CN109628791B - 一种铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种铜合金，包括以下质量百分数的组分：0.20％～0.60％的Ni，0.20％～0.40％的Co，0.20％～0.70％的Mn，0.20％～0.70％的P，余量为Cu以及不可避免的杂质；本申请还提供了一种上述铜合金的制备方法；通过配方强化与工艺强化，实现了强强联合，使得铜合金的抗拉强度≥750MPa，电导率≥85％IACS，同时具有良好的抗软化性能和抗应力松弛性能，抗软化温度≥550℃，可广泛的应用于多种工业生产领域。

Description

一种铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铜合金材料技术领域，尤其是涉及一种高强高导Cu-Ni-Co-Mn-P铜合金及其制备方法。
背景技术
高强高导铜合金具有强度高、导电好、耐疲劳、耐腐蚀等优良特性，被广泛地应用在大规模集成电路的引线框架、大型高速涡轮发电机的转子导线、触头材料、各种点焊、滚焊机的电极、大型电动机车的架空导线、电动工具的换向器、高压开关簧片、微波管以及宇航飞行器元器件等。
目前，开发的高强高导铜合金主要有Cu-Fe-P、Cu-Cr-X(X＝Zr,Ti,Ag)、Cu-Ni-Si、Cu-Ni-Sn系列。
但目前所开发的高强高导铜合金不能完全达到抗拉强度≥650MPa，且同时电导率≥85％IACS。
因此，如何提供一种强度高且导电好铜合金，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铜合金，该铜合金具有高强度以及高导电性。本发明的另外一个目的是提供一种上述铜合金的制备方法。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种铜合金，包括以下质量百分数的组分：0.20％～0.60％的Ni，0.20％～0.40％的Co，0.20％～0.70％的Mn，0.20％～0.70％的P，余量为Cu以及不可避免的杂质。
优选的，1≤(Ni元素的质量百分数/Co元素的质量百分数)≤1.5；
(Ni元素的质量百分数+Co元素的质量百分数)：Mn元素的质量百分数：P元素的质量百分数＝1：(0.8～1)：(0.8～1)。
优选的，包括以下质量百分数的组分：0.30％～0.40％的Ni，0.20％～0.30％的Co，0.30％～0.40％的Mn，0.20％～0.30％的P，余量为Cu以及不可避免的杂质。
一种上述中的任意一项所述的铜合金的制备方法，包括依次进行的熔铸、热轧、铣面、粗轧、钟罩退火、中轧、气垫式光亮退火、精轧留底、气垫式光亮退火、精轧以及钟罩时效。
优选的，包括以下步骤：
1)熔铸：先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1230±10℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1220±10℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1210±10℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为900℃～950℃，保温时间为6h～8h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.5mm～1.0mm，下刀的铣面铣削量为0.5mm～1.0mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为80％～90％；
5)钟罩退火：退火温度为500℃～600℃，保温时间为5h～7h；
6)中轧：中轧的压下率为55％～75％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为700℃～800℃，速度为5～10m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为50％～70％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为700℃～800℃，速度为5～10m/min；
10)精轧：精轧的压下率为25％～35％；
11)钟罩时效：时效温度为400℃～450℃，保温时间为4h～8h，完成后制得所述铜合金。
本申请提供了一种铜合金，包括以下质量百分数的组分：0.20％～0.60％的Ni，0.20％～0.40％的Co，0.20％～0.70％的Mn，0.20％～0.70％的P，余量为Cu以及不可避免的杂质；本申请还提供了一种上述铜合金的制备方法；
本发明的加入的Ni与P主要起时效析出强化和阻碍再结晶的作用，组织细小均匀，析出相弥散分布，同时Ni-P时效析出相在铜基体中的固溶度要低于Ni-Si、Cr-Zr、Ni-Sn时效析出相，因为，固溶在合金中的元素和晶界等都会使基体产生晶格畸变，会加大对电子的散射，从而降低合金的导电率，因此本发明的合金体系在保证强度的同时还能表现更优异的导电性能；
本发明加入元素Mn，因其明显的固溶强化作用和形成(Ni,Co)Mn弥散强化作用，使合金材料的导电性得到了恢复，且强度得到了提高；
本发明加入元素Co，因其室温下在铜的固溶度低于0.01％，因其比Ni元素有更明显的固溶时效强化作用，使合金的强度得到提升，从而又不损害合金的导电性；
本发明通过加入Ni、Co、P、Mn等元素，一方面Ni和P形成NiP相、Ni/Co和Mn形成(Ni,Co)Mn相，可起到析出强化的作用，另一方面，这些元素的相互作用，可以进一步降低固溶体中溶质原子的含量，减小了基体的晶格畸变和对电子的散射，提高了材料的导电性能，从而获得了强度和导电性能的优良匹配，克服了强度的提高通常带来导电性能急剧下降的问题；
从而使得本申请提供的铜合金的抗拉强度≥750MPa，电导率≥85％IACS，同时具有良好的抗软化性能和抗应力松弛性能，抗软化温度≥550℃，可广泛的应用于大规模集成电路的引线框架、大型高速涡轮发电机的转子导线、触头材料、各种点焊、滚焊机的电极、大型电动机车的架空导线、电动工具的换向器、高压开关簧片、微波管以及宇航飞行器元器件等。
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。
本申请提供了一种铜合金，包括以下质量百分数的组分：0.20％～0.60％的Ni，0.20％～0.40％的Co，0.20％～0.70％的Mn，0.20％～0.70％的P，余量为Cu以及不可避免的杂质。
在本申请的一个实施例中，1≤(Ni元素的质量百分数/Co元素的质量百分数)≤1.5；
若Co含量太高，在凝固过程中会形成过多的初生相，在固溶处理时很难回溶到铜基体中，从而降低合金的加工性能；若Co含量太少，则合金强度不足，故1≤(Ni元素的质量百分数/Co元素的质量百分数)≤1.5；
(Ni元素的质量百分数+Co元素的质量百分数)：Mn元素的质量百分数：P元素的质量百分数＝1：(0.8～1)：(0.8～1)；
一方面，Ni/Co、Mn、P三者元素在铜中经过固溶时效处理后，可形成(Ni,Co)MnP三元析出相，该合金可以显著提高合金的强度而不使导电性能下降太多；另一方面，因Mn、P两元素固溶在铜中会显著降低铜的导电性能，故在本方面的成分设计中，要使Ni、P两元素全部形成(Ni,Co)MnP三元析出相，故(Ni元素的质量百分数+Co元素的质量百分数)：Mn元素的质量百分数：P元素的质量百分数＝1：(0.8～1)：(0.8～1)。
本发明中用Co替代部分Ni形成的Cu-Ni-Co-Mn-P合金，因为Co在Cu中的固溶度较小而易于与空位结合，致使铜合金空位大量减少，抑制了可动位错的滑移，从而提高抗软化性能和抗应力松弛性能。另一方面，Co替代部分Ni之后，促进了(Ni,Co)MnP三元析出相的析出，析出相弥散均匀的分布在合金基体中，在发生应力松弛过程中，移动的可动位错在遇到弥散分布的第二相之后，会被第二相所钉扎，这时可动位错会在第二相周围形成稳定的Conttroll气团，位错团会阻碍可动位错的运动，从而提高了抗软化性能和抗应力松弛性能。
在本申请的一个实施例中，上述铜合金包括以下质量百分数的组分：0.30％～0.40％的Ni，0.20％～0.30％的Co，0.30％～0.40％的Mn，0.20％～0.30％的P，余量为Cu以及不可避免的杂质。
本申请还提供了一种上述中的任意一项所述的铜合金的制备方法，包括依次进行的熔铸、热轧、铣面、粗轧、钟罩退火、中轧、气垫式光亮退火、精轧留底、气垫式光亮退火、精轧以及钟罩时效。
在本申请的一个实施例中，上述的制备方法包括以下步骤：
1)熔铸：先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1230±10℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1220±10℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1210±10℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为900℃～950℃，保温时间为6h～8h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.5mm～1.0mm，下刀的铣面铣削量为0.5mm～1.0mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为80％～90％；
