CN116043061A

CN116043061A - 一种弹性铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN116043061A
Application number: CN202310062764.2A
Authority: CN
Inventors: 李周; 邱文婷; 姜雁斌
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2023-01-18
Filing date: 2023-01-18
Publication date: 2023-05-02

Abstract

本发明提供了一种弹性铜合金及其制备方法。根据本发明的弹性铜合金，通过合金化的手段，显著增加了Zn元素的含量，有效降低了溶体的粘度，改善了溶体的流动性，调控了不同组分液相的表面张力，减少了反偏析，细化了晶粒，减少了Sn的枝晶偏析，提高了合金的强度和加工硬化率，成材率高。本发明还提供了弹性铜合金的制备方法。

Description

一种弹性铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种弹性铜合金及其制备方法。

背景技术

随着高端装备和电子等工业的发展，对弹性铜合金材料的性能提出了更高的要求。高可靠性、高使用寿命、高负载、高环境适应能力和绿色环保已成为弹性铜合金材料的主要发展方向。CuNiSn系合金具有优异的强度、弹性和中温抗应力松弛性能等诸多优点，在继电器、电位器、开关、接插件以及高精度仪器仪表传感器的敏感元件中均有非常广泛的应用。

CuNiSn系合金是典型的时效强化合金。合金时效过程中，随着调幅分解和纳米强化相的析出，合金的强度提高。在CuNiSn系合金制备过程中，由于Sn的熔点与Cu的熔点差异较大，且CuNiSn系合金固-液温度区间大，在铸锭冷却凝固过程中极易产生Sn的反偏析和枝晶偏析，在均匀化或热加工加热的环节，极易产生液态薄膜，产生热裂，后续加工无法进行，成材率极低，且性能的均匀性降低，导致该合金难以产业化。

因此，仍需开发一种新的弹性铜合金。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种弹性铜合金，该弹性铜合金性能均匀性高，成材率大。

本发明还提供了一种制备弹性铜合金的方法。

本发明的第一方面提供了一种弹性铜合金，包括铜和质量百分比计的以下组分：

Ni：5.5％～21.0％，

Sn：1.5％～9.0％，

Zn：2.0％～5.0％，

Nb：0.05％～0.15％，

Zr：0.02％～0.1％，

B：0.02％～0.1％。

本发明关于弹性铜合金的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明的弹性铜合金，较常用的铜镍锡合金，通过合金化的手段(即添加或改变材料中合金元素种类及含量)，显著增加了Zn元素的含量，通过Zn含量的显著提高，可以有效降低溶体的粘度，改善溶体的流动性，调控不同组分液相的表面张力，减少反偏析，细化晶粒，减少Sn的枝晶偏析，尽可能避免均匀化过程中液态薄膜的形成，避免均匀化和热加工过程中的开裂，提高合金的强度和加工硬化率。显著提高Zn元素的添加，提高了溶体的流动性，使铸锭中的气孔、夹杂和缩松等缺陷显著降低，而且可显著提高和合金的固溶强化效果。通过Nb、Zr、B的组合添加，显著细化铸坯组织，减少Sn的反偏析和枝晶偏析，节省了均匀化的时间，节约了能源，提高了合金的强度。

根据本发明的一些实施方式，包括铜和质量百分比计的以下组分：

Ni：9.0％～21.0％，

Sn：2.0％～9.0％，

Zn：2.0％～5.0％，

Nb：0.05％～0.15％，

Zr：0.05％～0.1％，

B：0.02％～0.1％。

本发明的第二方面提供了一种制备弹性铜合金的方法，包括以下步骤：

S1：按配比，加入铜、镍、铌、锡、锌、铜硼合金和铜锆合金进行熔炼，得到金属熔液；

S2：将所述金属溶液转炉拉铸，得到铸坯；

S3：对所述铸坯进行均匀化处理后，热加工；

S4：对热加工后的材料进行固溶处理后，冷加工；

S5：对冷加工后的材料进行时效处理，得到所述的弹性铜合金。

本发明关于弹性铜合金的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

本发明弹性铜合金的制备方法，首先通过合金化的手段，显著提高Zn元素的添加，降低溶体的粘度，增加溶体的流动性，减小固液温度区间，调控不同组分液相的表面张力，较小Sn的反偏析，通过显著细化铸坯组织，减少Sn的枝晶偏析，尽可能避免均匀化过程中液态薄膜的形成，避免均匀化和热加工过程中的开裂；减少均匀化的时间，节省能源，同时，而且还能提高合金的力学性能。

