CN115627379A - 一种铜合金棒材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜合金棒材,其特征在于:该铜合金的质量百分比组成为Ni:4.0~6.8wt%,Si:0.86~1.5wt%,Mn:0.12~0.60%,B:0.001~0.06wt%,余量为Cu和不可避免的杂质。本发明通过在铜合金中添加Ni、Si、Mn、B并控制各自的含量,最终实现抗拉强度Rm≥1100MPa、屈强比Rp0.2/Rm≥0.95、冲击韧度ak≥0.9kj/cm2的铜镍硅合金棒材,在提高强度的同时实现材料受到外力作用时,不易发生变形而失效。
Description
技术领域
本发明属于铜合金技术领域,具体涉及一种铜合金棒材及其制备方法。
背景技术
铜镍硅是一种时效强化型铜合金,它具有高强度、高硬度、优良的导电和导热性能,广泛应用于电子电器、通讯工程、航天航空、机械制造和大规模集成电路领域。
现有铜镍硅合金通常加工成带材,应用在集成电路引线框架、高速背板连接器制造领域,因此更为关注材料所能达到的抗拉强度、弯曲性能、耐应力松弛性能。
高铁接触线吊弦线夹、连接器端子、螺旋弹簧等领域目前主要使用的铜合金材料是锡磷青铜和低镍低硅合金,随着这些领域的发展,对材料的综合性能要求也越来越高,除了要求高的强度以外,还要求材料受到外力作用时,不易发生变形而失效。
屈强比是指材料的屈服强度与抗拉强度的比值,它的大小反映材料强度的利用率和外力作用下抗变形能力,屈强比越高,材料收到外力作用时越不容易变形。铜合金棒材的屈强比高,说明棒材加工的零件受到外力作用时,不易发生变形而失效。
抗冲击性能是指金属材料在冲击负荷作用下,抵抗变形和断裂的能力,其大小代表了试样抑制原始裂纹出现的能力的大小,是材料强度和塑性的综合表现,一般由冲击韧度(ak)表示,单位是J/cm2,ak值的大小表示材料的韧性好坏,一般把ak值低的材料称为脆性材料,ak值高的材料称为韧性材料。提高铜镍硅棒材的冲击韧度,可以增强零部件受到外力作用时抵抗变形的能力。
由于铜合金棒材主要通过拉伸方法制得,拉伸是指坯料在一定的拉力作用下,通过模孔发生塑性变形,使截面减小、长度增加的一种压力加工方法,拉伸相对于轧制工艺,组织致密性要差,同样加工率下,拉伸法提升的强度低于轧制法,因而通过拉伸法制备强度、屈强比、抗冲击综合性能优异的铜镍硅合金棒材存在较大的难度。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种在提高强度的同时在外力作用下不易发生变形的铜合金棒材。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铜合金棒材的制备方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为:一种铜合金棒材,其特征在于:该铜合金的质量百分比组成为Ni:4.0~6.8wt%,Si:0.86~1.5wt%,Mn:0.12~0.60%,B:0.001~0.06wt%,余量为Cu和不可避免的杂质。
Ni:Ni在本发明铜镍硅合金中主要起两个作用:一是Ni与Si相,基本以NiSi相为主,当它们从固溶体中析出时,能大幅提高合金的强度,同时提高合金的导电性能,充分形成NiSi相的必要条件是Ni/Si质量比>4;二是富余的Ni又始终使铜的韧性保持较高的水平,这是因为Ni的晶格常数与Cu相近,与Cu能形成连续固溶体,因此,过量的Ni不仅对合金的力学性能有利,还能起到提高含Si铜合金冲击韧度的作用。
Si:Si加入Cu中,主要作用是与Ni形成化合物从铜合金基体里析出,能显著提高Cu的屈服强度和屈强比,铜镍硅合金的强度与NiSi、MnSi析出相的数量和分布有关,当Si含量低于0.86%以下时,合金的抗拉强度很难到1100Mpa以上。据此,本发明高屈强比耐冲击铜镍硅合金中最低Si含量不得低于0.86%,当Si含量超过1.5%时,一是将显著降低铜镍硅合金的塑性和冲击韧度;二是Si显著降低Cu的电导率;三是由于Si与氧的结合能力强,在焊接时易生成低熔点的硅酸盐,影响焊接质量。
