CN114134364B - 一种铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜合金材料及其制备方法，属于有色金属技术领域。本发明提供了一种铜合金材料，化学成分按质量百分比计包括：Ni 8～21％，Sn 5～10％，Al 0.5～2.0％，微量元素0.05～1.6％和余量的Cu；所述微量元素为P、Fe、Co和Si中的至少一种。本发明在铜镍锡合金的基础上对成分进行优化改进，通过添加Al以及P、Fe、Co和Si中的至少一种元素，改变了溶质元素Sn在晶界处的空位浓度和Sn元素的浓度，降低不连续析出相的析出动力，抑制其析出，提高了合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。

Description

一种铜合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属技术领域，尤其涉及一种铜合金材料及其制备方法。
背景技术
随着电子信息、5G通讯、探井油田、海洋工程等国家重点工程的高速发展，对超高强铜合金的需求量日益增加。同时，对超高强度铜合金的性能提出了更加苛刻的要求，如合金要求具有高强度、高温条件下具有高耐磨、耐腐蚀等性能。
目前，铜合金主要以铜镍锡材料为主，其具有高强度、高弹性、高抗应力松弛和抗高温软化等优点，是一种绿色环保型铜合金，但该合金容易在时效析出过程中产生晶界不连续相，降低合金的强度、耐磨和耐腐蚀性能。因此，如何提高铜镍锡合金的强度、耐磨性能以及耐腐蚀性能成为本领域亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜合金材料及其制备方法。本发明提供的铜合金材料具备高强度、高耐磨性能以及优异的耐腐蚀性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铜合金材料，化学成分按质量百分比计包括：Ni 8～21％，Sn 5～10％，Al 0.5～2.0％，微量元素0.05～1.6％和余量的Cu；所述微量元素为P、Fe、Co和Si中的至少一种。
优选地，所述微量元素为P 0.05～0.3％、Fe 0.05～0.5％、Co 0.1～0.5％和Si0.05～0.3％中的至少一种。
优选地，所述微量元素为P 0.1～0.2％、Fe 0.1～0.2％、Co 0.2～0.3％和Si 0.1～0.2％中的至少一种。
本发明还提供了上述技术方案所述铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜合金原料依次进行熔炼和铸造，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭依次进行加热均匀化和热挤压，得到热挤压态合金；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金进行固溶处理，得到固溶态合金；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金依次进行一次冷拉拔和一次时效处理，得到时效态合金；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金依次进行二次冷拉拔和二次时效处理，得到铜合金材料。
优选地，所述步骤(2)中加热均匀化的温度为850～950℃，加热均匀化的时间为8～12h。
优选地，所述步骤(3)中固溶处理的温度为850～950℃，固溶处理的保温时间为4～8h。
优选地，所述步骤(4)中一次冷拉拔的加工率为20～50％。
优选地，所述步骤(4)中一次时效处理的温度为400～600℃，一次时效处理的保温时间为1～24h。
优选地，所述步骤(5)中二次冷拉拔的加工率为20～40％。
优选地，所述步骤(5)中二次时效处理的温度为400～500℃，二次时效处理的保温时间为2～8h。
本发明提供了一种铜合金材料，化学成分按质量百分比计包括：Ni 8～21％，Sn 5～10％，Al 0.5～2.0％，微量元素0.05～1.6％和余量的Cu；所述微量元素为P、Fe、Co和Si中的至少一种。本发明在铜镍锡合金的基础上对成分进行优化改进，通过添加Al以及P、Fe、Co和Si中的至少一种元素，改变了溶质元素Sn在晶界处的空位浓度和Sn元素的浓度，降低不连续析出相的析出动力，抑制其析出，提高了合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。实验结果表明，本发明提供的铜合金材料的室温下抗拉强度σb为1200～1500MPa，室温下屈服强度σ0.2为1100～1450MPa，导电率为5～10％IACS，200℃下1000h的抗应力松弛率为85～90％；300℃抗拉强度σb≥1100MPa，伸长率≥5％；与12CrNi3A钢，按照GB/T35083.1-2018标准，在300℃下，转速2417r/min，接触载荷1N，摩擦时间60min后的磨损量为0.5～1.5g；盐雾试验中腐蚀速率≤0.022mm/年。
具体实施方式
本发明提供了一种铜合金材料，化学成分按质量百分比计包括：Ni 8～21％，Sn 5～10％，Al 0.5～2.0％，微量元素0.05～1.6％和余量的Cu；所述微量元素为P、Fe、Co和Si中的至少一种。
按质量百分比计，本发明提供的铜合金材料包括Ni 8～21％，优选为9～19％，进一步优选为10～17％，更优选为11％、12.6％、13.8％或15％。本发明通过控制Ni元素的含量能够进一步提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
按质量百分比计，本发明提供的铜合金材料还包括Sn 5～10％，优选为6.9～9.3％，进一步优选为7～9％，更优选为7.5～8.6％，最优选为8％。本发明通过控制Sn元素的含量能够进一步提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
按质量百分比计，本发明提供的铜合金材料还包括Al 0.5～2.0％，优选为0.8～1.8％，进一步优选为1.0～1.5％，更优选为1.2％。本发明通过控制Al元素的含量能够进一步提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
按质量百分比计，本发明提供的铜合金材料还包括微量元素0.05～1.6％。在本发明中，所述微量元素为P、Fe、Co和Si中的至少一种，优选为P、Fe、Co和Si中的至少两种，进一步优选为P、Fe、Co和Si中的至少三种，更优选为P、Fe、Co和Si。本发明通过添加P、Fe、Co和Si中的至少一种能够配合Al元素，改变溶质元素Sn在晶界处的空位浓度和Sn元素的浓度，降低不连续析出相的析出动力，抑制其析出，提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
在本发明中，所述微量元素优选为P 0.05～0.3％、Fe 0.05～0.5％、Co 0.1～0.5％和Si 0.05～0.3％中的至少一种。
在本发明中，当所述铜合金材料包括P时，按质量百分比计，所述P为0.05～0.3％，优选为0.05～0.2％，更优选为0.1～0.2％。本发明通过控制P元素的含量能够进一步提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
