CN109763008B

CN109763008B - 一种高强高弹含铌铜合金及其制备方法

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Publication number: CN109763008B
Application number: CN201910228287.6A
Authority: CN
Inventors: 龚深; 李周; 肖柱; 刘斌; 唐帅康
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-06-30
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN109763008A

Abstract

本发明公开了一种高强高弹含铌铜合金及其制备方法，属于铜合金制备技术领域，本发明所述高强高弹含铌铜合金，维氏硬度大于等于420HV，抗拉强度大于等于1300MPa，延伸率大于等于7.5％，合金晶粒均匀且细小，具有超高的强度、塑性和弹性模量，可广泛用于汽车、轨道交通、电子电气、航空航天等高新技术领域；本发明高强高弹含铌铜合金的制备方法，能够有效细化合金的晶粒尺寸，控制析出第二相的大小与分布，强化合金的强度和弹性，提高合金的塑性。

Description

一种高强高弹含铌铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金制备技术领域，具体涉及一种高强高弹含铌铜合金及其制备方法。

背景技术

高强高弹铜合金是一类具有高强度、高弹性模量的铜合金，除了强度和弹性之外，其在抗疲劳、耐腐蚀和耐磨等性能方面也表现优异，主要应用于仪器、航海、电子、石油化工、航空航天等领域，其中应用最为广泛的高强高弹铜合金是铍青铜。随着新一代信息技术产业技术的不断发展，为了满足深加工的需求，对铜合金的晶粒尺寸和各向异性均提出了更高的要求。

铍青铜在非真空条件下进行熔炼时，铍元素挥发性强且易被氧化，铍的氧化物和粉尘会对人体产生危害，甚至具有强致癌性，并会对环境产生较为严重的污染。因此，世界各国都在寻找和研制性能上与铍铜合金相当甚至更优，且环保无害的铜基合金，用以替代铍青铜。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高强高弹含铌铜合金及其制备方法，其晶粒组织细小且均匀，维氏硬度大于等于420HV，抗拉强度大于等于1300MPa，延伸率大于等于7.5％。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供的这种高强高弹含铌铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 18～22％，Mn 18～22％，Al 0.5～2.0％，Nb 0.2～0.5％，Cr 0.2～0.5％，Zr 0.05～0.2％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，所述高强高弹含铌铜合金组织的平均晶粒尺寸为5～30μm。

作为优选，所述高强高弹含铌铜合金由以下组分按重量百分比组成：Ni 19～21％，Mn 19～21％，Al 0.6～0.8％，Nb 0.2～0.4％，Cr 0.2～0.4％，Zr 0.08～0.12％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％。

作为优选，所述高强高弹含铌铜合金组织的平均晶粒尺寸为15μm。

作为优选，所述高强高弹含铌铜合金，维氏硬度大于等于420HV，抗拉强度大于等于1300MPa，延伸率大于等于7.5％。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)真空熔炼：根据铜合金的组分进行配料，采用真空熔炼炉对合金进行熔炼，得到铜合金溶液；