Mn:Mn在本发明铜镍硅合金中主要作用是与Si形成强化相MnSi,提高铜镍硅合金强度和冲击韧度,且微量的Mn对铜镍硅合金的导电率损害小,因此,综合考虑本发明铜镍硅合金中Mn的加入量控制在0.12~0.60%。
B:B能延缓铜镍硅固溶时晶粒的生长,并且在合金时效热处理时能降低强化相热敏感性,提高NiSi相的均匀性、析出速度和析出量,抑制析出相的长大,提高其分布的弥散度,从而在提高铜镍硅强度和屈强比的同时,还能改善高Si含量铜镍硅合金的冲击韧性。在本发明中B的添加量是0.001~0.06wt%。
作为优选,该铜合金包括基体相和第二相,第二相包括NiSi相和MnSi相,所述第二相的面积占比为0.03~0.07%。
本发明铜镍硅合金是时效强化型铜合金,基体相为含Ni的α相,Ni、Si、Mn元素固溶入Cu中,使得Cu晶格发生畸变,产生畸变能,使合金得到固溶强化。时效后,合金中的Si分别与Ni和Mn相结合以NiSi、MnSi第二相粒子形式析出,这些弥散分布的NiSi、MnSi化合物可以对位错运动产生阻碍,使合金的强度得到极大的提高。
作为优选,所述NiSi相占第二相面积含量的90~97%。第二相以NiSi相为主,由于MnSi相显微硬度达到470HV以上,其占比过高,材料在切削加工时容易损刀,占比过低,与NiSi相协同强化作用很弱。
作为优选,所述NiSi相与基体相位向关系满足:(100)m//(001)p、[011]m/[010]p。
(100)m:小括号表示的是晶面指数,字母m表示点阵类型是简单单斜,[011]:中括号表示的是晶体的晶向,字母p表示点阵类型是体心正交。NiSi相与基体相呈非共格关系,这种位向关系使得铜镍硅形变时,位错运动不是切割NiSi相,而是绕过NiSi相,NiSi相对位错运动的阻碍作用更强烈,从而阻碍材料抵抗冲击变形的效果更为显著。
作为优选,所述NiSi相平均尺寸≤200nm,MnSi相平均尺寸≤1500nm;NiSi相数量分布满足:2.6~3.2万个/mm2;MnSi相数量分布满足:0.07~0.15万个/mm2。
作为优选,该铜合金的位错密度满足5.3~7.2*1013cm-2,此时溶质原子Ni以及第二相NiSi和MnSi引起晶格发生适度的畸变,对位错运动起到很强的阻碍作用,既能提高强度,又能抵抗冲击变形,但是需要避免位错密度过高,导致晶格发生激烈畸变,几乎完全阻止位错运动,材料受到冲击作用时不能表现出一定的韧性而直接脆断。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为:一种铜合金棒材的制备方法,其特征在于,该铜合金工艺流程包括:熔炼→铸造→挤压→盘拉→联合拉拔→时效退火;所述时效退火工艺采用还原性气氛保护,时效温度:330~420℃,保温时间:3~12h,冷却至60℃以下出炉。
时效退火的作用让固溶的NiSi、MnSi从组织中析出,弥散分布的第二相粒子阻碍位错运动,提高合金的强度,NiSi、MnSi相在析出相总面积占比、粒子尺寸、分布数量以及与基体的位向与匹配关系对合金时效退火后的屈强比有着重要影响,第二相粒子尺寸越细小,分布越弥散,合金的屈服强度越高,屈强比也越大,NiSi析出相与基体相的位向关系不仅与时效前加工率有关,还与时效温度及保温时间有关。在加工率不变的情况下,时效温度低于330℃,NiSi、MnSi相析出数量少,分布比例低,此时,NiSi相与基体相一般呈(010)m//(100)p、[001]m/[100]p,合金强度低,如果时效温度高于420℃,NiSi、MnSi相尺寸长大,发生过时效,时效时间越长,尺寸越大,长大后的NiSi相与基体α相呈(011)m//(101)p、[010]m/[100]p,降低屈服强度和冲击韧度。
作为优选,所述铸造温度:1180~1250℃,采用冷却水进行冷却,拉铸速度:30~60mm/min,铸锭出结晶器温度控制在670~780℃。由于本发明铜镍硅合金,Si含量高,铸造内应力大,为改善铸造应力作用导致铸锭心部开裂问题,故采用拉红锭工艺。铸锭出结晶器温度低于670℃,说明一次冷却强度过大,液固线上移至结晶器内,铸锭凝壳与结晶器内表面接触面积增大,摩擦阻力也随之加大,铸锭表面质量差;高于780℃温度后,液固线下移,凝壳变薄,铸锭心部铜水易熔化薄薄的凝壳,产生漏铜,导致拉铸失败。
