CN110066942A - 一种超高强高韧高导电铜镍锡合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高强高韧高导电铜镍锡合金，该铜镍锡合金中包含镍、锡、钇、铌、钪和铈元素，且钇、铌、钪、铈元素的总质量≤铜镍锡合金质量的0.5％。该铜镍锡合金具有较高的强度、韧性和导电性，应用范围广。本发明还提供了该铜镍锡合金的制备方法，具体为：按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末；将合金粉末采用热等静压烧结，得到铜镍锡合金锭坯；之后对铜镍锡合金锭坯进行固溶处理、温变形强化处理，得到超高强高韧高导电铜镍锡合金。该制备方法实现和利用了多重复合因素强韧化铜合金，所得到的铜镍锡合金同时具有细晶强化、形变强化、弥散强化和沉淀硬化的特征，从而获得了较高的强度、韧性和导电性。
Description
技术领域
本发明属于金属材料强韧化和加工技术领域，尤其涉及一种超高强高韧高导电铜镍锡合金及其制备方法。
背景技术
随着航空、航天、油气开采、航海等工业的发展，对用于关键部位轴承的耐磨耐蚀铜合金材料提出了更高的要求。高使用寿命、高强度、高负载、高韧性、高可靠性、优良的耐磨耐蚀性且绿色环保已经成为耐磨耐蚀铜合金材料的主要方向。现有的耐磨耐蚀铜合金主要包括QAl 10-3-1.5铝青铜、QAl 10-4-4铝青铜、QAl 10-4-4-1铝青铜、ZBAl 16-3-1.5铝白铜以及Cu-Be合金。其中，铝青铜和铝白铜的强度在600MPa-800MPa，强度无法满足高端设备研制的要求。Cu-Be合金虽然具有高强度、优良的耐磨耐蚀性能及高韧性等，但是该合金中含有Be这一剧毒元素而给人类健康带来严重威胁，而且其作为轴承在使用过程中将产生含Be的粉尘，给环境带来危害。铜镍锡合金是一种具有高强度和优良的耐磨耐蚀性能的高端耐磨耐蚀白铜合金，特别是Cu-15Ni-8Sn合金的强度可高达1100MPa，与Cu-Be合金的强度相当，可用于制造高负载、高速、高耐磨腐蚀环境下使用的轴承、轴套、等耐磨部件。
铜镍锡合金是典型的时效强化型合金。合金在时效过程中，过饱和固溶体先产生调幅分解相变，迅速提高合金的强度和硬度。随时效时间的延长，调幅结构不断粗化直至在合金基体内或晶界处析出相应的纳米级的金属间化合物(CuxNi1-x)3Sn，进一步延长时效时间，在合金的晶界处将析出片层状的不连续析出相(胞状析出)。其中纳米级的析出相将提升合金的强度和韧性，胞状析出相会给合金的强度带来不利的影响。
目前，制备铜镍锡合金的主要技术路线为：熔铸→均匀化处理→固溶→冷变形→时效。它主要是通过控制时效温度和时效时间来控制合金的性能，但是在时效过程中，纳米级析出相的析出量很少，不能大幅提升合金的强度和塑性。
因此，亟需研究开发一种新的制备方法，使铜镍锡合金中出现多种强化机制复合的强韧化效果，大幅提升合金的强度和韧性，提高铜镍锡合金的综合性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种超高强高韧高导电铜镍锡合金及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种超高强高韧高导电铜镍锡合金，以质量百分比计，所述铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍12-20％、锡5-10％、钇0.05-0.3％、铌0.05-0.3％、钪0.05-0.2％、铈0.05-0.25％，且钇、铌、钪、铈元素的总质量≤铜镍锡合金质量的0.5％，余量为铜以及不可避免的杂质。
上述的超高强高韧高导电铜镍锡合金，优选的，以质量百分比计，所述铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍13.5-15.5％、锡6-8.5％、钇0.1-0.2％、铌0.15-0.25％、钪0.05-0.15％、铈0.05-0.15％，余量为铜以及不可避免的杂质。
上述的超高强高韧高导电铜镍锡合金，优选的，以质量百分比计，所述铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍15％、锡8％、钇0.2％、铈0.05％、钪0.1％、铌0.15％，余量为铜以及不可避免的杂质。
