CN113755715A - 一种高性能铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能铜合金及其制备方法，属于金属材料制备领域。本发明提供的高性能铜合金通过添加Zn可使铜基体获得与黄铜相近的性能，同时通过添加Ni和Si作为强化元素，可以在铜基体中形成析出相颗粒，从而有效强化铜合金的力学性能并保证铜合金具有较高的导电性；并且本发明通过控制Fe和Pb的含量能够尽可能降低其对铜合金的不利影响，从而有效保证其他强化元素对铜合金性能的提高。实施例的结果表明，本发明制备的铜合金的抗拉强度可以达到586～707MPa，屈服强度可以达到479～604MPa，导电率可以达到21～24％IACS。

Description

一种高性能铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域，具体涉及一种高性能铜合金及其制备方法。
背景技术
黄铜是最重要的铜合金品种之一，具有较高的机械性能又具有铜合金固有的导电、导热性和易加工等特性，且相对廉价、生产成本较低，因此在我国各个领域中的用量最大的一类铜合金，被广泛用于换热器、阀门、排水管道、散热器以及船舰、化工机械、电工仪表中的重要零件、电子、电信设备及家用电器的接插件及配件、室内装潢、服装饰件、车用水箱、电池等。
其中，H65黄铜是最具代表性的黄铜之一。但是随着电子、电器、电力行业的迅猛发展，兼具优良力学性能和导电性能的黄铜的需求量在逐年大幅增加。因此，我国现有的H65黄铜在高强度、高塑性以及良好导电性能方面已经无法满足电力电器领域接插件的更高使用要求。而H65黄铜是一种固溶体合金，其中的锌元素作为固溶原子与铜基体形成的α固溶体合金，降低或增加锌元素均会对H65黄铜造成不利影响，而如果通过添加其他合金元素又易导致形成析出相，从而不仅增加H65黄铜的脆性，降低其力学性能，而且还会大幅降低H65黄铜的导电性。
因此，如何实现其力学性能与导电性的平衡，以获得综合性能优良的高性能黄铜成为已成为现有技术亟须解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能铜合金及其制备方法，本发明提供的高性能铜合金具有较高导电性的同时，还具有高强度和高塑性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高性能铜合金，包括如下质量百分比的组分：Zn 27.32～29.9％，Ni 0.06～1.5％，Si 0.01～0.3％，Fe<0.1％，Pb<0.08％和余量Cu；
所述Ni和Si的质量比为(4～6)：1。
优选地，所述的高性能铜合金包括如下质量百分比的组分：Zn 27.5～29.3％，Ni0.08～1.4％，Si 0.02～0.25％，Fe<0.08％，Pb<0.06％和余量Cu；所述Ni和Si的质量比为(4.2～5.8)：1。
优选地，所述的高性能铜合金包括如下质量百分比的组分：Zn 28.0～29.0％，Ni0.1～1.3％，Si 0.03～0.2％，Fe<0.05％，Pb<0.05％和余量Cu；所述Ni和Si的质量比为(4.3～5.7)：1。
优选地，所述的高性能铜合金包括如下质量百分比的组分：Zn 28.3～28.8％，Ni0.2～1.1％，Si 0.04～0.15％，Fe<0.03％，Pb<0.03％和余量Cu；所述Ni和Si的质量比为(4.5～5.5)：1。
本发明还提供了上述技术方案所述的高性能铜合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将合金原料依次进行熔炼和铸造，得到铸材；
(2)将所述步骤(1)得到的铸材依次经过轧制、退火处理、固溶处理和时效处理，得到高性能铜合金。
优选地，所述步骤(1)中熔炼的保温温度为1100～1200℃，熔炼的保温时间为7～15min。
优选地，所述步骤(2)中轧制的温度为720～880℃，轧制的道次为7～14次，轧制的单道次变形量为4～10％，轧制的总变形量为50～90％。
优选地，所述步骤(2)中退火处理的温度为200～400℃，退火处理的时间为30～150min。
优选地，所述步骤(2)中固溶处理的温度为620～780℃，固溶处理的时间为510～690min。
优选地，所述步骤(2)中时效处理的温度为370～430℃，时效处理的时间为150～210min。