(2)铸造：将铜合金溶液在设定温度下进行铸造，冷却后得到合金铸锭；

(3)均匀化：将铸锭进行均匀化处理，得到均匀化的铸锭；

(4)热轧开坯：开坯总变形量65％～85％，开坯温度800～900℃；

(5)退火处理：将热轧后的合金进行退火处理；

(6)冷轧：冷轧的总变形量为75％～90％，通过大变形冷轧进一步破碎合金的晶粒，形成纤维状的变形组织；

(7)固溶：将冷轧后的合金进行固溶处理；

(8)时效处理：将固溶后的合金进行时效处理，得到所述高强高弹含铌铜合金。

作为优选，步骤(1)中，熔炼温度1250～1350℃。

作为优选，步骤(2)中，浇铸温度1100～1200℃。

作为优选，步骤(3)中，均匀化处理温度为920～940℃，保温时间为4～8h，采用水冷淬火，得到均匀化的铸锭。

作为优选，步骤(5)中，退火处理温度为600～650℃，保温2～4h后取出，采用水冷淬火。

作为优选，步骤(7)中，固溶处理温度为600～650℃，保温2～4h后取出，采用水冷淬火。

作为优选，步骤(8)中，时效处理温度为380～420℃，时效处理时间为12～36h，采用水冷淬火，得到所述高强高弹含铌铜合金。

本发明提供的这种高强高弹含铌铜合金，添加Ni、Mn、Al、Nb、Cr、Zr元素。其中，Ni、Mn作为合金的主元素，主要的强化机制包括固溶强化、析出强化等，Ni与Mn的原子比为1：1，合金时效强化效果是由MnNi相的数量和分布形态来决定的；Al的作用是细化晶粒，并提高合金延伸率及强度；Nb与铜基体是非共格关系，Nb与Cr将形成几百纳米级别的Cr₂Nb相；Cr的作用是在铜基体中析出几十纳米级别的沉淀相，实现对合金多尺度多级别强化；Zr的作用是抑制Cr析出相的长大，使其处于细小的纳米级别。

本发明所述高强高弹含铌铜合金，维氏硬度大于等于420HV，抗拉强度大于等于1300MPa，延伸率大于等于7.5％，合金晶粒均匀且细小，具有超高的强度、塑性和弹性模量，可广泛用于汽车、轨道交通、电子电气、航空航天等高新技术领域。

本发明所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，采用真空熔炼，能够充分排除气体以及低熔炼杂质，纯化坯锭组织。铸锭组织均匀化经过均匀化处理后再进行热轧，可以降低成分不均匀造成变形开裂，同时热轧也可以破碎合金中粗大的晶粒。通过大变形冷轧进一步破碎合金的晶粒，形成纤维状的变形组织。利用固溶处理使得合金组织发生完全再结晶，同时溶质原子回溶于基体中，形成过饱和固溶体。通过时效处理，使得溶质原子以第二相的形式析出，控制时效的温度和时间，使析出第二相细小且均匀的分布在基体中，强化合金的强度。本发明工艺能够有效细化合金的晶粒尺寸，控制析出第二相的大小与分布，强化合金的强度和弹性，提高合金的塑性。

附图说明

图1为本发明高强高弹含铌铜合金的制备工艺流程图。

图2为实施例1中高强高弹含铌铜合金的冷轧后微观组织图。

图3为实施例1中高强高弹含铌铜合金的时效态微观组织图。

图4为实施例1中高强高弹含铌铜合金的应力应变曲线图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

本实施例一种高强高弹含铌铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn22％，Al 1.2％，Nb 0.3％，Cr 0.3％，Zr 0.1％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％。

上述高强高弹含铌铜合金的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)真空熔炼：根据铜合金的组分进行配料，采用真空熔炼炉对合金进行熔炼，熔炼温度1250～1350℃，得到铜合金溶液；

(2)铸造：将铜合金溶液在1100～1200℃下进行铸造，冷却后得到合金铸锭；

(3)均匀化：将铸锭进行均匀化处理，均匀化温度为920℃，时间为8h，得到均匀化的铸锭；

(4)热轧开坯：开坯总变形量65％～75％，开坯温度800～900℃；

(5)退火处理：将热轧后的合金进行退火处理，退火处理温度为630℃，保温时间为2h；

(6)冷轧：冷轧的总变形量为75％～85％，通过大变形冷轧进一步破碎合金的晶粒，形成纤维状的变形组织；

(7)固溶：将冷轧后的合金进行固溶处理，固溶处理温度为630℃，保温时间为2h；

(8)时效处理：将固溶后的合金进行时效处理，时效处理温度为420℃，时效处理时间为24h，采用水冷淬火，得到高强高弹含铌铜合金。

图2为实施例1所得高强高弹含铌铜合金的冷轧后微观组织图，从图2可以看出，通过大变形冷轧进一步破碎合金的晶粒，形成纤维状的变形组织。

图3为实施例1所得高强高弹含铌铜合金的时效态微观组织图，从图3可以得出，所得铜镍锰合金的平均晶粒尺寸约为15μm，合金晶粒均匀且细小。

图4为实施例1所得高强高弹含铌铜合金的应力应变曲线图，从图4可以得出经过420℃时效处理的样品，其强度可达1300MPa以上。

实施例2

本实施例一种高强高弹含铌铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 18％，Mn18％，Al 2.0％，Nb 0.5％，Cr 0.5％，Zr 0.2％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，其制备方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例一种高强高弹含铌铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn22％，Al 0.5％，Nb 0.2％，Cr 0.2％，Zr 0.05％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，其制备方法与实施例1相同。