本发明的超高强高韧高导电铜镍锡合金，以铜、镍、锡元素作为合金的基体元素，考虑到镍含量越高合金的硬度越大，锡含量越高合金中越容易发生锡的偏析，造成合金成分分布不均匀，而锡含量偏低的时候，锡只能与铜、镍形成数量较少的强化相，也将造成合金的力学性能偏低，将铜、镍、锡元素的添加量协同控制在本发明的范围内。此外，本发明还通过添加微量钇元素显著细化晶粒，使晶界处及晶内析出少量纳米球形粒子阻碍晶界运动，抑制不连续胞状析出，提升合金的强度，同时还能提升合金在高温下的强度和抗氧化性能。通过添加微量铈元素净化晶界，细化组织，改善合金冷热加工性能，提高合金的强度和电学性能。而铌元素自身具有优异的延展性且铌在铜镍中的固溶度少，通过添加少量的铌可提升合金的延伸率，提高合金的韧性；并且，铌还会与铜基体中的镍、锡元素形成纳米沉淀相，如Ni3Nb、NbNi2Sn，进一步提高合金的强度以及导电性能。钪在铜基体中能起到明显微合金化的作用，通过添加微量钪元素有效地改善铜镍锡合金体系中相的均匀析出，并大幅减少析出相的尺寸并提高析出相的析出密度，增加合金中弥散分布的纳米强化相密度，提高合金的力学性能和韧性；钪与钇可形成无限固溶体，添加微量的钪可改善合金中含钇析出相(Ni2Y、Sn3Y)的分布，提高合金组织的均匀性，改善合金的性能。本发明的超高强高韧高导电铜镍锡合金是通过选择特殊的合金化元素，合理设计元素组成及添加比例，极大地提高了合金的综合性能。
作为一个总的发明构思，本发明提供一种如上述的超高强高韧高导电铜镍锡合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末；
(2)将步骤(1)后的合金粉末采用热等静压烧结，得到铜镍锡合金锭坯；
(3)对步骤(2)后的铜镍锡合金锭坯进行固溶处理；
(4)对步骤(3)后的固溶处理后的铜镍锡合金锭坯进行温变形强化处理，得到超高强高韧高导电铜镍锡合金。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(4)中，温变形强化处理的温度为250℃-390℃，变形速率小于等于1×10-3s-1，变形量为25％-75％。本发明的温变形强化处理，主要是指在一定的温度和变形速率范围内对合金锭坯同时进行变形和时效处理，使合金在力热耦合的作用下动态析出纳米级的球形强化相，细化合金晶粒，同时提高合金的强度和韧性。我们进行的大量实验研究表明，为了获得大量纳米弥散析出球形强化粒子，从而强化合金，需要将温变形强化处理的参数协调控制在本发明的范围内，如果在力作用下的温度过高，合金内部会产生大量的胞状析出，软化合金基体。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(4)中，温变形强化处理的温度为250℃-375℃，变形速率为1×10-5s-1-1×10-3s-1，变形量为30％-60％。我们的研究表明，将温变形强化处理的参数控制在这一范围内，能获得最佳的处理效果。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，热等静压烧结的温度为800℃-900℃，压力为150MPa-250MPa，保温时间为0.5-2h，真空度≤10-2Pa。本发明的制备方法，需将热等静压烧结的参数控制在本发明的范围内，如果低于本发明的范围，将导致制得的铜镍锡合金锭坯可能不致密；如果超出本发明的范围，容易发生Sn的偏析，造成合金锭坯的成分不均匀，严重影响合金的综合性能，同时压力过大还会导致设备维护成本高。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，固溶处理包括以下具体操作步骤：将铜镍锡合金锭坯放入电阻炉中，在820℃-850℃保温1-2h，然后出炉水淬。本发明的制备方法，通过将固溶处理的参数控制在本发明的范围内，可使热压过程中析出的富镍富锡相充分溶入合金基体中得到单相的α固溶体；如果低于本发明的范围，将造成析出相不能完全分解并扩散到基体中，从而影响合金的力学性能；如果超出本发明的范围，则合金基体在固溶处理中可能会发生脱溶现象，过饱和固溶体优先在晶界处产生少量富镍富锡的第二相粒子，影响合金的综合性能。