在本发明中，当所述铜合金材料包括Fe时，按质量百分比计，所述Fe为0.05～0.5％，优选为0.1～0.3％，更优选为0.1～0.2％。本发明通过控制Fe元素的含量能够进一步提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
在本发明中，当所述铜合金材料包括Co时，按质量百分比计，所述Co为0.1～0.5％，优选为0.1～0.3％，更优选为0.2～0.3％。本发明通过控制Co元素的含量能够进一步提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
在本发明中，当所述铜合金材料包括Si时，按质量百分比计，所述Si为0.05～0.3％，优选为0.1～0.2％。本发明通过控制Si元素的含量能够进一步提高合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
按质量百分比计，本发明提供的铜合金材料还包括余量的Cu。本发明中Cu为基体材料。
本发明在铜镍锡合金的基础上对成分进行优化改进，通过添加Al以及P、Fe、Co和Si中的至少一种元素，改变了溶质元素Sn在晶界处的空位浓度和Sn元素的浓度，降低不连续析出相的析出动力，抑制其析出，提高了合金的强度、耐腐蚀性能以及耐磨性能。
本发明提供的铜合金材料相对于铍青铜，在保持超高强度的同时具有更加优良的耐高温和耐磨性能，可用于制作各种小型化的弹性元件和耐高温耐磨构件，能够广泛应用于5G通讯、航空航天、探井油田、国防军工、海洋工程等高端领域。
本发明提供的铜合金材料的基体中分布有粒径为10～30nm的面心立方结构的球形富铝相，其析出密度为2×1021～5×1021m-3，低∑CSL晶界数量占比为50～80％。
本发明还提供了上述技术方案所述铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜合金原料依次进行熔炼和铸造，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭依次进行加热均匀化和热挤压，得到热挤压态合金；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金进行固溶处理，得到固溶态合金；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金依次进行一次冷拉拔和一次时效处理，得到时效态合金；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金依次进行二次冷拉拔和二次时效处理，得到铜合金材料。
本发明将铜合金原料依次进行熔炼和铸造，得到合金铸锭。
在本发明中，所述熔炼优选在真空中频感应炉进行。本发明对所述真空中频感应炉的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的仪器设备即可。
在本发明中，所述熔炼优选包括：先将电解铜、电解镍、纯锡和纯铝熔化，再加入铜硅中间合金、铜铁中间合金、纯钴和铜磷中间合金中的至少一种。本发明对所述上述原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明通过控制各原料的加入顺序能够使各原料熔炼的更均匀。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为1350～1400℃。本发明对所述熔炼的时间没有特殊的限定，只要保证将各原料完全熔化即可。
在本发明中，所述铸造优选为浇铸；所述铸造的温度优选为1250～1300℃。本发明通过控制铸造的温度能够进一步提高铜合金的质量。
得到合金铸锭后，本发明将所述合金铸锭依次进行加热均匀化和热挤压，得到热挤压态合金。
在本发明中，所述加热均匀化优选在箱式退火炉中进行。本发明对所述箱式退火炉的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的仪器设备即可。
在本发明中，所述加热均匀化的温度优选为850～950℃，更优选为900～920℃；所述加热均匀化的时间优选为8～12h，更优选为10～12h。本发明通过控制加热均匀化的温度和时间能够进一步改善合金铸锭的塑性和韧性，使化学成分均匀化，从而进一步提高铜合金的物理性能。
在本发明中，所述热挤压的挤压比优选为10～30，进一步优选为12～25，更优选为15～20；所述热挤压的温度优选与加热均匀化的温度相同。本发明通过控制热挤压的挤压比能够使合金流动均匀，从而进一步提高合金力学性能的均匀性。
热挤压完成后，本发明优选对所述热挤压得到的产物进行冷却，得到热挤压态合金。在本发明中，所述冷却优选为水冷。本发明对所述水冷的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水冷操作即可。
得到热挤压态合金后，本发明将所述热挤压态合金进行固溶处理，得到固溶态合金。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为850～950℃，进一步优选为900～930℃，更优选为920～925℃；所述固溶处理的保温时间优选为4～8h，更优选为5～6h。本发明进行固溶处理能够获得过饱和固溶体，有利于后续的时效处理。
在本发明中，所述固溶处理优选在箱式退火炉中进行。本发明对所述箱式退火炉的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的仪器设备即可。
在本发明中，所述固溶处理的冷却方式优选为水冷。本发明对所述水冷的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水冷操作即可。
得到固溶态合金后，本发明将所述固溶态合金依次进行一次冷拉拔和一次时效处理，得到时效态合金。
在本发明中，所述固溶态合金进行一次冷拉拔前优选将所述固溶态合金表面的氧化层去除。本发明对所述表面氧化层去除的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。
在本发明中，所述一次冷拉拔的加工率(△H/H)优选为20～50％，更优选为30～40％。本发明对所述一次冷拉拔的温度没有特殊的限定，在常温下进行即可。本发明通过进行一次冷拉拔能够在基体内产生滑移带，通过滑移带来抑制不连续析出相析出。
在本发明中，所述一次时效处理的温度优选为400～600℃，更优选为500～550℃；所述一次时效处理的保温时间优选为1～24h，进一步优选为6～16h，更优选为6～12h。本发明通过进行一次时效处理能够提高合金的强度和硬度。
在本发明中，所述一次时效处理优选在箱式退火炉中进行。本发明对所述箱式退火炉的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的仪器设备即可。
在本发明中，所述一次时效处理的冷却方式优选为空冷。本发明对所述空冷的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的空冷操作即可。
