CN108559859B - 一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度导电Cu‑Ti‑Ni‑Si合金，本发明公开了一种高强度导电Cu‑Ti‑Ni‑Si合金的制备方法，包括以下步骤，首先采用一定纯度的铜、海绵钛、镍块和硅块为原料，在真空感应熔炼炉内进行熔炼、浇注，去除表面杂质后，在一定的温度下进行均匀化和固溶处理，随后对合金进行适当的时效处理，即可获得高强度导电铜合金。通过上述方法，与现有高强度导电铜合金制备相比较，本发明的制备方法简单可行，获得的Cu‑Ti‑Ni‑Si合金综合性能优异。

Description

一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金，还涉及Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法。
背景技术
铜基合金因具有优良的导热导电性能及机械性能，被广泛应用于仪器仪表、计算机技术、精密机械制造、通讯技术和导电弹性元件等领域。随着工业技术的快速发展，对铜合金的各项技术指标和服役条件均提出了越来越高的要求。高寿命、高可靠性的工作能力以及绿色环保已经成为铜合金发展的主要方向。例如，继电器中的接触簧片在工作时的温度达到或者超过150℃，因此要求该材料不仅导电弹性性能好，还需在150℃以上保持性能稳定，能够继续保持优良的导电性能和弹性性能。目前，铜基合金应用最为广泛的是Cu-Be合金。Cu-Be合金具有高的强度、硬度、弹性、耐磨性、抗疲劳性及导电性能等，是理想的接触簧片材料，但Cu-Be合金存在高温性能差、价格昂贵、成本高、有毒等缺点。贵金属材料的导电导热及抗弧性能优良，表面镀金后还能够做触点材料，但是其强度及弹性模量低且原材料昂贵。
开发出一种新型环保、力学和电学综合性能良好的高性能导电铜合金已成为国内外研究的重点。前苏联、日本、美国和中国等国家都相继开发并大量使用Cu-Ni-Sn、Cu-Ni-Al、“卡密林”、“卡密隆”等新型无铍高强度弹性铜合金，但是其导电率均太低，均不能满足继电器对铜合金导电率大于25％IACS的基本要求。因此研究开发出一种新型高性能导电铜合金有着重要的工程意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金，解决现有技术中Cu-Ti合金强度很高而导电率低，两者无法兼并的问题。
本发明的另一个目的是提供一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金，按质量百分比由以下组分组成：Cu 91.5-95.3％、Si 0.2-1.2％、Ti 2.0-3.5％、Ni 2.5-3.8％，以上各组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，按质量百分比称取以下材料：铜块91.5-95.3％、硅块0.2-1.2％、海绵钛2.0-3.5％和镍块2.5-3.8％，以上各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至750-820℃后保温1.5-4小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，随后取出进行水淬处理，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至450-520℃，保温1.5-3小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
本发明的特点还在于，
步骤2的熔炼真空度不小于10-3Pa。
步骤4的固溶处理温度为780-880℃，保温3-6小时。
步骤4的水淬水温为20-30℃。
步骤1的铜块纯度不小于99.9％。
步骤1镍块纯度不小于99.9％。
步骤1硅块纯度不小于99.9％。
步骤1海绵钛纯度不小于99.9％。
本发明的有益效果是：本发明的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金，通过简单热处理的方法，能够使合金中析出细小的棒状析出相，使合金中的固溶原子数量大量减小，从而提高导电率，即可在保证Cu-Ti-Ni-Si合金强度不降低的情况下，有效地提高了合金的导电率，使Cu-Ti-Ni-Si合金具有优良的综合性能。
附图说明
图1是本发明一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法流程图；
图2是本发明一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金显微组织照片。
具体实施方式
本发明提供的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金，按质量百分比由以下组分组成：Cu 91.5-95.3％、Si 0.2-1.2％、Ti 2.0-3.5％、Ni 2.5-3.8％，以上各组分质量百分比之和为100％。
一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法具体流程如图1所示，操作步骤如下：
步骤1，按质量百分比称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜块91.5-95.3％、纯度不小于99.9％的硅块0.2-1.2％、纯度不小于99.9％的海绵钛2.0-3.5％和纯度不小于99.9％的镍块2.5-3.8％，以上各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度不小于10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至750-820℃后保温1.5-4小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行保温处理，保温温度为780-880℃，保温3-6小时，随后取出进行水淬处理，水淬水温为20-30℃，即得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至450-520℃，保温1.5-3小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
步骤1，称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜块12.39kg、纯度不小于99.9％的硅块0.025kg、纯度不小于99.9％的海绵钛0.26kg、、纯度不小于99.9％的镍块0.325kg；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度0.5×10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至750℃后保温4小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，固溶处理温度为880℃，保温3小时；随后取出进行水淬处理，水淬水温为25℃，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至450℃，保温3小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
实施例2
步骤1，称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜块18.3kg、纯度不小于99.9％的硅块0.24kg、纯度不小于99.9％的海绵钛0.7kg、纯度不小于99.9％的镍块0.76kg；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度0.3×10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至820℃后保温1.5小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，固溶处理温度为780℃，保温6小时；随后取出进行水淬处理，水淬水温为22℃，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至520℃，保温1.5小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
实施例3
步骤1，称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜块18.6kg、纯度不小于99.9％的硅块0.14kg、纯度不小于99.9％的海绵钛0.56kg、纯度不小于99.9％的镍块0.7kg；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度0.5×10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至785℃后保温3小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，固溶处理温度为830℃，保温4.5小时；随后取出进行水淬处理，水淬水温为25℃，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至485℃，保温2.2小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
实施例4
步骤1，称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜块11.98kg、纯度不小于99.9％的硅块0.064kg、纯度不小于99.9％的海绵钛0.38kg和纯度不小于99.9％的镍块0.38kg；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度0.3×10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至800℃后保温2小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，固溶处理温度为850℃，保温4小时；随后取出进行水淬处理，水淬水温为20℃，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至500℃，保温2小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
实施例5
步骤1，称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜块12.31kg、纯度不小于99.9％的硅块0.068kg、纯度不小于99.9％的海绵钛0.35kg、纯度不小于99.9％的镍块0.41kg；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度0.1×10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至780℃后保温2.5小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，固溶处理温度为820℃，保温4.5小时；随后取出进行水淬处理，水淬水温为30℃，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至510℃，保温1.8小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
实施例6
步骤1，称取以下材料：纯度不小于99.9％的铜块11.85kg、纯度不小于99.9％的硅块0.071kg、纯度不小于99.9％的海绵钛0.48kg和纯度不小于99.9％的镍块0.43kg，以上各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼真空度0.9×10-3Pa，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至820℃后保温1.5小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，固溶处理温度为830℃，保温4小时；随后取出进行水淬处理，水淬水温为25℃，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至480℃，保温3小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金。
图2是Cu-Ti-Ni-Si合金显微组织图片，可以看出，合金基体中分散着许多不规则颗粒相及细小的棒状析出相，能够起到强化基体的作用，使合金强度增加，同时析出相的形成能够净化基体，使合金导电率得到进一步回升。
实施例与Cu-Ti合金性能参数如表1所示
表1实施例与Cu-Ti合金性能参数比较
Figure BDA0001660812320000091
由实施例4到实施例6可以明显看出，本发明方法制备的Cu-Ti-Ni-Si合金与Cu-Ti合金相比较，在强度与硬度降低不多的情况下，Cu-Ti-Ni-Si合金导电率与延伸率得到大幅度提高，制备出一种综合性能优良的高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金，解决了Cu-Ti合金导电性能很差这一问题。