本发明弹性铜合金的制备方法，通过显著提高Zn元素的添加，提高了溶体的流动性，使铸锭中的气孔、夹杂和缩松等缺陷显著降低，而且可显著提高和合金的固溶强化效果。

本发明弹性铜合金的制备方法，通过Nb、Zr、B显著细化铸坯组织，减少Sn的反偏析和枝晶偏析，同时，细晶强化的效果好。

根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，加料的顺序可以为：铜+镍熔化→铌→锡→锌→铜硼合金→铜锆合金→煅烧木炭覆盖→升温→测温→取样化验→静置10min→转炉→测温→调整温度→保温炉捞渣→鳞片石墨+焦性硼砂覆盖→取样化验。

熔炼炉捞渣后覆盖煅烧木炭、保温炉捞渣后鳞片石墨+焦性硼砂覆盖。

根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，拉铸时，铜液位控制：液面距离炉口400mm(上限)～1000mm(下限)。

根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，转炉温度为1220℃～1300℃。

根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述拉铸的起拉温度为1200℃～1270℃。

根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述拉铸的铸造速度为4.5m/h～6.0m/h。

根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，拉铸时，冷却水的进水温度10℃～30℃，进水水压0.2MPa～0.8MPa。

根据本发明的一些实施方式，步骤S3中，所述热加工包括热挤压或热轧。

根据本发明的一些实施方式，步骤S3中，热加工前，铸坯的加热温度为850℃～880℃，加热的时间为3h～8h。

若热加工为热轧，热轧的道次变形量25％～35％，终轧温度＞700℃。

若热加工为热挤压，热挤压的变形量50％～70％。

热加工后进行水淬。

根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，所述固溶处理的温度为830℃～880℃，时间为1h～5h。

根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，所述冷加工的道次变形量为10％～25％，总冷变量<70％。

根据本发明的一些实施方式，步骤S5中，所述时效处理的温度为400℃～480℃，时间为1h～3h。

本发明的弹性铜合金及其制备方法，通过显著提高Zn元素的含量，降低溶体的粘度，增加溶体的流动性，减小固液温度区间，调控不同组分液相的表面张力，减少Sn的反偏析，通过显著细化铸坯组织，减少Sn的枝晶偏析，尽可能避免均匀化过程中液态薄膜的形成，避免均匀化和热加工过程中的开裂；减少均匀化的时间，节省能源，同时，而且还能提高合金的力学性能；增加成材率。

通过显著提高Zn元素的含量，提高了溶体的流动性，使铸锭中的气孔、夹杂和缩松等缺陷显著降低，而且可显著提高和合金的固溶强化效果；增加成材率。

通过Nb、Zr、B显著细化铸坯组织，减少Sn的枝晶偏析，同时，细晶强化的效果好，增加成材率。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

在本发明的一些实施例中，本发明提供了一种弹性铜合金，包括铜和质量百分比计的以下组分：

Ni：5.5％～21.0％，

Sn：1.5％～9.0％，

Zn：2.0％～5.0％，

Nb：0.05％～0.15％，

Zr：0.02％～0.1％，

B：0.02％～0.1％。

可以理解，本发明的弹性铜合金，较常用的铜镍锡合金，通过合金化的手段(即添加或改变材料中合金元素种类及含量)，显著增加了Zn元素的含量，通过Zn含量的显著提高，可以有效降低溶体的粘度，改善溶体的流动性，调控不同组分液相的表面张力，减少反偏析，细化晶粒，减少Sn的枝晶偏析，尽可能避免均匀化过程中液态薄膜的形成，避免均匀化和热加工过程中的开裂，提高合金的强度和加工硬化率。显著提高Zn元素的添加，提高了溶体的流动性，使铸锭中的气孔、夹杂和缩松等缺陷显著降低，而且可显著提高和合金的固溶强化效果。通过Nb、Zr、B的组合添加，显著细化铸坯组织，减少Sn的反偏析和枝晶偏析，节省了均匀化的时间，节约了能源，提高了合金的强度。

在本发明的一些实施例中，弹性铜合金包括铜和质量百分比计的以下组分：

Ni：9.0％～21.0％，

Sn：2.0％～9.0％，

Zn：2.0％～5.0％，

Nb：0.05％～0.15％，

Zr：0.05％～0.1％，

B：0.02％～0.1％。

在本发明的另外一些实施例中，本发明提供了一种制备弹性铜合金的方法，包括以下步骤：

S2：将所述金属溶液转炉拉铸，得到铸坯；

S3：对所述铸坯进行均匀化处理后，热加工；

S4：对热加工后的材料进行固溶处理后，冷加工；

可以理解，本发明弹性铜合金的制备方法，首先通过合金化的手段，显著提高Zn元素的添加，降低溶体的粘度，增加溶体的流动性，减小固液温度区间，调控不同组分液相的表面张力，较小Sn的反偏析，通过显著细化铸坯组织，减少Sn的枝晶偏析，尽可能避免均匀化过程中液态薄膜的形成，避免均匀化和热加工过程中的开裂；减少均匀化的时间，节省能源，同时，而且还能提高合金的力学性能。

