CN116377280A - 内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，包括以下质量百分比的组分：2.5~3.5%的Ni，0.6~0.85%的Si，0.3~0.5%的Cr，余量为铜；铜镍硅合金中含有30‑35%体积的高密度、且具有不同取向的纳米孪晶，纳米孪晶的厚度为5~70 nm，不同取向的纳米孪晶呈相互交叉状，或纳米孪晶的尖端终止于不同取向的纳米孪晶晶界和晶粒边界处，铜镍硅合金中还均匀分布有粒径为6~20nm的纳米级析出相。本发明将元素配比优化、调控热处理和晶粒细化工艺相结合，使均匀分布的析出相和高密度多取向纳米孪晶同时存在于合金基体中，达到改变合金内部组织结构，显著提高合金性能，制备高强、高导、高延伸性铜镍硅合金的目的。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金的制备技术领域，具体的说是一种将析出相和不同取向孪晶结合的高强、高导、高延伸性的高性能铜镍硅合金材料及其制备方法。
背景技术
铜镍硅合金具有优异的强度和导电性，是电子电器工业中广为应用的一种合金。铜镍硅合金的强度一般为600MPa左右，导电率为30%IACS左右，其广泛应用在引线框架和连接器接头等器件上。铜镍硅合金的内部主要以析出相Ni2Si的析出来提升合金的性能。在Ni2Si析出相析出的过程中，易受温度影响而造成内部析出相聚集，分布不均等问题，因此，如何在铜镍硅合金制备的过程中对析出相的结构、析出位置以及分布状况进行有效把控，对于提升铜镍硅合金的性能来说具有重要的作用。
纳米孪晶具有强度高，塑性和加工硬化好等优点。相比于传统的析出强化和晶粒细化周围通常产生有很高的应变梯度，造成应力集中的问题。纳米孪晶晶粒周围在均匀塑性应变下几乎没有应变/应力集中，因此纳米孪晶可有效提高材料的强度和延展性。但孪晶结构通常不易在铜合金等高层错能材料中出现，因为铜合金材料内部可开动的滑移系多，造成位错的滑移往往取代了孪晶的产生。同时，现有技术中合金内部的孪晶结构通常为单取向结构，单取向结构的纳米孪晶由于自身结构的限制，对于合金基体的细化作用和延伸率提高来说，作用较为有限。
另外，现有技术中，合金内部的析出相和纳米孪晶结构同时存在的状况很少，因为在析出相的引入过程中，析出相Ni2Si生成所需的高温环境会对结构脆弱的纳米孪晶结构进行破坏，进而导致成品合金中两者不能同时存在。因此，如何在制备过程中对铜镍硅合金的内部结构进行有效改进，使其导电率、延伸性、抗拉强度等性能得到同步显著提高，以制备出综合性能得到显著提升的铜镍硅合金，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的技术目的为：提供一种将元素配比优化、调控热处理和晶粒细化工艺相结合的铜镍硅合金制备新方法，使均匀分布的析出相和高密度多取向纳米孪晶同时存在于合金基体中，以达到改变合金内部组织结构，显著提高合金性能，制备高强、高导、高延伸性铜镍硅合金的目的。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，包括以下质量百分比的组分：2.5~3.5%的Ni，0.6~0.85%的Si，0.3~0.5%的Cr，余量为铜和不可避免的杂质元素；该铜镍硅合金中含有30-35%体积的高密度、且具有不同取向的纳米孪晶，所述纳米孪晶的厚度为5~70 nm，不同取向的纳米孪晶呈相互交叉状，或者纳米孪晶的尖端终止于不同取向的纳米孪晶晶界和晶粒边界处，铜镍硅合金中还均匀分布有粒径为6~20nm的纳米级析出相。
内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、合金熔炼
按照上述质量百分配比，分别称取镍、硅、铬和铜置于高频真空熔炼炉中，于惰性气体保护条件下对其进行高温真空熔炼，之后，于950~1100℃条件下进行浇筑，空冷至室温后，制得合金铸锭，备用；
步骤二、热挤压
将步骤一制得的合金铸锭加热至900~1050℃进行保温处理1~2h，之后热挤压成棒坯，备用；
步骤三、固溶处理
在惰性气体保护条件下，将步骤二制得的棒坯于850~900℃环境中进行保温固溶处理1~1.5h，之后，水淬；
步骤四、引入析出相
于惰性气体保护条件下，将步骤三完成水淬后的棒坯置于温度为500~750℃的加热炉内进行保温时效处理30~90min，冷却至室温后，得到内部具有纳米级析出相的棒状试样，备用；
步骤五、多取向孪晶的制备
采用高速冲击型设备对步骤四制得的棒状试样进行-196~-150℃温度条件下的多次、不同方向低温动态塑性变形处理，保证每次的变形速度大于20m/s，且棒状试样的最终变形量ε>1.2，其中，ε = ln (L0/Lf)，L0为棒状试样的初始高度，Lf为棒状试样变形后的最终高度；即得成品内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金。
