CN109763019B - 一种高强度高弹性铜镍锰合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高弹性铜镍锰合金及其制备方法，属于特种材料制备技术领域，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。
Description
技术领域
本发明属于特种材料制备技术领域，具体涉及一种高强度高弹性铜镍锰合金及其制备方法。
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。铍青铜是一种性能极其优异的高弹高强铜合金。然而，铍青铜中铍元素具有剧毒，会严重危害人的身体健康；当温度达到200℃以上时，铍青铜的强度和弹性会急剧的下降，其应力松弛率高达40％，这将导致铍青铜在高温服役条件下失效，不能满足材料的高温服役条件。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。
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不含铍元素、高强度、高弹性模量的铜镍锰合金，该铜镍锰合金晶粒组织细小且均匀，维氏硬度大于等于450HV，抗拉强度大于等于1400MPa，延伸率大于等于6％，可以加工制备成高精度的铜合金产品。
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度高弹性铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni18～22％，Mn18～22％，Nb0.2～0.5％，Cr0.2～0.5％，Zr0.05～0.2％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％，所述高强度高弹性铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为5～30μm。
优选的，所述高强度高弹性铜镍锰合金由以下组分按重量百分比组成：Ni19～21％，Mn19～21％，Nb0.2～0.4％，Cr0.2～0.4％，Zr0.08～0.12％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％。
优选的，所述高强度高弹性铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为15μm。
优选的，所述高强度高弹性铜镍锰合金，维氏硬度大于等于450HV，抗拉强度大于等于1400MPa，延伸率大于等于6％。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)真空熔炼：根据铜镍锰合金的组分进行配料，采用真空熔炼炉对合金进行熔炼，得到合金溶液；
(2)铸造：将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，得到所述高强度高弹性铜镍锰合金。
进一步，步骤(1)中，熔炼温度为1250～1350℃。
进一步，步骤(2)中，浇铸温度为1100～1200℃。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，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。
进一步，步骤(8)中，时效处理温度为400～420℃，时效处理时间为10～12h，采用水冷淬火，得到所述高强度高弹性铜镍锰合金。
本发明提供的这种高强度高弹性铜镍锰合金，添加Ni、Mn、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；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。
本发明所述高强度高弹性铜镍锰合金，维氏硬度大于等于450HV，抗拉强度大于等于1400MPa，延伸率大于等于6％，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。
本发明所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，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为本发明高强度高弹性铜镍锰合金的制备工艺流程图。
图2为实施例1所得铜镍锰合金的冷轧后微观组织图。
图3为实施例1所得铜镍锰合金的时效态微观组织图。
图4为实施例1所得铜镍锰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
本实施例一种高强度高弹性铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni20％，Mn20％，Nb0.3％，Cr0.3％，Zr0.1％，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100％。
上述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)真空熔炼：根据铜镍锰合金的组分进行配料，采用真空熔炼炉对合金进行熔炼，熔炼温度为1250～1350℃，得到合金溶液；
(2)铸造：将合金溶液在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，固溶温度为630℃，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12h，采用水冷淬火，得到高强度高弹性铜镍锰合金。
图2为实施例1所得铜镍锰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所得铜镍锰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所得铜镍锰合金的应力应变曲线图，从图4可以得出合金的抗拉强度能达到1400MPa以上。
实施例2
本实施例一种高强度高弹性铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni18％，Mn18％，Nb0.5％，Cr0.5％，Zr0.2％，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
本实施例一种高强度高弹性铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni22％，Mn22％，Nb0.2％，Cr0.2％，Zr0.05％，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
本实施例一种高强度高弹性铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni18％，Mn18％，Nb0.3％，Cr0.3％，Zr0.1％，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
一种铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni22％，Mn22％，Cr0.2％，Zr0.05％，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
一种铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni22％，Mn22％，Nb0.2％，Zr0.05％，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
一种铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni22％，Mn22％，Nb0.2％，Cr0.2％，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中制备的高强度高弹性铜镍锰合金，对比例1～3中制备的铜镍锰合金进行性能测试，具体如表1所示：
表1为各实施方式所得铜镍锰合金性能表
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。
Claims (8)
1.一种高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 真空熔炼：根据铜镍锰合金的组分进行配料，由以下组分按重量百分比组成：Ni18~22%，Mn 18~22%，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，得到合金熔 液；
(2) 铸造：将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，得到所述高强度高弹性铜镍锰合金；
所述高强度高弹性铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为5～30μm；所述高强度高弹性铜镍锰合金，维氏硬度大于等于450HV，抗拉强度大于等于1400MPa，延伸率大于等于6%。
2.根据权利要求1所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，其特征在于，所述高强度高弹性铜镍锰合金由以下组分按重量百分比组成：Ni 19~21%，Mn 19~21%，Nb 0.2~0.4%，Cr0.2~0.4%，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所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，其特征在于，所述高强度高弹性铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为15μm。
4.根据权利要求1所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，浇铸温度1100～1200℃。
5.根据权利要求1所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，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所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，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所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，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所述高强度高弹性铜镍锰合金的制备方法，其特征在于，步骤(8)中，时效处理温度为400～420℃，时效处理时间为10～12h，采用水冷淬火，得到所述高强度高弹性铜镍锰合金。
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