得到时效态合金后，本发明将所述时效态合金依次进行二次冷拉拔和二次时效处理，得到铜合金材料。
在本发明中，所述二次冷拉拔的加工率(△H/H)优选为20～40％，更优选为30～40％。本发明对所述二次冷拉拔的温度没有特殊的限定，在常温下进行即可。本发明通过进行二次冷拉拔能够在基体内产生滑移带，通过滑移带来抑制不连续析出相析出。
在本发明中，所述二次时效处理的温度优选为400～500℃，更优选为400～450℃；所述二次时效处理的保温时间优选为2～8h，更优选为4～6h。本发明通过进行二次时效处理能够提高合金的强度和硬度。
在本发明中，所述二次时效处理优选在箱式退火炉中进行。本发明对所述箱式退火炉的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的仪器设备即可。
在本发明中，所述二次时效处理的冷却方式优选为空冷。本发明对所述空冷的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的空冷操作即可。
本发明针对传统铜镍锡合金在时效过程中容易出现晶界不连续析出相，影响着合金的强度、耐高温、耐磨和耐腐蚀等性能，采用形变热处理技术对铜合金微观组织进行调控，在基体内产生滑移带，通过滑移带来抑制不连续析出相析出；同时通过形变热处理工艺的控制，有效调控晶界的数量和形貌特征，进一步控制晶界不连续析出物的析出，从而进一步提高合金的强度、耐高温、耐磨损和耐腐蚀性能。
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
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：P 0.05％，Fe 0.5％，Ni 8％，Sn 7％，Al0.5％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜铁中间合金和铜磷中间合金，将温度升至1400℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1300℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在950℃箱式炉中进行加热均匀化8h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为30；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在950℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为4h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在400℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为50％；一次时效处理的保温时间为24h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在400℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为20％；二次时效处理的保温时间为8h，冷却方式为空冷。
实施例2
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：P 0.3％，Fe 0.05％，Ni 9％，Sn 6％，Al1.0％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜铁中间合金和铜磷中间合金，将温度升至1350℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1250℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在850℃箱式炉中进行加热均匀化12h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为10；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在850℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为8h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在600℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为20％；一次时效处理的保温时间为1h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为40％；二次时效处理的保温时间为2h，冷却方式为空冷。
实施例3
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：Fe 0.05％，Co 0.5％，Ni 10％，Sn 9％，Al 1.5％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜铁中间合金和纯钴，将温度升至1350℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1300℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在900℃箱式炉中进行加热均匀化10h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为15；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在900℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为6h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为40％；一次时效处理的保温时间为12h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在450℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为30％；二次时效处理的保温时间为6h，冷却方式为空冷。
实施例4
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：Co 0.1％，Si 0.05％，Ni 11％，Sn10％，Al 2.0％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜硅中间合金和纯钴，将温度升至1400℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1300℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在920℃箱式炉中进行加热均匀化8h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为20；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在900℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为4h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为30％；一次时效处理的保温时间为16h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在450℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为30％；二次时效处理的保温时间为4h，冷却方式为空冷。
