CN108453222B - 一种铜基弹性合金薄带的减量化制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铜基弹性合金薄带的减量化制备方法，按以下步骤进行：(1)按设计成分冶炼铜合金获得铜合金熔体，其成分按质量百分数含Ni 7.5～15％，Sn 5～10％，杂质≤0.05％，其余为Cu；(2)浇入中间包，控制过热度为15～40℃，然后浇入双辊薄带铸轧机进行连铸，铸带出铸辊后水冷，控制冷却速度≥35℃/s，250～400℃卷取；(3)进行单阶段冷轧获得冷轧带；(4)将冷轧带在350～450℃进行时效处理。本发明的方法可有效抑制Sn元素的偏析，省去传统工艺中均匀化退火、热轧、固溶处理等工艺，简化工艺，降低成本，节约资源。

Description

一种铜基弹性合金薄带的减量化制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种铜基弹性合金薄带的减量化制备方法。
背景技术
铜基弹性合金作为一种重要的功能材料，具有高强度高弹性、良好的机械性能、优良的导电导热性能且耐腐蚀和高温，在载流弹性元件、电子电力、仪表仪器、导电元件等方面得到广泛运用。Sn作为溶质原子溶解在以Cu原子为溶剂的点阵中形成固溶体，但由于Sn元素在Cu中溶解度有限，且其溶解度随温度的降低而急剧降低，因此当Sn超过一定量时，Sn元素将会产生严重的偏析，这使得一方面传统的生产工序中包含了长时间均匀化、固溶处理等繁琐工序，耗费了大量的资源。另一方面，由于固溶处理受到铜合金基体加热温度的限制，固溶温度需要结合合金成分进行限制，以避免形成过烧等缺陷，于是限制了合金元素的添加量，从而无法进一步提高性能。因此，生产出均匀，晶粒细化，存在大量的等轴晶且孪晶界增多的铜带，这将大大挺高铜带的力学性能和物理性能。显然，传统生产流程在这方面已经无法解决这些固有的矛盾问题。
发明内容
针对传统的铜基弹性合金薄带制备制备工艺存在的上述不足，本发明提供一种铜基弹性合金薄带的减量化制备方法，基于双辊博带了连铸技术，省去均匀化、热轧工序、固溶处理等工艺，控制生产成本，降低能耗和排放，同时保证抑制枝晶形成，产品的成分均匀，性能良好。
为实现上述目的，本发明的方法按以下步骤进行：
(1)按设计成分冶炼铜合金，获得铜合金熔体，其成分按质量百分数含Ni 7.5～15％，Sn 5～10％，杂质≤0.05％，其余为Cu；
(2)将铜合金熔体通过浇口进入中间包，控制过热度为15～40℃，中间包预热温度1100～1200℃，然后浇入双辊薄带铸轧机进行连铸，制成厚度1.0～3.0mm的铸带，铸带出铸辊后喷水冷却，控制冷却速度≥35℃/s，冷却至250～400℃卷取；
(3)铸带经酸洗和表面处理后进行单阶段冷轧获得冷轧带，其中冷轧的道次压下率为15～20％，总压下率85～95％；
(4)将冷轧带在350～450℃进行时效处理，时间2～8h，获得铜基弹性合金薄带。
上述方法中，连铸时控制液位高度50～100mm，连铸棍的转速35～45m/min。
上述的铜基弹性合金薄带的抗拉强度1050～1327MPa，电导率16.5～18.2％IACS，弹性比功4.225～5.894GPa。
上述的铸带的凝固组织晶粒尺寸50～200μm，凝固组织中孪晶界比例≥30％。
双辊薄带铸轧技术，是以转动的两个铸辊为结晶器，将液态铜水直接注入铸辊和侧封板组成的熔池内，由液态铜水直接凝固成形厚度为1～6mm薄带，可不需经过均匀化、热轧等常规生产工序；其工艺特点是液态金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形，在很短的时间内完成从液态金属到固态薄带的全部过程，凝固速度可达102～104℃/s，大大细化合金的凝固晶粒尺寸，同时抑制合金元素的偏析与析出过程，使得冷轧前铜带，基体成分均匀，组织细化，特殊晶界数量充分，而且强化相处于固溶状态，基体塑性变形顺利；因此，薄带连铸制备铜基弹性元件的特点决定了其可以提供新的技术思路，一方面因其较大的冷却速度可使Ni、Sn等元素来不及及时扩散从而形成过饱和的固溶体，免去了常规工艺中均匀化和固溶处理部分，有效节约能源且晶粒细化无枝晶偏析；另一方面，薄带连铸可直接生产1.0～3.0mm铸带，比常规热轧带薄，可经过单阶段冷轧制备极薄带，有效减小冷轧压下量，提高成材率；因此，基于以上研究发明了双辊薄带连铸制备铜基弹性合金工艺流程，其工艺流程短，节约资源，成品性能好。
本发明在充分研究亚快速凝固铜合金的物理冶金及铸轧工艺基础上，提出了更加明确获得高性能铸轧铜带的工艺参数，如所需过热度、液位高度和铸轧速度等核心工艺参数，以及铸后冷速、冷却方式匹配、卷取温度等关键工艺参数，并且根据亚快速凝固铜合金的技术原理提出高性能铜合金成分范围、晶粒组织特点控制范围，如晶粒大小、孪晶界比例等。
本发明的优点是：
(1)基于双辊薄带铸轧技术的短流程优势和亚快速凝固特点，可有效抑制Sn元素的偏析，获得均匀细小的等轴晶，可省去传统工艺中均匀化退火、热轧、固溶处理等工艺，简化工艺，降低成本，节约资源；
(2)提出明确铸轧工艺参数控制范围，如过热度、液位高度、铸轧速度、铸后冷却方式，卷取温度，这些环节控制得当，才能获得良好的力学和物理性能；
(3)在大量科学实验的基础上，提出了凝固铸带组织的晶粒尺寸和特殊晶界比例范围；
(4)采用薄带连铸工艺可直接生产出1.0～3.0mm的铸带，比常规热轧带薄，可经过单阶段冷轧制备极薄带，有效减小冷轧压下量，提高成材率。
