K.步骤J所得的板在10％硫酸酸洗、剪切包装。
对比例
将同一成分合金按实施例1的步骤A-步骤E，步骤G-步骤K获得参比合金(即不进行预时效)。
测得的实施例1合金和对比例合金性能如表1所示，可见经过预时效处理的合金的力学、电学性能均大幅提升。
表1
实施例2：
A.熔铸
将配定的电解铜、镍放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1250℃-1270℃后，将Sn、铜-镁中间合金、铜-铈中间合金、镍-硼中间合金、铜-锶中间合金、铜-钒中间分别加入，使得成分范围为(质量百分数)，Ni：15.0％；Sn：8.0％；Mn：0.5％；Mg：0.15％，B:0.07％；Ce:0.1％；Sr:0.1％；V:0.005％，余量为铜，熔匀后形成CuNiSnMnMgSrVB合金熔体，1230℃-1250℃进行浇铸；
B.均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，含防氧化的保护气氛的保护炉中于830℃/5小时；然后在870℃含防氧化的保护气氛的保护炉中均匀化处理5小时。
C.热轧
将步骤B所得板坯热轧变形，热轧道次轧下量20％，总变形量70％，开轧温度870℃，终轧温度750℃；
D.铣面
将步骤C所得热轧板坯双面铣面处理，铣面厚度为铣去表面缺陷为准。
E.固溶
将步骤D所得的板坯经在870℃固溶4小时；
F.预时效
将步骤E所得的板坯在370℃时效60分钟；
G.冷轧
将步骤F所得板坯，冷轧变形70％；
H.时效处理
将步骤G所得的固溶轧板于410℃时效处理90-120分钟；
I.将步骤H所得的预时效板冷轧变形60％；
J.将步骤I所得的板于370℃时效处理150分钟；
K.步骤J所得的板在10％硫酸酸洗、剪切包装。
测得的合金性能如表2所示
表2
实施例3：
A.熔铸
将配定的电解铜、镍放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1250℃-1270℃后，将Sn、铜-镁中间合金、铜-铈中间合金、镍-硼中间合金、铜-锶中间合金、铜-钒中间分别加入，使得成分范围为(质量百分数)，Ni：20.0％；Sn：5.0％；Mn：0.5％；Mg：0.15％，B:0.03％；Ce:0.1％；Sr:0.1％；V:0.005％，余量为铜，熔匀后形成CuNiSnMnMgSrVB合金熔体，1230℃-1250℃进行浇铸；
B.均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，含防氧化的保护气氛的保护炉中于830℃/5小时；然后在870℃含防氧化的保护气氛的保护炉中均匀化处理5小时。
C.热轧
将步骤B所得板坯热轧变形，热轧道次轧下量20％，总变形量70％，开轧温度870℃，终轧温度750℃；
D.铣面
将步骤C所得热轧板坯双面铣面处理，铣面厚度为铣去表面缺陷为准。
E.固溶
将步骤D所得的板坯经在870℃固溶4小时；
F.预时效
将步骤E所得的板坯在370℃时效60分钟；
G.冷轧
将步骤F所得板坯，冷轧变形70％；
H.时效处理
将步骤G所得的固溶轧板于410℃时效处理90-120分钟；
I.将步骤H所得的预时效板冷轧变形60％；
J.将步骤I所得的板于370℃时效处理150分钟；
K.步骤J所得的板在10％硫酸酸洗、剪切包装。
测得的合金性能如表3所示
表3
HV σ<sub>b</sub>(MPa) σ<sub>0.2</sub>(MPa) δ(％) g(％IACS) R(％)
325 960 720 6.1 7.3 8.6
实施例4：
A.熔铸
将配定的电解铜、镍放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1250℃-1270℃后，将Sn、铜-镁中间合金、铜-铈中间合金、镍-硼中间合金、铜-锶中间合金、铜-钒中间分别加入，使得成分范围为(质量百分数)，Ni：20.0％；Sn：5.0％；Mn：0.5％；Mg：0.15％，B:0.07％；Ce:0.1％；Sr:0.1％；V:0.005％，余量为铜，熔匀后形成CuNiSnMnMgSrVB合金熔体，1230℃-1250℃进行浇铸；
B.均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，含防氧化的保护气氛的保护炉中于830℃/5小时；然后在870℃含防氧化的保护气氛的保护炉中均匀化处理5小时。
C.热轧
将步骤B所得板坯热轧变形，热轧道次轧下量20％，总变形量70％，开轧温度870℃，终轧温度750℃；
D.铣面
将步骤C所得热轧板坯双面铣面处理，铣面厚度为铣去表面缺陷为准。
E.固溶
将步骤D所得的板坯经在870℃固溶4小时；
F.预时效
将步骤E所得的板坯在370℃时效60分钟；
G.冷轧
将步骤F所得板坯，冷轧变形70％；
H.时效处理