实施例5
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：Si 0.3％，Ni 12.6％，Sn 6.9％，Al1.2％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜硅中间合金，将温度升至1350℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1270℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在950℃箱式炉中进行加热均匀化10h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为25；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在925℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为6h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在550℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为40％；一次时效处理的保温时间为6h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在450℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为30％；二次时效处理的保温时间为2h，冷却方式为空冷。
实施例6
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：Co 0.3％，Si 0.1％，Ni 13.8％，Sn7.5％，Al 1.5％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜硅中间合金和纯钴，将温度升至1350℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1250℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在850℃箱式炉中进行加热均匀化10h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为20；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在920℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为8h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为50％；一次时效处理的保温时间为6h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在450℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为20％；二次时效处理的保温时间为8h，冷却方式为空冷。
实施例7
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：P 0.2％，Fe 0.2％，Si 0.1％，Ni 15％，Sn 8％，Al 1.0％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜铁中间合金、铜磷中间合金和铜硅中间合金，将温度升至1400℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1250℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在950℃箱式炉中进行加热均匀化12h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为10；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在950℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为8h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在600℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为50％；一次时效处理的保温时间为6h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在400℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为30％；二次时效处理的保温时间为8h，冷却方式为空冷。
实施例8
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：Fe 0.1％，Ni 17％，Sn 8.6％，Al 1.8％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜铁中间合金，将温度升至1350℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1250℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在900℃箱式炉中进行加热均匀化10h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为12；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在900℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为8h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为30％；一次时效处理的保温时间为6h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为20％；二次时效处理的保温时间为8h，冷却方式为空冷。
实施例9