作为优选,所述挤压工艺中,铸锭加热温度:850~980℃,挤压速度:8~15mm/s,双流挤压,挤压比:50~200,挤压坯从模具中挤出后在线固溶,固溶温度为780~850℃。挤压比低于50以下,因挤压变形程度低,挤压坯组织容易出现铸锭铸态组织,材料性能变差,但挤压比过高,超过200以上,挤压力超过挤压机限制挤压力,造成铸锭挤不出或者损坏设备。挤压速度低时,需要更长的时间才能挤压完整根铸锭,铸锭温降快,铸锭尾端变形抗力增大,不能顺利完成整根铸锭挤压,挤压速度过快时,挤压力急剧增大,超过挤压机限制压力,造成挤压杆断裂,本发明合金适应采用8~15mm/s速度挤压。完成挤压时间挤压坯从模孔流出时表面温度低于780℃,固溶不充分,时效时NiSi相析出数量不够,强化达不到峰值效果,这个温度高于850℃以上,要求铸锭加热温度更高,固溶后坯料晶粒粗大,导致最终产品屈服比及冲击韧度下降。
作为优选,所述盘拉的加工率需控制在80~85%,所述联合拉拔的加工率需控制在9~23%,两道工序中间不退火直接大加工率拉伸,将大幅增加合金内的位错密度,引起时效期间的“不连续析出”,可显著提高峰值时的强度,缩短达到峰值强度的时间。如果盘拉加工率低于80%,为了提高合金内部位错密度,势必要提高联合拉拔的加工率,导致联合拉拔容易断线,如果联合拉拔加工率低于9%,导致合金内部位错密度偏低,时效处理不能达到峰值强度,如果盘拉加工率超过85%,线坯塑性严重下降,导致联合拉拔工序拉拔的棒材矫不直,如果成品联合拉拔加工率超过23%,导致材料冲击韧度下降,受外力作用时易断裂。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明通过在铜合金中添加Ni、Si、Mn、B并控制各自的含量,最终实现抗拉强度Rm≥1100MPa、屈强比Rp0.2/Rm≥0.95、冲击韧度ak≥0.9kj/cm2的铜镍硅合金棒材,在提高强度的同时实现材料受到外力作用时,不易发生变形而失效。
具实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供10个实施例和4个对比例,具体成分见表1。
实施例的制备步骤如下:
1)熔炼:按照所需成分进行配料,熔炼温度为1090~1260℃。
2)铸造:铸造温度:1180~1250℃,采用冷却水进行冷却,拉铸速度:30~60mm/min,铸锭出结晶器温度控制在670~780℃,铸锭锯切规格:φ245mm*600mm。
3)挤压:铸锭加热温度:850~980℃,挤压速度:8~15mm/s,双流挤压,挤压比:50~200,挤压坯从模具中挤出后在线固溶,固溶温度为780~850℃。
4)盘拉:盘拉的加工率80~85%;
5)联合拉拔:联合拉拔的加工率9~23%。
6)时效退火:采用还原性气氛H2保护,时效温度:330~420℃,保温时间:3~12h,冷却至60℃以下出炉。
7)精密矫直。
8)成品检验,关键工艺参数控制见表2、3。
对比例1按照实施例1的制备方法进行制备。
对比例2与实施例1的不同之处在于:时效温度为300℃。
对比例3与实施例1的不同之处在于:时效温度为450℃。
对比例4与实施例1的不同之处在于:联合拉拔的加工率为27%。
对得到的实施例、对比例的微观组织进行以下检测,结果记录于表4。
相占比、相尺寸、相分布数量用扫描电镜下观测;
位错密度:用X射线衍射仪观测。
对10个实施例和4个对比例进行以下性能检测,结果记录于表5。
抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和延伸率A100:按照GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》检测。
硬度HV5:按GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》检测。