将步骤G所得的固溶轧板于410℃时效处理90-120分钟；
I.将步骤H所得的预时效板冷轧变形50％；
J.将步骤I所得的板于370℃时效处理150分钟；
K.步骤J所得的板在10％硫酸酸洗、剪切包装。测得的合金性能如表4所示
表4
HV σ<sub>b</sub>(MPa) σ<sub>0.2</sub>(MPa) δ(％) g(％IACS) R(％)
306 910 701 6.9 7.1 8.5
实施例5：
A.熔铸
将配定的电解铜、镍放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1250℃-1270℃后，将Sn、铜-镁中间合金、铜-铈中间合金、镍-硼中间合金、铜-锶中间合金、铜-钒中间分别加入，使得成分范围为(质量百分数)，Ni：9.0％；Sn：2.5％；Mn：0.3％；Mg：0.08％，B:0.03％；Ce:0.1％；Sr:0.1％；V:0.005％，余量为铜，熔匀后形成CuNiSnMnMgSrVB合金熔体，1230℃-1250℃进行浇铸；
B.均匀化处理
将步骤A所得铸锭除去表面缺陷，含防氧化的保护气氛的保护炉中于830℃/5小时；然后在870℃含防氧化的保护气氛的保护炉中均匀化处理5小时。
C.热轧
将步骤B所得板坯热轧变形，热轧道次轧下量20％，总变形量70％，开轧温度870℃，终轧温度750℃；
D.铣面
将步骤C所得热轧板坯双面铣面处理，铣面厚度为铣去表面缺陷为准。
E.固溶
将步骤D所得的板坯经在870℃固溶4小时；
F.预时效
将步骤E所得的板坯在360℃时效60分钟；
G.冷轧
将步骤F所得板坯，冷轧变形70％；
H.时效处理
将步骤G所得的固溶轧板于400℃时效处理90-120分钟；
I.将步骤H所得的预时效板冷轧变形60％；
J.将步骤I所得的板于360℃时效处理150分钟；
K.步骤J所得的板在10％硫酸酸洗、剪切包装。
测得的合金性能如表5所示。
表5
从实施例1-5得到的合金性能参数与对比例相比，可知：
本发明合金的热处理工艺，能够充分发挥CuNiSn系弹性铜合金合金的潜质，制备出综合性能优异的合金，具有超高强度、高抗应力松弛等特性，特别是提高合金的强塑积，而强塑积的提高，则表明合金安全服役系数高，使用可靠性高。本发明工艺方法适于工业化生产，可以替代现有航空、航天用大功率密封电磁继电器，电子工业中高性能导电弹性器件等原材料及其生产工艺。适用于航天、航空、航海以及电子工业对高性能导电弹性材料的需求。

Claims (3)

1.一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，包括以下步骤：
将铸件依次进行两级均匀化处理、热轧、固溶、预时效、一次冷轧、一次时效、二次冷轧、二次时效；
铸件合金包括下述组分，按质量百分比组成：
Ni：9.0-20.0%；Sn：2.0-8.5 %；Mn：0.3-0.6 %；Mg：0.05-0.2 %；Ce:0.01-0.15 %；B:0.01-0.10 %；Sr:0.01-0.1 %；V:0.01-0.1 %；余量为铜；
铸件进行两级均匀化处理工艺参数为：在防氧化保护气氛下加热至830℃-850℃保温3-5小时后，升温至850-880℃均匀化处理2-5小时；热轧变形工艺参数为：道次轧下量20%-25%，总变形量65%-75%，开轧温度850℃-880℃，终轧温度700℃-750℃；固溶温度为850℃-880℃，保温时间3-5小时；所述预时效工艺参数为：350-380℃时效30-60分钟；一次冷轧的变形量为65-75%；一次时效工艺参数为：时效温度400-420℃，时间90-120分钟；二次冷轧的变形量为45-70%；二次时效工艺参数为：时效温度360-380℃，时间120-180分钟。
2.根据权利要求1所述的一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，其特征在于：所述预时效工艺参数为：370-380℃时效 30-60分钟。
3.根据权利要求1所述的一种超高强CuNiSn系弹性铜合金的多级组合形变热处理方法，其特征在于：铸件采用下述工艺制备：
将配定的电解铜、镍放入加热炉中熔化，熔体表面覆盖保护气氛以防止氧化，熔化温度1300℃-1500℃,待其完全熔化后，将炉温降低至1250℃-1270℃后，将Sn、铜-镁中间合金、铜-铈中间合金、镍-硼中间合金、铜-锶中间合金、铜-钒中间分别加入，使得合金熔体成分的质量百分含量范围为：Ni：9.0-20.0%；Sn：2.0-8.5 %；Mn：0.3-0.6 %；Mg：0.05-0.2 %；Ce:0.01-0.15 %；B: 0.01-0.10 %；Sr:0.01-0.1 %;V:0.01-0.1%余量为铜，熔匀后形成CuNiSnMnMgSrVB合金熔体，1230℃-1250℃进行浇铸。
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