CN111101018B - 均质化铜镍锡合金棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均质化铜镍锡合金棒材及其制备方法，按质量百分比计配方如下：Zn为0.01%‑0.026%、Sn为7.9%‑8.2%、Nb为0.02%‑0.05%、Ni+Co为14.0%‑16.0%、Fe为0.01%‑0.02%，Mg为0.01%‑0.15%，其余为Cu，且Co占Ni+Co总质量的0%‑5.0%。其制备方法包括配料、熔炼、均匀化处理、锻造、时效处理与修磨步骤。本发明棒材的硬度HRC≥35、抗拉强度σ_b≥998Mpa、屈服强度σ_0.2≥950Mpa、延伸率δ≥6%，棒材的化学成分均匀性好，其制备方法工艺路线短、制造成本低。

Description

均质化铜镍锡合金棒材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种均质化铜镍锡合金棒材及其制备方法，本发明属于金属铸造及加工技术领域。

背景技术

传统的铍青铜是一种综合性能优良的弹性合金，但由于其生产成本高，并且生产过程中存在有毒污染物，严重危害环境和生产人员健康，使其生产、应用受到制约。因此、急需开发一种能够在性能上替代这种铍青铜且升过程中不会产生有毒污染物的新型材料。而一些铜镍锡合金已被确定为与铍铜具有相似性质的理想替代材料。铜镍锡合金是调幅分解强化型合金。它的机械、物理性能与铍青铜相当，同时具有屈服强度高、可成型性好、抗应力松弛、耐腐蚀、焊接好、制备工艺简单、成本低、无毒等优点。该合金因为在高温下具有良好的抗应力松弛能力，已经被认定为继铍青铜后的理想高温电连接器插件材料。除此以外铜镍锡合金还具有高硬度、高弹性、高的导电稳定性等特点，可以保持长时间的良好的电接触性能以及可靠的稳定性，这一系列优异的性能均保证了它能够在日益小型化和轻量化的仪器仪表和电子设备上的应用。作为一种商业化的合金，广泛应用于电子工业作为弹簧、电连接器、继电器、电位器、开关、接插件、化工和船用部件、紧固件、光学仪器以及仪表传感器的弹性敏感元器件。

但是由于该类合金中Sn含量较多，使得其使用传统的铸造方法制造出的合金铸锭偏析严重。故大多数都选择采用先进的制造工艺，如（1）单（双）辊快速冷淬法，喷射成型法等快速凝固工艺；（2）粉末冶金；（3）加入适量的微量元素；（4）利用适当的热处理制度。而国外的多采用Equacast，该项技术一直被封锁，国内未见该方面的应用。而国内先进的制备技术并不成熟，粉末冶金方法制备合金的过程繁琐。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有较高的硬度、抗拉强度及屈服强度的均质化铜镍锡合金棒材。

本发明的另一目的是提供一种均质化铜镍锡合金棒材的制备方法。

按照本发明提供的技术方案，所述均质化铜镍锡合金棒材，按质量百分比计配方如下：Zn为0.01%-0.026%、Sn为7.9%-8.2%、Nb为0.02%-0.05%、Ni+Co为14.0%-16.0%、Fe为0.01%-0.02%，Mg为0.01%-0.15%，其余为Cu，且Co占Ni+Co总质量的0%-5.0%。

一种均质化铜镍锡合金棒材的制备方法包括以下步骤：

（1）配料步骤：按如下质量百分比计配方称取相应质量的原材料：Zn为0.01%-0.026%、Sn为7.9%-8.2%、Nb为0.02%-0.05%、Ni+Co为14.0%-16.0%、Fe为0.01%-0.02%，Mg为0.01%-0.15%，其余为Cu，其中，Mg以Ni-Mg合金方式称取配入，且Ni-Mg合金中，Ni与Mg的质量比为(3-4):1；

（2）熔炼步骤：将Cu、Sn、Nb、Fe与余量的Ni加入到真空感应炉的坩埚中，真空感应炉内抽真空至10Pa以下开始加热至熔化进行精炼，精炼温度控制在1280~1350℃，精炼时间控制在5~10min，精炼后充氩气，再将Ni-Mg合金加入合金熔液中，待化清后保温3~5min，保温后进行铸锭浇注，铸锭浇注完毕后，立刻破真空，采用风冷方式使铸锭快速冷却；

（3）均匀化处理步骤：将步骤（2）所得铸锭切除冒口和缩孔、同时对铸锭表面进行打磨处理，处理后的铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理温度控制在780~900℃，保温时间控制在2~6h，出炉后铸锭进行水冷；

