CN109943750B

CN109943750B - 一种超高强高弹铜镍锰合金及其制备方法

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Publication number: CN109943750B
Application number: CN201910229166.3A
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: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN109943750A

Abstract

本发明公开了一种超高强高弹铜镍锰合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域，本发明通过多尺度多重强化机制叠加，合理抑制不连续析出，从而达到超高强高弹的设计目的；Ni、Mn作为合金的主元素，除了提供固溶强化之外，还通过析出MnNi相来达到析出强化效果；Si的作用是优先析出Ni₂Si相，占据不连续析出的形核点位，从而起到抑制不连续析出作用；Nb与基体是非共格关系，与Cr将形成几百纳米级别的Cr₂Nb相；Cr的作用是在基体中析出几十纳米级别的沉淀相；Zr的作用是抑制Cr相的长大；本发明制备铜合金晶粒均匀且细小，具有超高的强度、弹性和塑性，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。

Description

一种超高强高弹铜镍锰合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料及其制备技术领域，具体涉及一种超高强高弹铜镍锰合金及其制备方法。

背景技术

高强高弹铜镍锰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，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。

铜镍锰合金中，锰与镍形成的MnNi化合物具有细化晶粒的作用，且可借助MnNi的沉淀硬化提高合金的力学性能和加工性能。铜镍合金加入锰后，电阻值稳定，电阻温度系数较小，具有良好的导电性能。研究表明，铜镍锰合金是可通过热处理强化、且具备高强、高弹和优良导电性能的新型弹性合金。然而，现有的铜镍锰合金的抗拉强度、延伸率不能满足特殊领域的需求，如航空航天、轨道交通等，在铜镍锰合金的高温熔炼铸造过程中，极易吸气，导致铸锭内部存在大量的气孔、夹杂、疏松等缺陷，合金在轧制过程中易开裂，至今尚未得到较好的应用。

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超高强高弹铜镍锰合金及其制备方法，维氏硬度大于等于480HV，抗拉强度大于等于1500MPa，延伸率大于等于5％。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供的这种超高强高弹铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 18～22％，Mn 18～22％，Si 0.2～0.5％，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％，所述超高强高弹铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为5～30μm。

在一个具体实施方式中，所述超高强高弹铜镍锰合金由以下组分按重量百分比组成：Ni 19～21％，Mn 19～21％，Si 0.2～0.4％，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％。

在一个具体实施方式中，所述超高强高弹铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为15μm。

在一个具体实施方式中，所述超高强高弹铜镍锰合金，维氏硬度大于等于480HV，抗拉强度大于等于1500MPa，延伸率大于等于5％。

本发明还提供了所述超高强高弹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，采用真空熔炼炉对铜镍锰合金进行熔炼，得到合金溶液；

(2)铸造：将合金溶液在设定温度下进行铸造，水冷后得到合金铸锭；

(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900～950℃；

(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)一级时效：将冷轧后的合金进行一级时效处理；

(8)固溶：将一级时效处理后的合金进行固溶处理；

(9)二级时效：将固溶后的合金进行二级时效处理，得到所述超高强高弹铜镍锰合金。

在一个具体实施方式中，步骤(1)中，熔炼温度为1250～1350℃。

在一个具体实施方式中，步骤(2)中，浇铸温度为1100～1200℃。

在一个具体实施方式中，步骤(3)中，均匀化处理温度为940～980℃，保温时间为4～8h，采用水冷淬火，得到均匀化的铸锭。

在一个具体实施方式中，步骤(5)中，退火处理温度为600～650℃，保温1～2h后取出，采用水冷淬火。

在一个具体实施方式中，步骤(7)中，一级时效处理温度为450℃，保温时间为6～10h，采用水冷淬火。

在一个具体实施方式中，步骤(8)中，固溶处理温度为600～650℃，保温1～2h后取出，采用水冷淬火。

在一个具体实施方式中，步骤(9)中，二级时效处理温度为400～420℃，保温时间为12～24h，采用水冷淬火，得到所述超高强高弹铜镍锰合金。

本发明提供的这种超高强高弹铜镍锰合金，添加Ni、Mn、Si、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；适量Si的作用是优先析出Ni₂Si相，占据不连续析出的形核点位，从而起到抑制不连续析出的目的；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。

本发明所述超高强高弹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。

本发明超高强高弹铜镍锰合金的制备工艺，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为本发明超高强高弹铜镍锰合金的制备工艺流程图。