还可以理解，本发明弹性铜合金的制备方法，通过显著提高Zn元素的添加，提高了溶体的流动性，使铸锭中的气孔、夹杂和缩松等缺陷显著降低，而且可显著提高和合金的固溶强化效果。

具体而言，本发明弹性铜合金的制备方法，通过Nb、Zr、B显著细化铸坯组织，减少Sn的反偏析和枝晶偏析，同时，细晶强化的效果好。

在本发明的一些实施例中，步骤S1中，加料的顺序可以为：铜+镍熔化→铌→锡→锌→铜硼合金→铜锆合金→煅烧木炭覆盖→升温→测温→取样化验→静置10min→转炉→测温→调整温度→保温炉捞渣→鳞片石墨+焦性硼砂覆盖→取样化验。

在本发明的一些实施例中，步骤S2中，拉铸时，铜液位控制：液面距离炉口400mm(上限)～1000mm(下限)。

在本发明的一些实施例中，步骤S2中，转炉温度为1220℃～1300℃。

在本发明的一些实施例中，步骤S2中，所述拉铸的起拉温度为1200℃～1270℃。

在本发明的一些实施例中，步骤S2中，所述拉铸的铸造速度为4.5m/h～6.0m/h。

在本发明的一些实施例中，步骤S2中，拉铸时，冷却水的进水温度10℃～30℃，进水水压0.2MPa～0.8MPa。

在本发明的一些实施例中，步骤S3中，所述热加工包括热挤压或热轧。

在本发明的一些实施例中，步骤S3中，热加工前，铸坯的加热温度为850℃～880℃，加热的时间为3h～8h。

在本发明的一些实施例中，若热加工为热轧，热轧的道次变形量25％～35％，终轧温度＞700℃。

在本发明的一些实施例中，若热加工为热挤压，热挤压的变形量50％～70％。

在本发明的一些实施例中，热加工后进行水淬。

在本发明的一些实施例中，步骤S4中，所述固溶处理的温度为830℃～880℃，时间为1h～5h。

在本发明的一些实施例中，步骤S4中，所述冷加工的道次变形量为10％～25％，总冷变量<70％。

在本发明的一些实施例中，步骤S5中，所述时效处理的温度为400℃～480℃，时间为1h～3h。

需要强调的是，本发明的弹性铜合金及其制备方法，通过显著提高Zn元素的含量，降低溶体的粘度，增加溶体的流动性，减小固液温度区间，调控不同组分液相的表面张力，减少Sn的反偏析，通过显著细化铸坯组织，减少Sn的枝晶偏析，尽可能避免均匀化过程中液态薄膜的形成，避免均匀化和热加工过程中的开裂；减少均匀化的时间，节省能源，同时，而且还能提高合金的力学性能；增加成材率。

此外，通过显著提高Zn元素的含量，提高了溶体的流动性，使铸锭中的气孔、夹杂和缩松等缺陷显著降低，而且可显著提高和合金的固溶强化效果；增加成材率。

再者，通过Nb、Zr、B显著细化铸坯组织，减少Sn的枝晶偏析，同时，细晶强化的效果好，增加成材率。

下面，再结合具体的实施例来更好的理解本发明的技术方案。

实施例1

本实施例制备了一种弹性碳合金，成分为：

Ni：15.0％；Sn：8.0％；Zn：5.0％；Nb：0.07％，Zr：0.05％；B：0.05％，质量百分数，余量为铜和不可避免的杂质，半连续电磁铸造的方法制备坯锭。

熔炼、拉铸：

(1)熔炼炉捞渣后覆盖煅烧木炭、保温炉捞渣后鳞片石墨+焦性硼砂覆盖。

(2)熔化转炉温度：1270℃，起拉温度1240-1250℃。

铜液位控制：液面距离炉口500mm(上限)，拉铸。

(3)冷却水：进水温度20℃；进水水压：0.5Mpa

(4)铸造速度：4.5m/h。

均匀化；

热加工；

(1)铸坯加热温度：870℃，时间3小时。

(2)热挤压：总变形量75％，水淬。

固溶：

(1)热轧淬火态样品固溶处理，固溶温度：850℃，时间3小时.