本发明的制备方法，在选择特殊化合金元素、合理设计元素组成以及添加比例的基础上，进一步协同控制热等静压烧结、固溶处理和温变形强化处理的参数，在合金内部形成纳米弥散分布的球形析出相，从而大幅提升合金的强度、韧性及导电性。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，合金粉末的粒度≤150μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的超高强高韧高导电铜镍锡合金，具有较高的强度、韧性和导电性，能够满足航空、航天、油气开采和航海等工业对高端轴承、轴套材料的需求。
(2)本发明的制备方法，利用温变形强化工艺控制合金的微观组织，使铜镍锡合金在温变形过程中发生了极为有效的动态析出，大量的纳米球形析出相均匀且弥散的分布于合金中，极大地提高了合金的强度和韧性，可以省去现有工艺所必需的后续热处理工艺，有利于提高生产效率和降低成本。
(3)本发明的制备方法，实现和利用了多重复合因素强韧化铜合金，所得到的超高强高韧铜镍锡合金同时具有细晶强化、形变强化、弥散强化和沉淀硬化的特征，从而获得了较高的强度、韧性和导电性。
(4)本发明中的制备方法，工艺流程短，操作简单，工艺成本低，适于规模化应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中固溶处理后的铜镍锡合金在温变形过程中的应力-应变曲线图；
图2是本发明实施例1中铜镍锡合金在室温下的应力-应变曲线图；
图3是本发明实施例2中固溶处理后的铜镍锡合金在温变形过程中的应力-应变曲线图；
图4是本发明实施例2中铜镍锡合金的金相照片；
图5是本发明实施例2中铜镍锡合金的显微组织图；
图6是本发明对比例1中固溶处理后的铜镍锡合金温变形过程中的应力-应变曲线图；
图7是本发明对比例1中铜镍锡合金的金相组织图；
图8是本发明对比例2中铜镍锡合金的显微组织图；
图9是本发明对比例3中铜镍锡合金的TEM照片。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的超高强高韧高导电铜镍锡合金，以质量百分比计，该超高强高韧高导电铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍15％、锡8％、钇0.15％、铈0.1％、钪0.05％、铌0.2％，余量为铜以及不可避免的杂质。
本实施例的超高强高韧高导电铜镍锡合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末，合金粉末的粒度为150μm；
(2)将步骤(1)后的合金粉末装入铸铁模具后密封，将包套放入热等静压机中，向热等静压室内充氮气并排除炉内空气，控制真空度为10-2Pa，压力为180MPa，升温至850℃并保温0.5h，烧结完成后除去包套获得铜镍锡合金锭坯；
(3)将步骤(2)后的铜镍锡合金锭坯放入电阻炉中，在830℃保温1h，然后出炉水淬，得到固溶处理后的铜镍锡合金锭坯；
(4)对步骤(3)后的固溶处理后的铜镍锡合金锭坯进行温变形强化处理，温变形强化处理的温度为280℃，变形速率为1×10-3s-1，变形量为36％，得到超高强高韧高导电铜镍锡合金。固溶处理后的铜镍锡合金锭坯在温变形过程中的应力-应变曲线图如图1所示，由图可知，锯齿线表明铜镍锡合金锭坯在温变形过程中同时发生了变形和时效。
本实施例制得的超高强高韧高导电铜镍锡合金在室温下室温应力-应变曲线图如图2所示，由图可知，经过温变形强化处理后的铜镍锡合金具有优异的室温拉伸性能。经测试，本实施例的超高强高韧高导电铜镍锡合金的抗拉强度为1251MPa，屈服强度为1142MPa，延伸率为11.28％，硬度为405HV，导电率为10.5％IACS。
实施例2：
一种本发明的超高强高韧高导电铜镍锡合金，以质量百分比计，该超高强高韧高导电铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍15％、锡8％、钇0.2％、铈0.05％、钪0.1％、铌0.15％，余量为铜以及不可避免的杂质。
本实施例的超高强高韧高导电铜镍锡合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末，合金粉末的粒度为120μm；
