CN111621668B - 一种镍硅系铜合金带材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镍硅系铜合金带材，其特征在于包括以下质量百分组成，Ni：0.8～1.5wt％，Si：0.2～0.4wt％，Cr：0.1～0.5wt％，Mg：0.05～0.2％，余量为Cu以及总量不大于0.3wt％的杂质。本发明镍硅系铜合金中含有较低含量的Ni和少量的Cr，Ni、Cr分别与Si元素能形成NiSi、CrSi相，NiSi、CrSi相的析出在提升材料强度的同时不降低铜合金的导电，使得材料能够获得高强度和高导电，可以实现抗拉强度在450MPa以上、导电率在45％IACS以上、弹性模量在120GPa以上，满足普通及中端弹性元件的使用要求，且与C70250相比具有更低的成本。

Description

一种镍硅系铜合金带材及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金，具体涉及一种镍硅系铜合金带材及其制备方法。

背景技术

随着电器、电子、通讯行业的发展，国内对于接插件、连接器用铜基弹性合金的要求也越来越高，目前国内主要的弹性合金以锡磷青铜和铍青铜为主。但铍青铜价格昂贵，成本高，大部分企业难以接受。而锡磷青铜的抗应力松弛、导电、导热性能相对较差，越来越难以满足现代行业的需求。相比较于铍青铜，镍硅系铜合金能够获得高强度、高导电、高弹性等优异的综合性能，且价格相对较低，越来越受到高端接插件、连接器行业的应用。但对于普通及中端弹性元件(材料性能需满足：抗拉强度450MPa左右、导电率45％IACS左右、弹性模量120GPa以上)来说镍硅系铜合金性能过剩，且相比较于锡磷青铜价格过高，而锡磷青铜导电率低(10％IACS左右)不能满足很多弹性元件对导电率的要求，因此，针对当前的镍硅系铜合金存在改进的空间。

镍硅系铜合金以C7025牌号为代表，采用半连铸、热轧工艺进行生产，C7025的Ni含量在2.2％～4.2％，Si含量在0.25％～1.2％，Mg：0.05～0.3％，余量为Cu。如专利申请号为CN201810548768.0公开了一种铜镍硅合金带材及其制备方法，包括以下步骤：半连续铸造铸锭、铸锭加热、热轧、一次固溶处理、铣面、一次冷轧、切边、退火、二次冷轧、二次固溶处理、三次冷轧、一次清洗、时效热处理、二次清洗、拉矫、分切；一次固溶处理：固溶温度范围680～750℃，冷却强度＞10℃/s；退火：温度范围500～650℃，保温时间4～8h；二次固溶处理：固溶温度范围750～780℃，冷却强度＞10℃/s；时效热处理：时效处理温度400～500℃，保温时间4～8h；一次冷轧加工率60～90％、二次冷轧加工率范围30～75％；三次冷轧加工率范围15～25％。该方法生产的C70250带材抗拉强度690-860MPa，A50延伸率≥10％，屈服强度≥650MPa，导电率＞43％IACS，沿带材两个方向采用R/T＝0.5进行90°折弯测试，无明显裂纹。C70250虽然综合性能优异，但对于普通及中端弹性元件来说性能过剩，而且C70250综合成本较高，一方面含有较高含量的Ni，原材料成本高，另一方面加工工艺采用热轧及多次固溶、时效工艺，生产工艺复杂且加工成本加高。

其它专利申请号为CN201710960247.1、CN201610872819.6、CN201710480397.2、CN201810183161.7等制备的铜镍硅带材基本上都采用了熔炼(或真空熔炼)→热轧→冷轧→时效工艺，加工工艺复杂且加工成本提升。

因此，如何生产出强度、导电、弹性等综合性能满足普通及中端弹性元件的要求且成本降低的镍硅系铜合金是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种强度、导电、弹性等综合性能优异满足普通及中端弹性元件要求且成本降低的镍硅系铜合金带材。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种镍硅系铜合金带材，其特征在于包括以下质量百分组成，Ni：0.8～1.5wt％，Si：0.2～0.4wt％，Cr：0.1～0.5wt％，Mg：0.05～0.2％，余量为Cu以及总量不大于0.3wt％的杂质。