本发明提供了一种高性能铜合金，包括如下质量百分比的组分：Zn 27.32～29.9％，Ni 0.06～1.5％，Si 0.01～0.3％，Fe<0.1％，Pb<0.08％和余量Cu；所述Ni和Si的质量比为(4～6)：1。本发明通过添加Zn可使铜基体获得与黄铜相近的性能，同时通过添加Ni和Si作为强化元素，可以在铜基体中形成析出相颗粒，从而有效强化铜合金的力学性能并保证铜合金具有较高的导电性；并且本发明通过控制Fe和Pb的含量能够尽可能降低其对铜合金的不利影响，从而有效保证其他强化元素对铜合金性能的提高。实施例的结果表明，本发明制备的铜合金的抗拉强度可以达到586～707MPa，屈服强度可以达到479～604MPa，导电率可以达到21～24％IACS。
具体实施方式
本发明提供了一种高性能铜合金，包括如下质量百分比的组分：Zn 27.32～29.9％，Ni 0.06～1.5％，Si 0.01～0.3％，Fe<0.1％，Pb<0.08％和余量Cu；
所述Ni和Si的质量比为(4～6)：1。
按质量百分比计，本发明提供的高性能铜合金包括27.32～29.9％的Zn，优选为27.5～29.3％，更优选为28.0～29.0％，最优选为28.3～28.8％。本发明通过加入Zn能够使铜基体获得与黄铜相近的性能，同时将Zn含量控制在上述范围内，能够使铜基体具有良好的塑性，降低其脆性，从而更有利于其经过轧制等塑性变形提高其力学性能而不易发生开裂。
按质量百分比计，本发明提供的高性能铜合金包括0.06～1.5％的Ni，优选为0.08～1.4％，更优选为0.1～1.3％，最优选为0.2～1.1％。本发明通过添加Ni元素并将其含量控制在上述范围内，可以部分固溶在铜基体中，同时部分Ni可以结合其他合金化元素在铜镍锡合金形成细小均匀分布的析出相颗粒，从而有效强化铜合金的力学性能。
按质量百分比计，本发明提供的高性能铜合金包括0.01～0.3％的Si，优选为0.02～0.25％，更优选为0.03～0.2％，最优选为0.04～0.15％。本发明通过添加Si元素并将其含量控制在上述范围内，能够使其与Ni结合形成析出相颗粒，从而有效强化铜合金的力学性能并保证其具有较高的导电性。
在本发明中，所述Ni和Si的质量比为(4～6)：1，优选为(4.2～5.8)：1，更优选为(4.3～5.7)：1，最优选为(4.5～5.5)：1。本发明通过控制Ni和Si的添加比例在上述范围内，能够在铜基体中形成Ni和Si的金属间化合物并以析出相形式在铜基体中均匀析出，从而有效强化铜合金的力学性能并保证其具有较高的电导率。
按质量百分比计，本发明提供的高性能铜合金包括<0.1％的Fe，优选为<0.06％，更优选为<0.05％，最优选为<0.03％。在本发明中，所述Fe在高性能铜合金中以杂质形式存在。本发明通过控制Fe的含量在上述范围内，能够尽可能降低其对铜合金的不利影响，从而有效保证其他强化元素对铜合金性能的提高。
按质量百分比计，本发明提供的高性能铜合金包括<0.08％的Pb，优选为<0.08％，更优选<0.05％，最优选为<0.03％。在本发明中，所述Pb在高性能铜合金中以杂质形式存在。本发明通过控制Pb的含量在上述范围内，能够尽可能降低其对铜合金的不利影响，从而有效保证其他强化元素对铜合金性能的提高。
按质量百分比计，本发明提供的高性能铜合金包括余量铜。本发明以铜为基体，通过添加Zn、Ni、Si强化元素并控制Fe和Pb的含量，能够有效提高铜基体的强度和导电性能。
本发明提供的高性能铜合金通过添加Zn、Ni、Si强化元素并控制Ni和Si的添加配比以及控制Fe和Pb的含量，能够有效提高铜基体的强度和导电性能。
本发明还提供了上述技术方案所述的高性能铜合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将合金原料依次进行熔炼和铸造，得到铸材；
(2)将所述步骤(1)得到的铸材依次经过轧制、退火处理、固溶处理和时效处理，得到高性能铜合金。
本发明将合金原料依次进行熔炼和铸造，得到铸材。
在本发明中，所述合金原料优选为电解铜、纯锌、纯镍和纯硅。在本发明中，所述电解铜、纯锌、纯镍和纯硅的纯度优选≥99.99％。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为1500～1600℃，更优选为1550～1600℃。本发明通过在较高的温度下进行熔炼，更有利于各原料快速熔化形成熔体，避免各原料长时间处于半熔化状态而发生氧化烧损等问题。
在本发明中，所述熔炼的保温温度优选为1100～1200℃，更优选为1130～1180℃，最优选为1150～1160℃；所述熔炼的保温时间优选为7～15min，更优选为9～13min，最优选为10～12min。本发明通过在较低于熔炼温度的条件下进行保温，并将保温温度和保温时间控制在上述范围内，可以使熔体中的各合金元素充分扩散均匀，从而更有利于减少元素偏析，获得成分均匀的铸材。