图2为实施例1中超高强高弹铜镍锰合金的冷轧后微观组织图。

图3为实施例1中超高强高弹铜镍锰合金的铸造态微观组织图。

图4为实施例1中超高强高弹铜镍锰合金的时效态微观组织图。

图5为实施例1中超高强高弹铜镍锰合金的时效硬化曲线图。

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

本实施例一种超高强高弹铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 20％，Mn 20％，Si 0.3％，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％。

上述超高强高弹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，采用真空熔炼炉对铜镍锰合金进行熔炼，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，水冷后得到合金铸锭；

(3)均匀化：将铸锭进行均匀化处理，均匀化温度为960℃，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900～920℃；

(5)退火处理：将热轧后的合金进行退火处理，退火温度为630℃，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)一级时效：将冷轧后的合金进行一级时效处理，时效处理温度为450℃，时效处理时间为8h，采用水冷淬火；

(8)固溶：将一级时效后的合金进行固溶处理，固溶温度为630℃，时间为2h；

(9)二级时效：将固溶后的合金进行二级时效处理，时效处理温度为400℃，保温时间为24h，采用水冷淬火，得到超高强高弹铜镍锰合金。

图2为实施例1所得超高强高弹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中超高强高弹铜镍锰合金的铸造态微观组织图，从图3可以看出基体发生完全再结晶，晶粒细小且均匀。

图4为实施例1所得超高强高弹铜镍锰合金的时效态微观组织图，从图4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5为实施例1所得超高强高弹铜镍锰合金的时效硬化曲线图，从图5可以得出合金经过400℃时效处理20小时后，合金硬度达到峰值，且几乎不随保温时间继续增加而变化。

实施例2

本实施例一种超高强高弹铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 18％，Mn 18％，Si 0.5％，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

本实施例一种超高强高弹铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Si 0.2％，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

本实施例一种超高强高弹铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 18％，Mn 22％，Si 0.4％，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

一种铜镍锰合金，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

一种铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Si 0.4％，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

一种铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Si 0.4％，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

一种铜镍锰合金，由以下组分按重量百分比组成：Ni 22％，Mn 22％，Si 0.4％，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中制备的超高强高弹铜镍锰合金，对比例1～4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，1)合金性能对Si含量比较敏感，特别是延伸率数据和强度数据，合适的Si含量是保证合金塑性的关键，且添加Si是进一步提高合金强度的主要来源；2)Nb、Cr、Zr的联合添加，能一定程度的提高合金强度，并细化合金晶粒。

Claims

1.一种超高强高弹铜镍锰合金，其特征在于，由以下组分按重量百分比组成：Ni 18~22%，Mn 18~22%，Si 0.2～0.5%，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%，所述超高强高弹铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为5～30μm；

所述超高强高弹铜镍锰合金，维氏硬度大于等于480HV，抗拉强度大于等于1500MPa，延伸率大于等于5%；

所述超高强高弹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，采用真空熔炼炉对铜镍锰合金进行熔炼，得到合金溶液；

(2) 铸造：将合金溶液在设定温度下进行铸造，水冷后得到合金铸锭；

(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900～950℃；

(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) 一级时效：将冷轧后的合金进行一级时效处理；

(8) 固溶：将一级时效处理后的合金进行固溶处理；

(9) 二级时效：将固溶后的合金进行二级时效处理，得到所述超高强高弹铜镍锰合金；

步骤(7)中，一级时效处理温度为450℃，保温时间为6～10h，采用水冷淬火；

步骤(8)中，固溶处理温度为600～650℃，保温1～2h后取出，采用水冷淬火；

步骤(9)中，二级时效处理温度为400～420℃，保温时间为12～24h，采用水冷淬火，得到所述超高强高弹铜镍锰合金。

2.根据权利要求1所述的超高强高弹铜镍锰合金，其特征在于，所述超高强高弹铜镍锰合金由以下组分按重量百分比组成：Ni 19~21%，Mn 19~21%，Si 0.2～0.4%，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所述的超高强高弹铜镍锰合金，其特征在于，所述超高强高弹铜镍锰合金组织的平均晶粒尺寸为15μm。

4.根据权利要求1所述超高强高弹铜镍锰合金，其特征在于，步骤(2)中，浇铸温度为1100～1200℃。

5.根据权利要求1所述超高强高弹铜镍锰合金，其特征在于，步骤(3)中，均匀化处理温度为940～980℃，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所述超高强高弹铜镍锰合金，其特征在于，步骤(5)中，退火处理温度为600～650℃，保温1～2h后取出，采用水冷淬火。