附图说明
图1为本发明实施例1中的铸带图1铸带金相组图(a)及孪晶界分布图(b)；
图2为本发明实施例1中的铸带组织偏析情况分布图。
具体实施方式
本发明实施例中硬度测试采用的标准为GB/T 4342-1991《金属显微维氏硬度试验方法》。
本发明实施例中电导率测试采用的标准为GB/T 32791-2016《铜及铜合金导电率涡流测试方法》。
本发明实施例中弹性比功测试采用的标准为GB T 22315-2008。
本发明实施例中铸带的凝固组织晶粒尺寸50～200μm，凝固组织中孪晶界比例≥30％。
实施例1
按设计成分冶炼铜合金，获得铜合金熔体，其成分按质量百分数含Ni 9％，Sn6％，杂质≤0.05％，其余为Cu；
将铜合金熔体通过浇口进入中间包，控制过热度为15℃，中间包预热温度1100℃，然后浇入双辊薄带铸轧机进行连铸，制成厚度2.0mm的铸带，连铸时控制液位高度50mm，连铸棍的转速35m/min；铸带出铸辊后立即进行喷水冷却，控制冷却速度35℃/s，冷却至400℃卷取；铸带金相组织及特殊孪晶界分布如图1所示，铸带组织元素偏析情况分布如图2所示，由图可见，利用该方法制备的Cu-Ni-Sn合金明显抑制了Sn和Ni元素的偏析，铸带组织已没有树枝晶，出现了均匀分布的等轴晶，并有大量孪晶生成，减缓了大角晶界对电子的阻碍作用；
铸带经酸洗和表面处理后进行单阶段冷轧获得冷轧带，其中冷轧的道次压下率为15～20％，总压下率90％；冷轧带厚度0.2mm；
将冷轧带在350℃进行时效处理，时间8h，获得铜基弹性合金薄带，其抗拉强度1067MPa，电导率18％IACS，弹性比功4.225GPa。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铜合金熔体的成分按质量百分数含Ni 15％，Sn 8％；
(2)控制过热度为25℃，中间包预热温度1150℃，铸带厚度3.0mm，连铸时控制液位高度100mm，连铸棍的转速45m/min；铸带出铸辊后控制冷却速度40℃/s，380℃卷取；
(3)冷轧的总压下率95％；冷轧带厚度0.15mm；
(4)时效处理温度450℃，时间2h，铜基弹性合金薄带的抗拉强度1327MPa，电导率16.5％IACS，弹性比功5.367GPa。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铜合金熔体的成分按质量百分数含Ni 7.5％，Sn 5％；
(2)控制过热度为20℃，中间包预热温度1200℃，铸带厚度1.0mm，连铸时控制液位高度80mm，连铸棍的转速40m/min；铸带出铸辊后控制冷却速度45℃/s，350℃卷取；
(3)冷轧的总压下率85％；冷轧带厚度0.15mm；
(4)时效处理温度380℃，时间6h，铜基弹性合金薄带的抗拉强度1050MPa，电导率18.2％IACS，弹性比功4.567GPa。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铜合金熔体的成分按质量百分数含Ni 15％，Sn 5％；
(2)控制过热度为30℃，中间包预热温度1150℃，铸带厚度2.0mm，连铸时控制液位高度60mm，连铸棍的转速35m/min；铸带出铸辊后控制冷却速度50℃/s，300℃卷取；
(3)冷轧的总压下率90％；冷轧带厚度0.2mm；
(4)时效处理温度400℃，时间4h，铜基弹性合金薄带的抗拉强度1235MPa，电导率17.6％IACS，弹性比功5.494GPa。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铜合金熔体的成分按质量百分数含Ni 10％，Sn 10％；
(2)控制过热度为40℃，中间包预热温度1200℃，铸带厚度1.5mm，连铸时控制液位高度90mm，连铸棍的转速45m/min；铸带出铸辊后控制冷却速度55℃/s，250℃卷取；
(3)冷轧的总压下率85％；冷轧带厚度0.23mm；
(4)时效处理温度420℃，时间3h，铜基弹性合金薄带的抗拉强度1170MPa，电导率16.8％IACS，弹性比功4.467GPa。

Claims (1)

1.一种铜基弹性合金薄带的减量化制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）按设计成分冶炼铜合金，获得铜合金熔体，其成分按质量百分数含Ni 7.5~15%，Sn5~10%，杂质≤0.05%，其余为Cu；
（2）将铜合金熔体通过浇口进入中间包，控制过热度为15~40℃，中间包预热温度1100~1200℃，然后浇入双辊薄带铸轧机进行连铸，制成厚度1.0~3.0mm的铸带，铸带出铸辊后喷水冷却，控制冷却速度≥35℃/s，冷却至250~400℃卷取；连铸时控制液位高度50~100mm，连铸辊的转速35~45m/min；铸带的凝固组织晶粒尺寸50~200μm，凝固组织中孪晶界比例≥30%；
（3）铸带经酸洗和表面处理后进行单阶段冷轧获得冷轧带，其中冷轧的道次压下率为15~20%，总压下率85~95%；
（4）将冷轧带在350~450℃进行时效处理，时间2~8h，获得铜基弹性合金薄带；铜基弹性合金薄带的抗拉强度1050~1327MPa，电导率16.5~18.2%IACS，弹性比功4.225~5.894GPa。
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