在本发明中，所述铸造的方法优选为水平连续铸造、半连续铸造或模铸，更优选为模铸。
得到铸材后，本发明将所述铸材依次经过轧制、退火处理、固溶处理和时效处理，得到高性能铜合金。
在本发明中，所述轧制的温度优选为720～880℃，更优选为780～820℃；所述轧制的道次优选为7～14次，更优选为9～12次；所述轧制的单道次变形量优选为4～10％，更优选为6～8％；所述轧制的总变形量优选为50～90％，更优选为65～75％。本发明通过控制轧制的温度、轧制的道次、单道次变形量以及总变形量，能够有效闭合铸材中的缩松、缩孔等铸造缺陷，有效提高铜合金的导电性；同时，通过轧制变形使铸材组织中获得较多的位错并细化晶粒，避免铜合金经过后续连续的热处理易发生粗化的问题，从而有效提高铜合金的力学性能。
在本发明中，所述退火处理的温度优选为200～400℃，更优选为230～360℃，最优选为280～320℃；所述退火处理的时间优选为30～150min，更优选为40～120min，最优选为60～100min。本发明通过退火处理并将其温度和时间控制在上述范围内，能够有效消除轧制变形时的组织应力，并稳定铜合金的尺寸以及使组织更加均匀，更有利于提高铜合金的力学性能。
在本发明中，所述退火处理的冷却方式优选为空冷。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为620～780℃，更优选为680～720℃；所述固溶处理的时间优选为510～690min，更优选为570～630min。本发明通过固溶处理并将其温度控制在上述范围内，可以使各强化元素充分固溶在铜基体中，从而形成均匀的过饱和固溶体组织，更有利于后续时效处理析出细小的析出相，从而增强铜合金的强度并使其具有较高的导电性。
在本发明中，所述固溶处理的冷却方式优选为水冷。
在本发明中，所述时效处理的温度优选为370～430℃，更优选为390～410℃；所述时效处理的时间优选为150～210min，更优选为170～190min。本发明通过时效处理并将其温度和时间控制在上述范围内，更有利于过饱和固溶体中的强化元素形成细小且均匀分布的析出相颗粒，从而有效增强铜合金的强度并使其具有较高的导电性。
在本发明中，所述时效处理的冷却方式优选为空冷。
本发明提供的高性能铜合金的制备方法通过在熔炼铸造后进行轧制、退火、固溶和时效的热处理方式，更有利于析出均匀且细小的析出相颗粒，从而有效强化铜合金的力学性能的同时还使其具有较高的导电性；同时本发明的制备方法简单易控，安全有效且成本低。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例1
本实施例制备的高性能铜合金，由如下质量百分比的组分组成：Zn 27.8％，Ni0.52％，Si 0.01％，Fe 0.05％，Pb 0.05％和余量Cu；Ni和Si的质量比为4.7：1。
上述高性能铜镍锡合金的制备方法，由如下步骤组成：
(1)加入纯度均≥99.99％的电解铜、纯镍、纯硅的合金原料并依次进行熔炼和铸造，得到铸材；其中，熔炼温度为1600℃，保温温度为1150℃，保温时间为13min，铸造采用水平连续铸造。
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次在790℃下进行轧制，轧制道次为10，单道次变形量为7％，总变形量为70％；轧制完成后在310℃下均匀化退火90min，室温冷却后，在710℃下固溶处理570min，水冷却后，最后在410℃下时效处理210min，室温冷却后，得到高性能铜合金。
实施例2
本实施例制备的高性能铜合金，由如下质量百分比的组分组成：Zn 28.4％，Ni0.8％，Si 0.16％，Fe 0.05％，Pb 0.04％和余量Cu；Ni和Si的质量比为5.0：1。
上述高性能铜镍锡合金的制备方法，由如下步骤组成：
(1)依次加入纯度均≥99.99％的电解铜、纯镍、纯硅的合金原料并依次进行熔炼和铸造，得到铸材；其中，熔炼温度为1600℃，保温温度为1160℃，保温时间为11min，铸造采用半连续铸造。
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次在820℃下进行轧制，轧制道次为8，单道次变形量为10％，总变形量为80％；轧制完成后在310℃下均匀化退火70min，室温冷却后，在710℃下固溶处理630min，水冷却后，最后在390℃下时效处理170min，室温冷却后，得到高性能铜合金。
实施例3