优选的，在步骤一中，所述高温真空熔炼前，需对高频真空熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为5×10-2~7×10-2Pa，然后，充入惰性气体使炉内压强为0.04~0.06 MPa。
优选的，在步骤一中，所述高温真空熔炼时的温度为1000~1200℃。
优选的，在步骤一、步骤三和步骤四中，所述的惰性气体为氩气。
优选的，在步骤三中，所述的保温固溶处理在箱式电阻炉中进行。
优选的，在步骤四中，所述的加热炉为真空管式炉，且冷却过程于空气环境中进行。
优选的，在步骤五中，所述低温动态塑性变形处理的过程中，每次进行变形前均需对棒状试样进行5~8 min的液氮冷却处理。
优选的，在步骤五中，所述的高速冲击型设备为高速落地锤。
优选的，在步骤五中，所述的多次、不同方向低温动态塑性变形处理的方式为，先以棒状试样的滚动方向进行冲击，每次冲击后顺时针翻转90°，此翻转过程进行5~10次；再以棒状试样的横截面方向进行冲击，使棒状试样的最终变形量ε>1.2。
本发明的有益效果：
1、本发明所制备的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，通过特定温度下的热挤压工艺消除了冶炼铜镍硅合金过程中的铸造缺陷，优化了其微观组织结构；并通过短时高效的保温时效处理引入了均匀分布的Ni2Si析出相，再通过对合金进行多步骤、有次序的不同方向低温动态塑性变形处理工艺，在合金内部成功引入了不同取向的纳米孪晶，且多取向孪晶制备的过程中预先引入的析出相不受到破坏。在保证成品铜镍硅合金较高导电率和延伸率的前提下，使得其抗拉强度得到显著提升，具有优异的综合性能。经测定，本发明所制得内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的抗拉强度达到了760Mpa以上，导电率达到了41%IACS以上，延伸率达到了15.2%以上，综合性能优异，具有较好的应用前景。
2、本发明的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金制备工艺，采用了对铜镍硅合金进行多步骤、有次序，不同方向的低温动态塑性变形的方式，向铜镍硅合金中成功引入了高密度，且具有不同取向的纳米孪晶，使成品铜镍硅合金中多取向纳米孪晶的体积含量>30%，细化了材料的晶粒尺寸，从而显著提升了材料强度；不同取向纳米孪晶的引入还有效提升了材料延伸性和导电性，使成品铜镍硅合金拥有了优异的综合性能。
3、本发明的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金制备工艺，采用析出相先引入的方法，通过后续步骤的超低温动态塑性变形处理，在制备出多取向纳米孪晶的同时，有效保证了合金内部预先引入的析出相的稳定存在，避免后续高温环境会Ni2Si析出相结构的破坏，从而实现了成品铜镍硅合金内部多取向纳米孪晶与均匀分布的析出相的有机共存，保证了孪晶的高密度，也实现了合金的高性能。
4、本发明的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金制备工艺，在时效处理方面对比于多级时效处理来说，步骤简单，操作方便，且效率较高，成本较低，更重要的是其有效保证了Ni2Si析出相的稳定析出和均匀分布。
5、本发明的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金制备工艺，在引入纳米孪晶方面，内部结构错综复杂的多取向纳米孪晶相较于单取向纳米孪晶来说，其内部结构更为丰富、多样，对于合金的细化作用更好，能够显著提高合金的延伸性和抗拉强度，进而是合金的综合性能更加优越。
6、本发明所制备的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，实现了合金内部高密度多取向纳米孪晶与均匀分布的Ni2Si析出相的同时有机共存。其中，合金内部不同取向纳米孪晶的出现可以将基体细分为许多纳米尺度的限制区域，因此，利用不同取向孪晶的相互作用不仅可以有效促进合金微观组织的细化，提升材料强度，还可以诱发霍尔佩奇效应，从而引发合金应变硬化的增加，进而提升材料的延伸性。而-196~-150℃超低温环境下的多次、不同方向低温动态塑性变形处理正是制备多取向纳米孪晶的关键。因为当铜镍硅合金材料处于低温和高速变形的状态下时，其晶粒和位错之间的作用需更大的切应力，此时材料的塑性变形难以以滑移的方式进行，因此材料内部可有效形成纳米孪晶。而且，在低温高速变形的状态下产生的孪晶其尺寸远小于金属的初始晶粒尺寸，导致其内部以纳米孪晶，纳米晶粒及晶粒构成，这些结构的出现能够显著提升材料的抗拉强度和延伸性等性能。