(2)将步骤(1)后的合金粉末装入铸铁模具后密封，将包套放入热等静压机中，向热等静压室内充氮气并排除炉内空气，控制真空度为10-2Pa，压力为200MPa，升温至880℃并保温0.5h，烧结完成后除去包套获得铜镍锡合金锭坯；
(3)将步骤(2)后的铜镍锡合金锭坯放入电阻炉中，在850℃保温1h，然后出炉水淬；
(4)对步骤(3)后的固溶处理后的铜镍锡合金锭坯进行温变形强化处理，温变形强化处理的温度为280℃，变形速率为1×10-4s-1，变形量为36％，得到超高强高韧高导电铜镍锡合金。固溶处理后的铜镍锡合金锭坯在温变形过程中的应力-应变曲线图如图3所示，由图可知，铜镍锡合金锭坯在温变形过程中同时发生了变形和时效。
本实施例制得的超高强高韧高导电铜镍锡合金的金相照片如图4所示，由图可知，合金晶内存在明显的析出相；其显微组织图如图5所示，由图可知，合金内部存在大量均匀、弥散分布的球形纳米粒子。经测试，本实施例制得的超高强高韧高导电铜镍锡合金的抗拉强度为1310MPa，屈服强度为1208MPa，延伸率为12.5％，硬度为424HV，导电率为9.8％IACS。
对比例1：
一种铜镍锡合金，以质量百分比计，该铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍15％、锡8％、钇0.15％、铈0.1％、钪0.05％、铌0.2％，余量为铜以及不可避免的杂质。
本对比例的铜镍锡合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末，合金粉末的粒度为150μm；
(2)将步骤(1)后的合金粉末装入铸铁模具后密封，将包套放入热等静压机中，向热等静压室内充氮气并排除炉内空气，控制真空度为10-2Pa，压力为200MPa，升温至820℃并保温0.5h，烧结完成后除去包套获得铜镍锡合金锭坯；
(3)将步骤(2)后的铜镍锡合金锭坯放入电阻炉中，在850℃保温1h，然后出炉水淬，得到固溶处理后的铜镍锡合金锭坯；
(4)对步骤(3)后的固溶处理后的铜镍锡合金锭坯进行温变形强化处理，温变形强化处理的温度为250℃，变形速率为1×10-2s-1，变形量为36％，得到铜镍锡合金。固溶处理后的铜镍锡合金锭坯在温变形过程中的应力-应变曲线图如图6所示，由图可知，铜镍锡合金锭坯在温变形过程中仅发生了变形，没有发生时效强化。
本对比例制得的铜镍锡合金的金相组织图如图7所示，由图可知，合金晶内存在一些孪晶。经测试，本对比例制得的铜镍锡合金的抗拉强度为915MPa，屈服强度为803MPa，延伸率为8.4％，硬度为295HV、导电率为8.2％IACS。
对比例2：
一种铜镍锡合金，以质量百分比计，该铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍15％、锡8％、钇0.2％、铈0.05％、钪0.1％、铌0.15％，余量为铜以及不可避免的杂质。
本对比例的铜镍锡合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末，合金粉末的粒度为150μm；
(2)将步骤(1)后的合金粉末装入铸铁模具后密封，将包套放入热等静压机中，向热等静压室内充氮气并排除炉内空气，控制真空度为10-2Pa，压力为180MPa，升温至850℃并保温0.5h，烧结完成后除去包套获得铜镍锡合金锭坯；
(3)将步骤(2)后的铜镍锡合金锭坯放入电阻炉中，在830℃保温1h，然后出炉水淬；
(4)对步骤(3)后的铜镍锡合金前驱体进行温变形强化处理，温变形强化处理的温度为200℃，变形速率为1×10-3s-1，变形量为36％，得到铜镍锡合金。
本对比例制得的铜镍锡合金的显微组织图如图8所示，由图可知，合金晶内存在孪晶和位错。经测试，本对比例制得的铜镍锡合金的抗拉强度为964MPa，屈服强度为818MPa，延伸率为6.5％，硬度为310HV、导电率为7.4％IACS。
对比例3：
一种铜镍锡合金，以质量百分比计，该铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍15％、锡8％、钇0.2％、铈0.05％、钪0.1％、铌0.15％，余量为铜以及不可避免的杂质。