Claims (7)

1.一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1，按质量百分比称取以下材料：铜块91.5-95.3％、硅块0.2-1.2％、海绵钛2.0-3.5％和镍块2.5-3.8％，以上各组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将所述铜块、海绵钛、镍块和硅块放入镁砂坩埚中，随后将放有原材料的镁砂坩埚置入真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼完成后放入水冷铜坩埚中浇注，得到合金铸锭；
步骤3，将所述合金铸锭表面进行清理，放入气氛保护炉中，升温至750-820℃后保温1.5-4小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，获得均匀化合金铸锭；
步骤4，将所述均匀化合金铸锭放入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，进行固溶处理，固溶处理温度为780-880℃，保温3-6小时，随后取出进行水淬处理，得到固溶处理后合金铸锭；
步骤5，将所述固溶处理后合金铸锭再次置入开启式真空-气氛管式炉中，通入保护气体，升温至450-520℃，保温1.5-3小时，保温结束后随炉自然冷却至室温，得到高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金；
所述高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金，按质量百分比由以下组分组成：Cu 91.5-95.3％、Si 0.2-1.2％、Ti 2.0-3.5％、Ni 2.5-3.8％，以上各组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤2所述的熔炼真空度不小于10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤4所述的水淬水温为20-30℃。
4.根据权利要求1所述的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤1所述的铜块纯度不小于99.9％。
5.根据权利要求1所述的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤1所述镍块纯度不小于99.9％。
6.根据权利要求1所述的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤1所述硅块纯度不小于99.9％。
7.根据权利要求1所述的一种高强度导电Cu-Ti-Ni-Si合金的制备方法，其特征在于，步骤1所述海绵钛纯度不小于99.9％。
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