冷加工：

(1)总冷变形量43％。

时效：

(1)时效温度420℃，时间3小时。

合金的力学性能如表1所示。

表1

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率％
				Cu15Ni8Sn5ZnNbZrB	1390	1300	4.1

实施例2

本实施例制备了一种弹性碳合金，成分为：

Ni：9.0％；Sn：2.0％；Zn：2.0％；Nb：0.1％，Zr：0.05％；B：0.05％，质量百分数，余量为铜和不可避免的杂质，半连续电磁铸造的方法制备坯锭。

熔炼、拉铸：

(2)熔化转炉温度：1270℃，起拉温度1250-1270℃。

铜液位控制：液面距离炉口500mm(上限)，拉铸。

(3)冷却水：进水温度20℃；进水水压：0.5Mpa

(4)铸造速度：4.5m/h。

均匀化；

热加工：

(1)铸坯加热温度：870℃，时间2小时。

(2)热轧：热轧道次变形量25％，总变形量75％，终轧温度＞720℃，水淬。

固溶：

(1)热轧淬火态样品固溶处理，固溶温度：870℃，时间2小时.

冷加工：

(1)总冷变形量40％。

时效：

(1)时效温度450℃，时间1.5小时。

合金的力学性能与表2所示。

表2

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率％
				Cu9Ni2Sn2ZnNbZrB	750	630	8

实施例3

本实施例制备了一种弹性碳合金，成分为：

Ni：9.0％；Sn：6.0％；Zn：3.0％；Nb：0.1％，Zr：0.05％；B：0.05％，质量百分数，余量为铜和不可避免的杂质，半连续电磁铸造的方法制备坯锭。

熔炼、拉铸：

(2)熔化转炉温度：1270℃，起拉温度1250-1270℃。

铜液位控制：液面距离炉口500mm(上限)，拉铸。

(3)冷却水：进水温度20℃；进水水压：0.5Mpa

(4)铸造速度：4.5m/h。

均匀化；

热加工：

(1)铸坯加热温度：880℃，时间2.5小时。

(2)热挤压：总变形量80％，，水淬。

固溶：

(1)热轧淬火态样品固溶处理，固溶温度：870℃，时间2小时.

冷加工：

(1)总冷变形量65％。

时效：

(1)时效温度440℃，时间1.5小时。

合金的力学性能与表3所示。

表3

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率％
				Cu9Ni6Sn3ZnNbZrB	1005	870	5.5

实施例4

本实施例制备了一种弹性碳合金，成分为：

Ni：20.0％；Sn：5.0％；Zn：2.0％；Nb：0.05％，Zr：0.05％；B：0.05％，质量百分数，余量为铜和不可避免的杂质，半连续电磁铸造的方法制备坯锭。

熔炼、拉铸：

(2)熔化转炉温度：1300℃，起拉温度1270-1290℃。

铜液位控制：液面距离炉口500mm(上限)，拉铸。

(3)冷却水：进水温度20℃；进水水压：0.5Mpa

(4)铸造速度：4.5m/h。

均匀化；

热加工：

(1)铸坯加热温度：880℃，时间3小时。

(2)热挤压：总变形量75％，水淬。

固溶：

(1)热轧淬火态样品固溶处理，固溶温度850℃，时间3小时.

冷加工：

(1)总冷变形量65％。

时效：

(1)时效温度450℃，时间1.5小时。

合金的力学性能与表4所示。

表4

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率％
				Cu20Ni5Sn2ZnNbZrB	1270	1180	5.2

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种弹性铜合金，其特征在于，包括铜和质量百分比计的以下组分：

Ni：5.5％～21.0％，

Sn：1.5％～9.0％，

Zn：2.0％～5.0％，

Nb：0.05％～0.15％，

Zr：0.02％～0.1％，

B：0.02％～0.1％。

2.根据权利要求1所述的弹性铜合金，其特征在于，包括铜和质量百分比计的以下组分：Ni：9.0％～21.0％，

Sn：2.0％～9.0％，

Zn：2.0％～5.0％，

Nb：0.05％～0.15％，

Zr：0.05％～0.1％，

B：0.02％～0.1％。

3.一种制备如权利要求1或2任一项所述的弹性铜合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2：将所述金属溶液转炉拉铸，得到铸坯；

S3：对所述铸坯进行均匀化处理后，热加工；

S4：对热加工后的材料进行固溶处理后，冷加工；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，转炉温度为1220℃～1300℃。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述拉铸的起拉温度为1200℃～1270℃。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述拉铸的铸造速度为4.5m/h～6.0m/h。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述热加工包括热挤压或热轧。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述固溶处理的温度为830℃～880℃，时间为1h～5h。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述冷加工的道次变形量为10％～25％，总冷变量<70％。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S5中，所述时效处理的温度为400℃～480℃，时间为1h～3h。