实施例4

本实施例一种高强高弹含铌铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 20％，Mn20％，Al 0.7％，Nb 0.3％，Cr 0.3％，Zr 0.1％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，其制备方法与实施例1相同。

对比例1

一种铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Nb 0.3％，Cr0.2％，Zr 0.05％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，其制备方法与实施例1相同。

对比例2

一种铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Al 0.7％，Cr0.2％，Zr 0.05％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，其制备方法与实施例1相同。

对比例3

一种铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Al 0.7％，Nb0.2％，Zr 0.05％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，其制备方法与实施例1相同。

对比例4

一种铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Al 0.7％，Nb0.2％，Cr 0.2％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，其制备方法与实施例1相同。

对实施例1～4中制备的高强高弹含铌铜合金，对比例1～4中制备的铜合金进行性能测试，具体如表1所示：

表1为各实施方式所得铜合金性能表

由表1可以看出，NiMn对于合金强度的贡献大；其次，Cr对于合金的强度贡献大，且可以细化晶粒；Zr的添加需要与Cr配合才能有效细化晶粒，以及提高强度；Nb的添加可一定程度提高合金强度，并细化晶粒，提高塑性；Al的添加主要是细化晶粒及提高延伸率。

Claims

1.一种高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) 真空熔炼：根据铜合金的组分进行配料，铜合金由以下组分按重量百分比组成：Ni18~22%，Mn 18~22%，Al 0.5～2.0%，Nb 0.2~0.5%，Cr 0.2~0.5%，Zr 0.05~0.2%，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100%，采用真空熔炼炉对合金进行熔炼，得到铜合金熔液；

(2) 铸造：将铜合金溶液在设定温度下进行铸造，冷却后得到合金铸锭；

(3) 均匀化：将铸锭进行均匀化处理，得到均匀化的铸锭；

(4) 热轧开坯：开坯总变形量65%～85%，开坯温度800～900℃；

(5) 退火处理：将热轧后的合金进行退火处理；

(6) 冷轧：冷轧的总变形量为75%～90%，通过大变形冷轧进一步破碎合金的晶粒，形成纤维状的变形组织；

(7) 固溶：将冷轧后的合金进行固溶处理；

(8) 时效处理：将固溶后的合金进行时效处理，得到所述高强高弹含铌铜合金；

所述高强高弹含铌铜合金组织的平均晶粒尺寸为5～30μm；所述高强高弹含铌铜合金的维氏硬度大于等于420HV，抗拉强度大于等于1300MPa，延伸率大于等于7.5%。

2.根据权利要求1所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，所述高强高弹含铌铜合金由以下组分按重量百分比组成：Ni 19~21%，Mn 19~21%，Al 0.6～0.8%，Nb 0.2~0.4%，Cr 0.2~0.4%，Zr 0.08~0.12%，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100%。

3.根据权利要求1或2所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，所述高强高弹含铌铜合金组织的平均晶粒尺寸为15μm。

4.根据权利要求1所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，浇铸温度1100～1200℃。

5.根据权利要求1所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，均匀化处理温度为920～940℃，保温时间为4～8h，采用水冷淬火，得到均匀化的铸锭。

6.根据权利要求1所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，退火处理温度为600～650℃，保温2～4h后取出，采用水冷淬火。

7.根据权利要求1所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，固溶处理温度为600～650℃，保温2～4h后取出，采用水冷淬火。

8.根据权利要求1所述高强高弹含铌铜合金的制备方法，其特征在于，步骤(8)中，时效处理温度为380～420℃，时效处理时间为12～36h，采用水冷淬火，得到所述高强高弹含铌铜合金。