5)钟罩退火：退火温度为500℃～600℃，保温时间为5h～7h；
6)中轧：中轧的压下率为55％～75％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为700℃～800℃，速度为5～10m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为50％～70％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为700℃～800℃，速度为5～10m/min；
10)精轧：精轧的压下率为25％～35％；
11)钟罩时效：时效温度为400℃～450℃，保温时间为4h～8h，完成后制得所述铜合金。
本申请提供了一种铜合金，包括以下质量百分数的组分：0.20％～0.60％的Ni，0.20％～0.40％的Co，0.20％～0.70％的Mn，0.20％～0.70％的P，余量为Cu以及不可避免的杂质；本申请还提供了一种上述铜合金的制备方法；通过配方强化与工艺强化，实现了强强联合，从而使得本申请提供的铜合金的抗拉强度≥750MPa，电导率≥85％IACS，同时具有良好的抗软化性能和抗应力松弛性能，抗软化温度≥550℃，可广泛的应用于大规模集成电路的引线框架、大型高速涡轮发电机的转子导线、触头材料、各种点焊、滚焊机的电极、大型电动机车的架空导线、电动工具的换向器、高压开关簧片、微波管以及宇航飞行器元器件等。
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
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例1。
本实施例1中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1235℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1225℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1215℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为900℃，保温时间为6h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为80％；
5)钟罩退火：退火温度为500℃，保温时间为5h；
6)中轧：中轧的压下率为70％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为800℃，速度为5m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为50％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为750℃，速度为5m/min；
10)精轧：精轧的压下率为35％；
11)钟罩时效：时效温度为450℃，保温时间为4h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例1的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
实施例2
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例2。
本实施例2中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1230℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1230℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1215℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为920℃，保温时间为6h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为85％；
5)钟罩退火：退火温度为550℃，保温时间为7h；
6)中轧：中轧的压下率为75％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为850℃，速度为8m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为55％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为750℃，速度为5m/min；
10)精轧：精轧的压下率为30％；
11)钟罩时效：时效温度为430℃，保温时间为6h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例2的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
实施例3
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例3。
本实施例3中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1225℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1220℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1210℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为930℃，保温时间为5h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为90％；
5)钟罩退火：退火温度为570℃，保温时间为7h；
6)中轧：中轧的压下率为70％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为830℃，速度为9m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为60％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为750℃，速度为6m/min；
10)精轧：精轧的压下率为30％；
11)钟罩时效：时效温度为430℃，保温时间为6h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例3的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
实施例4
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例4。
本实施例4中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1230℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1225℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1210℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为950℃，保温时间为4h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为88％；
5)钟罩退火：退火温度为560℃，保温时间为6h；
6)中轧：中轧的压下率为72％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为810℃，速度为10m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为70％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为750℃，速度为8m/min；
10)精轧：精轧的压下率为25％；
11)钟罩时效：时效温度为430℃，保温时间为6h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例4的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
实施例5
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例5。