Ni、Cr分别与Si元素能形成NiSi、CrSi相，NiSi、CrSi相的析出在提升材料强度的同时不降低铜合金的导电，使得材料能够获得高强度和高导电；添加少量的Cr元素能阻碍退火时晶粒的长大，细化材料的晶粒，同时Cr能够提高耐热性，普通及中端弹性元件在使用时会产生一定的热量，因此要求弹性元件具有一定的耐热性。结合普通及中端弹性元件的性能要求将Ni、Cr、Si的添加量控制在Ni：0.8～1.5wt％，Si：0.2～0.4wt％，Cr：0.1～0.5wt％，将Si元素尽可能从铜合金基体中析出，提高合金的导电，Ni、Cr尽可能以析出相析出，提高合金的导电。本发明添加少量的Mg，Mg元素的添加能细化第二相，同时提高合金的抗应力松弛性能。

作为优选，所述Ni、Cr、Si的质量添加比满足：(Ni+Cr)/Si为4.2～4.5。

在Ni、Cr、Si的质量添加比满足(Ni+Cr)/Si为4.2～4.5时，Si元素基本从铜合金基体中析出，提高了合金的导电，Ni、Cr基本以析出相析出，提高了合金的强度。

作为优选，所述铜合金中含有NiSi及CrSi析出相，所述NiSi及CrSi析出相的粒径为5～10nm。

NiSi及CrSi的弥散析出对提高合金的强度具有重要的影响，因此，将NiSi及CrSi析出相的粒径控制为5～10nm。

作为优选，所述Ni：1.0～1.4wt％，Si：0.2～0.3wt％，Cr：0.1～0.3wt％，Mg：0.1～0.2wt％，余量为Cu以及总量不大于0.3wt％的杂质。

作为优选，所述铜合金还包括Co：0.1～1.0wt％。为了进一步提高合金的强度，可以适当添加0.1～1.0wt％Co，Co与Si形成CoSi相，CoSi相在提高合金强度的同时不降低导电。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种在满足性能要求下工艺简单且成本降低的镍硅系铜合金带材的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种镍硅系铜合金带材的制备方法，该铜合金带材的制备流程为：熔炼→水平或者垂直连铸→连续挤压→铣面→中轧→退火→精轧→成品时效，所述水平连铸的温度为1200～1300℃，节距为7～10mm，拉铸速度为200～350mm/min。

传统的镍硅系铜合金采用热轧，一方面是由于半连铸为厚度较大的铸锭，不满足连续挤压的要求，另一方面，如C7025铸坯的强度较高(300MPa以上)，采用传统的连续挤压机无法实现。本申请采用连续铸造的棒坯直径小，且棒坯的强度较低能够满足连续挤压的要求，省去了传统工艺中加热、热轧、固溶等工序，工艺流程简化，大大节约了生产成本。

将熔体温度控制在1200～1300℃，保证熔体在结晶时有较大过冷度，Ni、Si、Cr等元素充分固溶在基体中，但超过1300℃，熔炼过程中容易吸气，铸坯质量不佳，对后续加工产生不利影响。将节距控制在7～10mm，拉铸速度为200～350mm/min，可以保证铸锭的表面质量，避免连铸坯产生热裂纹的问题。与传统的半连铸工艺相比，水平或者垂直连铸的铸坯为直径较小的棒坯，满足连续挤压的要求。

作为优选，所述连续挤压前的模具预热温度为500～600℃；预热时间1～3h；连续挤压机转速为2～4r/min，挤压腔体内温度大于700℃。

连续挤压过程中，坯料加工会形成大量热量，温度升高，为了保证挤压坯挤出质量，同时保护模具不至于因为温差导致开裂，将模具预热至500～600℃；挤压机转速不宜过高，否则挤压腔体压力过大，一般控制在2～4r/min，该转速下产生的形变热足以让连铸坯枝状晶得到破碎，再结晶形成细小晶粒。

作为优选，所述退火温度为450～550℃，时间为6～8h，采用氮气和/或氢气作为保护气体。在保护气氛中退火能够保证带坯不被氧化，提高成品率；温度控制在450～550℃，时间6～8h可以保证在加工硬化织构消除的同时方便后续加工，同时析出一部分的第二相。

作为优选，所述时效温度为450～500℃，时间为6～8h，采用氮气和/或氢气作为保护气体。在第一次退火的基础上进行时效，两次热处理的组合，保证第二相的充分析出，提高合金的导电率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明镍硅系铜合金中含有较低含量的Ni和少量的Cr，Ni、Cr分别与Si元素能形成NiSi、CrSi相，NiSi、CrSi相的析出在提升材料强度的同时不降低铜合金的导电，使得材料能够获得高强度和高导电；添加少量的Cr具有更好的耐热性。通过对添加元素及其添加含量的控制，可以实现抗拉强度在450MPa以上、导电率在45％IACS以上、弹性模量在120GPa以上，满足普通及中端弹性元件的使用要求，且与C70250相比具有更低的成本。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