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：Fe 0.2％，Co 0.2％，Ni 19％，Sn9.3％，Al 0.8％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜铁中间合金和纯钴，将温度升至1400℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1250℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在950℃箱式炉中进行加热均匀化10h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为25；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在930℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为8h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为40％；一次时效处理的保温时间为16h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在450℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为30％；二次时效处理的保温时间为8h，冷却方式为空冷。
实施例10
铜合金材料化学成分按质量百分比计为：Fe 0.05％，Ni 21％，Sn 5％，Al 1.0％和余量的Cu；
所述铜合金材料的制备方法为以下步骤：
(1)在真空感应炉中加入电解铜、电解镍、纯锡、纯铝，待以上材料均熔化后，添加铜铁中间合金，将温度升至1350℃进行熔炼，待熔体完全熔化后，将温度降至1250℃，进行浇铸，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭放置在900℃箱式炉中进行加热均匀化10h，再进行热挤压，水冷后得到热挤压态合金棒材；其中，热挤压的挤压比为25；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金棒材在950℃箱式退火炉中进行固溶处理，得到固溶态合金棒材；其中，固溶处理的保温时间为8h，冷却方式为水冷；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金棒材去除表面氧化层，再进行一次冷拉拔，随后在600℃箱式退火炉中进行一次时效处理，得到时效态合金棒材；其中，一次冷拉拔的加工率为50％；一次时效处理的保温时间为6h，冷却方式为空冷；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金棒材进行二次冷拉拔，随后在500℃箱式退火炉中进行二次时效处理，得到铜合金材料；其中，二次冷拉拔的加工率为30％；二次时效处理的保温时间为4h，冷却方式为空冷。
对实施例1～10制备得到的铜合金材料进行性能测试，结果如表1和2所示。
表1 实施例1～10制备得到的铜合金材料的组织形态
Figure BDA0003424545220000141
Figure BDA0003424545220000151
表2 实施例1～10制备得到的铜合金材料的物理性质
Figure BDA0003424545220000152
注：表2中抗应力松弛率为200℃下1000h测得，磨损量为与12CrNi3A钢，按照GB/T35083.1-2018标准，在300℃下，转速2417r/min，接触载荷1N，摩擦时间60min测得。
从表1和表2可以看出，本发明提供的铜合金材料具备高强度、耐高温、高耐磨性能以及优异的耐腐蚀性能。
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 (4)

1.一种铜合金材料，化学成分按质量百分比计包括：Ni 8～21％，Sn 5～10％，Al 0.5～2.0％，微量元素0.05～1.6％和余量的Cu；所述微量元素为P、Fe、Co和Si中的至少一种；
所述铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜合金原料依次进行熔炼和铸造，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭依次进行加热均匀化和热挤压，得到热挤压态合金；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金进行固溶处理，得到固溶态合金；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金依次进行一次冷拉拔和一次时效处理，得到时效态合金；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金依次进行二次冷拉拔和二次时效处理，得到铜合金材料；
所述步骤(2)中加热均匀化的温度为900～920℃，加热均匀化的时间为8～12h；
所述步骤(3)中固溶处理的温度为850～950℃，固溶处理的保温时间为4～8h；
所述步骤(4)中一次冷拉拔的加工率为20～50％；
所述步骤(4)中一次时效处理的温度为400～600℃，一次时效处理的保温时间为1～24h；
所述步骤(5)中二次冷拉拔的加工率为20～40％；
所述步骤(5)中二次时效处理的温度为400～500℃，二次时效处理的保温时间为8h。
2.根据权利要求1所述的铜合金材料，其特征在于，所述微量元素为P 0.05～0.3％、Fe0.05～0.5％、Co 0.1～0.5％和Si 0.05～0.3％中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的铜合金材料，其特征在于，所述微量元素为P 0.1～0.2％、Fe0.1～0.2％、Co 0.2～0.3％和Si 0.1～0.2％中的至少一种。
4.权利要求1～3任意一项所述铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜合金原料依次进行熔炼和铸造，得到合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的合金铸锭依次进行加热均匀化和热挤压，得到热挤压态合金；
(3)将所述步骤(2)得到的热挤压态合金进行固溶处理，得到固溶态合金；
(4)将所述步骤(3)得到的固溶态合金依次进行一次冷拉拔和一次时效处理，得到时效态合金；
(5)将所述步骤(4)得到的时效态合金依次进行二次冷拉拔和二次时效处理，得到铜合金材料；
所述步骤(2)中加热均匀化的温度为900～920℃，加热均匀化的时间为8～12h；
所述步骤(3)中固溶处理的温度为850～950℃，固溶处理的保温时间为4～8h；
所述步骤(4)中一次冷拉拔的加工率为20～50％；
所述步骤(4)中一次时效处理的温度为400～600℃，一次时效处理的保温时间为1～24h；
所述步骤(5)中二次冷拉拔的加工率为20～40％；
所述步骤(5)中二次时效处理的温度为400～500℃，二次时效处理的保温时间为8h。
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