冲击韧度ak:按GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检测。
导电率:按GB/T351-2019《金属材料电阻系数测量方法》测量。
表1本发明实施例和对比例的成分/wt%
编号 | Ni | Si | Mn | B | 余量 |
实施例1 | 4.52 | 0.97 | 0.17 | 0.0035 | 余量 |
实施例2 | 5.16 | 1.08 | 0.55 | 0.024 | 余量 |
实施例3 | 6.09 | 1.25 | 0.36 | 0.0066 | 余量 |
实施例4 | 4.15 | 0.89 | 0.14 | 0.0025 | 余量 |
实施例5 | 6.21 | 1.28 | 0.15 | 0.046 | 余量 |
实施例6 | 5.74 | 1.04 | 0.40 | 0.0018 | 余量 |
实施例7 | 4.92 | 1.18 | 0.35 | 0.017 | 余量 |
实施例8 | 5.53 | 0.95 | 0.57 | 0.031 | 余量 |
实施例9 | 4.27 | 1.08 | 0.26 | 0.052 | 余量 |
实施例10 | 5.07 | 1.15 | 0.37 | 0.0048 | 余量 |
对比例1 | 3.87 | 0.90 | 0.16 | <0.001 | 余量 |
表2本发明实施例的关键工艺参数控制
3本发明实施例的关键工艺参数控制
表4本发明实施例、对比例的微观组织
表5本发明实施例、对比例的性能
Claims (10)
1.一种铜合金棒材,其特征在于:该铜合金的质量百分比组成为Ni:4.0~6.8wt%,Si:0.86~1.5wt%,Mn:0.12~0.60%,B:0.001~0.06wt%,余量为Cu和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铜合金棒材,其特征在于:该铜合金包括基体相和第二相,第二相包括NiSi相和MnSi相,所述第二相的面积占比为0.03~0.07%。
3.根据权利要求2所述的铜合金棒材,其特征在于:所述NiSi相占第二相面积含量的90~97%。
4.根据权利要求2所述的铜合金棒材,其特征在于:所述NiSi相与基体相位向关系满足:(100)m//(001)p、[011]m/[010]p。
5.根据权利要求2所述的铜合金棒材,其特征在于:所述NiSi相平均尺寸≤200nm,MnSi相平均尺寸≤1500nm;NiSi相数量分布满足:2.6~3.2万个/mm2;MnSi相数量分布满足:0.07~0.15万个/mm2。
6.根据权利要求1所述的铜合金棒材,其特征在于:该铜合金的位错密度满足5.3~7.2*1013cm-2。
7.一种权利要求1至6任一权利要求所述的铜合金棒材的制备方法,其特征在于,该铜合金工艺流程包括:熔炼→铸造→挤压→盘拉→联合拉拔→时效退火;所述时效退火工艺采用还原性气氛保护,时效温度:330~420℃,保温时间:3~12h,冷却至60℃以下出炉。
8.根据权利要求7所述的铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述铸造温度:1180~1250℃,采用冷却水进行冷却,拉铸速度:30~60mm/min,铸锭出结晶器温度控制在670~780℃。
9.根据权利要求7所述的铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述挤压工艺中,铸锭加热温度:850~980℃,挤压速度:8~15mm/s,双流挤压,挤压比:50~200,挤压坯从模具中挤出后在线固溶,固溶温度为780~850℃。
10.根据权利要求7所述的铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述盘拉的加工率80~85%,所述联合拉拔的加工率9~23%。
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