选取20个实施例和一个对比例(锡磷青铜)，具体成分见表1。实施例采用本发明制备方法加工为板带产品，制备工艺流程为：熔炼→水平连铸→连续挤压→铣面→中轧→退火→精轧→成品时效。

具体的工艺为：

(1)熔炼：按照本发明合金成分配比进行配料，首先将铜电解板和金属镍放入熔化炉中加热熔化，熔炼过程中加入木炭覆盖，待电解铜和金属镍熔化后保温30～60min，升温到1300～1350℃后加入以紫铜管包覆的金属Cr，在添加金属Co的情况下，Cr和Co一同包覆在紫铜管内，保温15～30min，随后加入金属Si和一定量的冰晶石，加快熔化速度，测量熔体温度，温度在1250～1350℃时，捞渣，转炉倒入保温炉中。保温炉中加入一定的木炭覆盖，测量保温炉温度，温度在1200～1300℃时加入配料中的金属镁，保温10～30min。

(2)水平连铸：控制熔体温度在1200～1300℃之间，旋开石墨塞棒，开始连铸。节距为7～10mm，拉铸速度为200～350mm/min，连铸棒坯直径为30mm。

(3)连续挤压：将步骤(2)中的水平连铸棒坯为原料利用连续挤压机生产带坯，连续挤压前的模具预热温度为500～600℃；预热时间1～3h；连续挤压机转速为2～4r/min，挤压腔体内温度大于700℃。挤压后带坯进入水中冷却，挤压带坯宽度在100～400mm。

(4)铣面：单面侧铣面量为0.3～0.6mm，上下铣面各0.3mm，铣面后板坯厚度16mm左右。

(5)中轧：中轧总加工量控制在80％～90％，轧后厚度2.4±0.1mm；单边剪切为10～15mm。

(6)退火：中轧带坯采用光亮炉进行退火，退火温度为450～550℃，时间为6～8h，采用氮气和氢气作为保护气体。

(7)精轧：采用精轧机组进行多道次冷轧，道次加工量控制在30％～40％之间，轧后厚度在0.6±0.01mm。

(8)成品时效：将上述精轧带材放入光亮炉中进行时效，时效温度为450～500℃，时间为6～8h，采用氮气和氢气作为保护气体，成品分条、包装。

对20个实施例和1个对比例的带材样品分别测试力学性能、导电率。

室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。

导电率测试按照《GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品宽度为20mm，长度为500mm。

从表2可以得出，本发明合金可以实现抗拉强度在450MPa以上、导电率在45％IACS以上、弹性模量在120GPa以上，满足普通及中端弹性元件的使用要求，且与C70250相比具有更低的成本，与锡磷青铜相比，导电率大大提高。

表1实施例、对比例成分及微观组织

表2实施例及对比例的性能

Claims (3)

1.一种镍硅系铜合金带材的制备方法，其特征在于，该铜合金带材包括以下质量百分组成，Ni：0.8～1.5wt％，Si：0.2～0.4wt％，Cr：0.1～0.5wt％，Mg：0.05～0.2％，余量为Cu以及总量不大于0.3wt％的杂质；所述Ni、Cr、Si的质量添加比满足：(Ni+Cr)/Si为4.2～4.5；所述铜合金中含有NiSi及CrSi相，所述NiSi及CrSi相的粒径为5～10nm；

该铜合金带材的制备流程为：熔炼→水平或者垂直连铸→连续挤压→铣面→中轧→退火→精轧→成品时效，所述水平连铸的温度为1200～1300℃，节距为7～10mm，拉铸速度为200～350mm/min；

所述连续挤压前的模具预热温度为500～600℃；预热时间1～3h；连续挤压机转速为2～4r/min，挤压腔体内温度大于700℃；

所述退火温度为450～550℃，时间为6～8h，采用氮气和/或氢气作为保护气体；

所述时效温度为450～500℃，时间为6～8h，采用氮气和/或氢气作为保护气体。

2.根据权利要求1所述的镍硅系铜合金带材的制备方法，其特征在于包括以下质量百分组成，所述Ni：1.0～1.4wt％，Si：0.2～0.3wt％，Cr：0.1～0.3wt％，Mg：0.1～0.2wt％，余量为Cu以及总量不大于0.3wt％的杂质。

3.根据权利要求1所述的镍硅系铜合金带材的制备方法，其特征在于：所述铜合金还包括Co：0.1～1.0wt％。