本对比例的铜镍锡合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末，合金粉末的粒度为150μm；
(2)将步骤(1)后的合金粉末装入铸铁模具后密封，将包套放入热等静压机中，向热等静压室内充氮气并排除炉内空气，控制真空度为10-2Pa，压力为180MPa，升温至850℃并保温0.5h，烧结完成后除去包套获得铜镍锡合金锭坯；
(3)将步骤(2)后的铜镍锡合金锭坯放入电阻炉中，在830℃保温1h，然后出炉水淬；
(4)对步骤(3)后的铜镍锡合金前驱体进行温变形强化处理，温变形强化处理的温度为400℃，变形速率为1×10-4s-1，变形量为36％，得到铜镍锡合金。
本对比例制得的铜镍锡合金的显微组织图如图9所示，由图可知，合金晶内存在大量的胞状析出相。经测试，本对比例制得的铜镍锡合金的抗拉强度为742MPa，屈服强度为686MPa，延伸率为7.4％，硬度为268HV、导电率为8.9％IACS。
Claims (9)
1.一种超高强高韧高导电铜镍锡合金，其特征在于，以质量百分比计，所述铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍12-20％、锡5-10％、钇0.05-0.3％、铌0.05-0.3％、钪0.05-0.2％、铈0.05-0.25％，且钇、铌、钪、铈元素的总质量≤铜镍锡合金质量的0.5％，余量为铜以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的超高强高韧高导电铜镍锡合金，其特征在于，以质量百分比计，所述铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍13.5-15.5％、锡6-8.5％、钇0.1-0.2％、铌0.15-0.25％、钪0.05-0.15％、铈0.05-0.15％，余量为铜以及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的超高强高韧高导电铜镍锡合金，其特征在于，以质量百分比计，所述铜镍锡合金中包括以下含量的成分：镍15％、锡8％、钇0.2％、铈0.05％、钪0.1％、铌0.15％，余量为铜以及不可避免的杂质。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的超高强高韧高导电铜镍锡合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照元素组成的质量百分比备料，采用气雾化法制备得到合金粉末；
(2)将步骤(1)后的合金粉末采用热等静压烧结，得到铜镍锡合金锭坯；
(3)对步骤(2)后的铜镍锡合金锭坯进行固溶处理；
(4)对步骤(3)后的固溶处理后的铜镍锡合金锭坯进行温变形强化处理，得到超高强高韧铜高导电镍锡合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，温变形强化处理的温度为250℃-390℃，变形速率≤1×10-3s-1，变形量为25％-75％。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，温变形强化处理的温度为250℃-375℃，变形速率为1×10-5s-1-1×10-3s-1，变形量为30％-60％。
7.根据权利要求4、5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，热等静压烧结的温度为800℃-900℃，压力为150MPa-250MPa，保温时间为0.5-2h，真空度≤10-2Pa。
8.根据权利要求4、5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，固溶处理包括以下具体操作步骤：将铜镍锡合金锭坯放入通有保护气氛(氢气、氮气或氩气)的电阻炉中，在820℃-850℃保温1-2h，然后出炉水淬。
9.根据权利要求4、5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，合金粉末的粒度≤150μm。
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