（4）锻造步骤：将步骤（3）所得的铸锭热锻成棒材，锻造前预热温度控制在700~800℃，保温时间控制在1.5~2.5h，锻打结束后水冷，锻造比为4.7~5.5；

（5）时效处理步骤：将步骤（4）所得的锻造棒材在热处理炉中先后进行两次时效处理，第一次时效处理温度控制在400~450℃，第一次时效处理时间控制在2~5h，第一次时效处理结束进行空冷；空冷后进行第二次时效处理，第二次时效处理温度控制在350~400℃，第二次时效处理时间控制在1~3h，第二次时效处理结束进行水冷；

（6）修磨步骤：将第二次时效处理后的棒材进行表面修磨得到均质化高性能铜镍锡合金棒材。

本发明棒材的硬度HRC≥35、抗拉强度σ_b≥998Mpa、屈服强度σ_0.2≥950Mpa、延伸率δ≥6%，本发明棒材的化学成分均匀性好。

本发明的制备方法工艺路线短、制造成本低，真空熔炼过程中快速冷却，大幅度减小Sn元素在铸锭中的宏观偏析；均匀化处理，使得Sn元素的微观偏析减轻；合理的锻造工艺使得晶粒大小适中、均匀；适当的时效处理，使得合金的棒材达到较高的硬度、抗拉强度及屈服强度。

附图说明

图1是本发明实施例1的棒材组织。

图2是本发明实施例2的棒材组织。

图3是本发明实施例3的棒材组织。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种均质化铜镍锡合金棒材的制备方法包括如下步骤：

（1）配料步骤：按质量百分比计，取Zn为0.026%、Sn为7.9%、Nb为0.03%、Ni+Co为14.8%、Fe为0.01%、Mg为0.001%，其余为Cu，且Co占Ni+Co总质量的0.1%。

（2）熔炼步骤：采用真空感应炉进行熔炼，先将步骤（1）中按配方配好的原材料：Cu、Sn、Nb、Fe以及余量 Ni加入到坩埚中，抽真空至10Pa以下开始加热至合金全部熔化，进行精炼，精炼温度控制在1350℃，精炼时间控制在5min，充氩气，再将Ni-Mg合金（Ni-Mg合金中，Ni与Mg的质量比为3:1）加入合金熔液中，待化清，保温3min。铸锭浇注完毕后，立刻破真空，采用风冷方式使铸锭快速冷却；

（3）均匀化处理步骤：将步骤（2）中所得铸锭切除冒口和缩孔、同时对铸锭表面打磨处理，处理后的铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理温度850℃，保温时间3h，出炉后水冷；

（4）锻造步骤：将步骤（3）中所得均匀化处理后的铸锭热锻成棒材，锻造前预热温度810℃，保温时间2h，锻打结束后水冷，锻造比为4.7~5.5；

（5）时效处理步骤：将步骤（4）所得的锻造棒材在热处理炉中先后进行两次时效处理，第一次时效温度为450℃，时间为2h，空冷；第二次时效温度为380℃，时间为2h，水冷；

（6）修磨步骤：将时效处理后的棒材进行表面修磨得到均质化高性能铜镍锡合金棒材。

对实施例1所制备的合金棒材进行性能测试，测试结果为：

硬度36HRC，抗拉强度σ_b=1030MPa，屈服强度σ_0.2=980MPa，延伸率δ=12%。

实施例2

一种均质化铜镍锡合金棒材的制备方法包括如下步骤：

（1）配料步骤：按质量百分比计，取Zn为0.01%、Sn为8.2%、Nb为0.05%、Ni+Co15.0%、Fe为0.02%和Mg为0.008%，其余为Cu，且Co占Ni+Co总质量的3.0%。

（2）熔炼步骤：采用真空感应炉进行熔炼，先将步骤（1）中按配方配好的原材料：Cu、Sn、Nb、Fe以及余量 Ni加入到坩埚中，抽真空至10Pa以下开始加热至合金全部熔化，进行精炼，精炼温度1300℃，精炼时间6min，充氩气，再将Ni-Mg合金（Ni-Mg合金中，Ni与Mg的质量比为4:1）加入合金熔液中，待化清，保温3min，铸锭浇注完毕后，立刻破真空，采用风冷方式使铸锭快速冷却；

（3）均匀化处理步骤：将步骤（2）中所得铸锭切除冒口和缩孔、同时对铸锭表面打磨处理，处理后的铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理温度850℃，保温时间4h，出炉后水冷；