本实施例制备的高性能铜合金，由如下质量百分比的组分组成：Zn 28.7％，Ni1.3％，Si 0.3％，Fe 0.04％，Pb 0.04％和余量Cu；Ni和Si的质量比为4.3：1。
上述高性能铜镍锡合金的制备方法，由如下步骤组成：
(1)依次加入纯度均≥99.99％的电解铜、纯镍、纯硅的合金原料并依次进行熔炼和铸造，得到铸材；其中，熔炼温度为1600℃，保温温度为1160℃，保温时间为11min，铸造采用模铸。
(2)将所述步骤(1)得到的铸锭依次在800℃下进行轧制，轧制道次为10，单道次变形量为7％，总变形量为70％；轧制完成后在300℃下均匀化退火60min，室温冷却后，在700℃下固溶处理600min，水冷却后，最后在400℃下时效处理120min，室温冷却后，得到高性能铜合金。
对比例1
采用市售常规H65黄铜作为对比例1铜合金样品。
性能检测
对实施例1～3和对比例1制备得到的铜合金进行屈服强度和抗拉强度的检测，检测标准采用GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验，且检测结果如表1所示。
对实施例1～3和对比例1制备得到的铜合金进行电导率的检测，检测标准采用GBT 11007-2008电导率仪试验方法，且检测结果如表1所示。
表1 实施例1～3和对比例1制备得到的铜合金进行屈服强度、抗拉强度和电导率的检测结果
Figure BDA0003249576290000071
Figure BDA0003249576290000081
根据表1可以看出，本发明制备的铜合金能够在有效提高其屈服强度和抗拉强度的同时，不会导致其导电性显著降低，即可以使铜镍锡合金在满足导电性使用要求的同时，有效提高其力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高性能铜合金，包括如下质量百分比的组分：Zn27.32～29.9％，Ni0.06～1.5％，Si0.01～0.3％，Fe<0.1％，Pb<0.08％和余量Cu；
所述Ni和Si的质量比为(4～6)：1。
2.如权利要求1所述的高性能铜合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：Zn27.5～29.3％，Ni0.08～1.4％，Si0.02～0.25％，Fe<0.08％，Pb<0.06％和余量Cu；所述Ni和Si的质量比为(4.2～5.8)：1。
3.如权利要求2所述的高性能铜合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：Zn28.0～29.0％，Ni0.1～1.3％，Si0.03～0.2％，Fe<0.05％，Pb<0.05％和余量Cu；所述Ni和Si的质量比为(4.3～5.7)：1。
4.如权利要求3所述的高性能铜合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：Zn28.3～28.8％，Ni0.2～1.1％，Si0.04～0.15％，Fe<0.03％，Pb<0.03％和余量Cu；所述Ni和Si的质量比为(4.5～5.5)：1。
5.如权利要求1～4任一项权利要求所述的高性能铜合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将合金原料依次进行熔炼和铸造，得到铸材；
(2)将所述步骤(1)得到的铸材依次经过轧制、退火处理、固溶处理和时效处理，得到高性能铜合金。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中熔炼的保温温度为1100～1200℃，熔炼的保温时间为7～15min。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中轧制的温度为720～880℃，轧制的道次为7～14次，轧制的单道次变形量为4～10％，轧制的总变形量为50～90％。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中退火处理的温度为200～400℃，退火处理的时间为30～150min。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中固溶处理的温度为620～780℃，固溶处理的时间为510～690min。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中时效处理的温度为370～430℃，时效处理的时间为150～210min。
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