本实施例5中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1230℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1225℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1210℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为910℃，保温时间为7h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为82％；
5)钟罩退火：退火温度为590℃，保温时间为7h；
6)中轧：中轧的压下率为75％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为840℃，速度为7m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为72％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为760℃，速度为6m/min；
10)精轧：精轧的压下率为30％；
11)钟罩时效：时效温度为410℃，保温时间为7h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例5的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
实施例6
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例6。
本实施例6中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1220℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1220℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1215℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为900℃，保温时间为8h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为80％；
5)钟罩退火：退火温度为590℃，保温时间为7h；
6)中轧：中轧的压下率为75％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为850℃，速度为7m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为75％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为760℃，速度为8m/min；
10)精轧：精轧的压下率为35％；
11)钟罩时效：时效温度为430℃，保温时间为7h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例6的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
实施例7
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例7。
本实施例7中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1220℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1220℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1215℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为950℃，保温时间为5h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为88％；
5)钟罩退火：退火温度为580℃，保温时间为5h；
6)中轧：中轧的压下率为73％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为850℃，速度为7m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为74％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为760℃，速度为8m/min；
10)精轧：精轧的压下率为33％；
11)钟罩时效：时效温度为420℃，保温时间为7h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例7的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
实施例8
一种铜合金，其组分及其含量见表1中的实施例8。
本实施例8中的上述铜合金的制备方法，包括以下步骤：
1)熔铸：采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍、纯钴、纯锰、铜磷中间合金；
先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1220℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1220℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1215℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为940℃，保温时间为5h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.7mm，下刀的铣面铣削量为0.7mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为87％；
5)钟罩退火：退火温度为580℃，保温时间为5h；
6)中轧：中轧的压下率为74％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为850℃，速度为8m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为75％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为760℃，速度为6m/min；
10)精轧：精轧的压下率为32％；
11)钟罩时效：时效温度为430℃，保温时间为6h，完成后制得所述铜合金。
对本实施例8的制备方法制得的铜合金取样进行性能检测，结果见表2。
表1实施例1-8的铜合金成分配方(wt％)
Figure BDA0001898698350000121
表2实施例1-8的铜合金性能表
Figure BDA0001898698350000122
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。

Claims (2)

1.一种铜合金的制备方法，其特征在于，包括依次进行的熔铸、热轧、铣面、粗轧、钟罩退火、中轧、气垫式光亮退火、精轧留底、气垫式光亮退火、精轧以及钟罩时效；
包括以下步骤：
1)熔铸：先将Cu、Ni、Co以及Mn在覆盖煅烧木炭与电极石墨粉的条件下熔化，然后加入铜磷中间合金，然后捞渣，然后将熔液温度升温至1230±10℃，然后除气，然后将熔液温度控制在1220±10℃进行取样分析，然后成分调整，然后将熔液温度控制在1210±10℃进行拉铸；
2)热轧：热轧温度为900℃～950℃，保温时间为6h～8h；
3)铣面：上刀的铣面铣削量为0.5mm～1.0mm，下刀的铣面铣削量为0.5mm～1.0mm；
4)粗轧：粗轧的压下率为80％～90％；
5)钟罩退火：退火温度为500℃～600℃，保温时间为5h～7h；
6)中轧：中轧的压下率为55％～75％；
7)气垫式光亮退火：退火温度为700℃～800℃，速度为5～10m/min；
8)精轧留底：精轧留底的压下率为50％～70％；
9)气垫式光亮退火：退火温度为700℃～800℃，速度为5～10m/min；
10)精轧：精轧的压下率为25％～35％；
11)钟罩时效：时效温度为400℃～450℃，保温时间为4h～8h，完成后制得所述铜合金；
所述铜合金包括以下质量百分数的组分：0.20％～0.60％的Ni，0.20％～0.40％的Co，0.20％～0.70％的Mn，0.20％～0.70％的P，余量为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，1≤(Ni元素的质量百分数/Co元素的质量百分数)≤1.5；
(Ni元素的质量百分数+Co元素的质量百分数)：Mn元素的质量百分数：P元素的质量百分数＝1：(0.8～1)：(0.8～1)。
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