（4）锻造步骤：将步骤（3）中所得均匀化处理后的铸锭热锻成棒材，锻造前预热温度850℃，保温时间2h，锻打结束后水冷，锻造比为4.7~5.5；

（5）时效处理步骤：将步骤（4）所得的锻造棒材在热处理炉中先后进行两次时效处理，第一次时效温度为420℃，时间为2h，空冷；第二次时效温度为390℃，时间为1h，水冷；

（6）修磨步骤：将时效处理后的棒材进行表面修磨得到均质化高性能铜镍锡合金棒材。

对实施例2所制备的合金棒材进行性能测试，测试结果为：

硬度37.5HRC≥，抗拉强度σ_b=1100MPa，屈服强度σ_0.2=1038MPa，延伸率δ=8%。

实施例3

一种均质化铜镍锡合金棒材的制备方法包括如下步骤：

（1）配料：按质量百分比计，取Zn为0.02%、Sn为8.0%、Nb为0.02%、Ni+Co为15.1%、Fe为0.02%和Mg为0.015%，其余为Cu，且Co占Ni+Co总质量的5.0%。

（2）熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，先将步骤（1）中按配方配好的原材料：Cu、Sn、Nb、Fe以及余量 Ni加入到坩埚中，抽真空至10Pa以下开始加热至合金全部熔化，进行精炼，精炼温度1310℃，精炼时间5min，充氩气，再将Ni-Mg合金（Ni-Mg合金中，Ni与Mg的质量比为3.5:1）加入合金熔液中，待化清，保温3min。铸锭浇注完毕后，立刻破真空，采用风冷方式使铸锭快速冷却；

（3）均匀化处理：将步骤（2）中所得铸锭切除冒口和缩孔、同时对铸锭表面打磨处理，处理后的铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理温度850℃，保温时间4h，出炉后水冷；

（4）锻造：将步骤（3）中所得均匀化处理后的铸锭热锻成棒材，锻造前预热温度820℃，保温时间2h，锻打结束后水冷，锻造比为4.7~5.5；

（5）时效处理：将步骤（4）所得的锻造棒材在热处理炉中先后进行两次时效处理，第一次时效温度为400℃，时间为2h，空冷；第二次时效温度为380℃，时间为3h，水冷；

（6）修磨：将时效处理后的棒材进行表面修磨得到均质化高性能铜镍锡合金棒材。

对实施例3所制备的合金棒材进行性能测试，测试结果为：

硬度38.7HRC，抗拉强度σ_b≥1198MPa，屈服强度σ_0.2≥1150MPa，延伸率δ≥7%。

Claims (1)

1.一种均质化铜镍锡合金棒材的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）配料步骤：按如下质量百分比计配方称取相应质量的原材料：Zn为0.01%-0.026%、Sn为7.9%-8.2%、Nb为0.02%-0.05%、Ni+Co为14.0%-16.0%、Fe为0.01%-0.02%、Mg为0.01%-0.15%，其余为Cu，且Co占Ni+Co总质量的0%-5.0%；其中，Mg以Ni-Mg合金方式称取配入，且Ni-Mg合金中，Ni与Mg的质量比为（3~4）:1；

（2）熔炼步骤：将Cu、Sn、Nb、Fe与余量的Ni加入到真空感应炉的坩埚中，真空感应炉内抽真空至10Pa以下开始加热至熔化进行精炼，精炼温度控制在1280~1350℃，精炼时间控制在5~10min，精炼后充氩气，再将Ni-Mg合金加入合金熔液中，待化清后保温3~5min，保温后进行铸锭浇注，铸锭浇注完毕后，立刻破真空，采用风冷方式使铸锭快速冷却；

（3）均匀化处理步骤：将步骤（2）所得铸锭切除冒口和缩孔、同时对铸锭表面进行打磨处理，处理后的铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理温度控制在780~900℃，保温时间控制在2~6h，出炉后铸锭进行水冷；

（4）锻造步骤：将步骤（3）所得的铸锭热锻成棒材，锻造前预热温度控制在700~800℃，保温时间控制在1.5~2.5h，锻打结束后水冷，锻造比为4.7~5.5；

（5）时效处理步骤：将步骤（4）所得的锻造棒材在热处理炉中先后进行两次时效处理，第一次时效处理温度控制在400~450℃，第一次时效处理时间控制在2~5h，第一次时效处理结束进行空冷；空冷后进行第二次时效处理，第二次时效处理温度控制在350~400℃，第二次时效处理时间控制在1~3h，第二次时效处理结束进行水冷；

（6）修磨步骤：将第二次时效处理后的棒材进行表面修磨得到均质化高性能铜镍锡合金棒材。

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