7、本发明所制备的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，选取铜镍硅系合金为原材料，优化元素比例并加入铬元素融入基体，特定的元素配比和精准调控的时效时间和温度，保证了Ni2Si析出相的稳定、连续析出。另外，孪晶制备步骤中，通过超低温和多方向高速变形，降低了材料的成错能，引入了以往没有的多取向高密度纳米孪晶，克服了铜镍硅合金中高密度孪晶难制备问题，同时，还保证了前序步骤引入的Ni2Si析出相的结构不被破坏，使两种结构细化方式实现了有机结合，进而使成品合金获得了以往没有的优异综合性能。克服了高密度纳米孪晶和析出相难以共存的问题。
8、本发明的内部多取向纳米孪晶与析出相共存的铜镍硅合金制备工艺，热挤压过程中保温1-2h的操作可以使合金锭受热充分，防止热挤压过程合金受热不均匀造成的合金内部结构缺陷。固溶处理步骤中850~900℃的高温处理环境能够使Ni、Si、Cr等合金元素充分固溶到铜基体中，使得后续析出相能够析出连续。引入析出相的步骤中，500~750℃、30~90min的短时高效处理，是根据Ni2Si的特性，使其析出相能够稳定、均匀析出。多取向孪晶的制备步骤中-196 ~ -150℃的超低温环境保证了在不同方向高速变形条件下多取向孪晶可以更加充分的出现（即多取向纳米孪晶可拥有高的体积分数）。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的内部具有析出相分布的铜镍硅合金的组织形貌图；
图2为本发明实施例2制得的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的组织形貌图；
图3为本发明实施例5制得的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的组织形貌图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，包括以下质量百分比的组分：2.5~3.5%的Ni，0.6~0.85%的Si，0.3~0.5%的Cr，余量为铜和不可避免的杂质元素；该铜镍硅合金中含有30-35%体积的高密度、且具有不同取向的纳米孪晶，所述纳米孪晶的厚度为5~70nm，不同取向的纳米孪晶呈相互交叉状，或者纳米孪晶的尖端终止于不同取向的纳米孪晶晶界和晶粒边界处，铜镍硅合金中还均匀分布有粒径为6~20nm的纳米级析出相。
内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一、合金熔炼
按照上述质量百分配比，分别称取镍、硅、铬和铜置于高频真空熔炼炉中，对高频真空熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为5×10-2~7×10-2Pa，然后，充入氩气使炉内压强为0.04~0.06 MPa，之后，于氩气保护条件下对其进行1000~1200℃条件下的高温真空熔炼，之后，于950~1100℃条件下进行浇筑，空冷至室温后，制得合金铸锭，备用；
步骤二、热挤压
将步骤一制得的合金铸锭加热至900~1050℃进行保温处理1~2h，之后热挤压成棒坯，备用；
步骤三、固溶处理
在氩气保护条件下，将步骤二制得的棒坯放入箱式电阻炉中，于850~900℃环境中进行保温固溶处理1~1.5h，之后，水淬；
步骤四、引入析出相
于氩气保护条件下，将步骤三完成水淬后的棒坯置于温度为500~750℃的真空管式炉内进行保温时效处理30~90min，空冷至室温后，得到内部具有纳米级析出相的棒状试样，备用；
步骤五、多取向孪晶的制备
采用高速落地锤对步骤四制得的棒状试样进行-196~-150℃温度条件下的多次、不同方向低温动态塑性变形处理，低温动态塑性变形处理的过程中，每次进行变形前均需对棒状试样进行5~8 min的液氮冷却处理，多次、不同方向低温动态塑性变形处理的方式为，先以棒状试样的滚动方向进行冲击，每次冲击后顺时针翻转90°，此翻转过程进行5~10次；再以棒状试样的横截面方向进行冲击，保证每次的变形速度大于20m/s，且棒状试样的最终变形量ε>1.2，其中，ε = ln (L0/Lf)，L0为棒状试样的初始高度，Lf为棒状试样变形后的最终高度；即得成品内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金。
本发明的一种内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，将铜镍硅合金经过熔炼及保温时效处理预先引入大量析出相，然后使用低温动态塑性变形法引入不同取向的孪晶，改变内部组织结构，且此过程不破坏析出相状态；在保证延伸性和导电性的同时显著提升了材料的强度。
本发明中使用的术语“固溶处理”是指固溶体凝固时，平衡转变受到抑制，得到亚稳态的过饱和固溶体单相组织的过程。本发明中使用的术语“时效处理”，是指金属或合金工件（如低碳钢等）经固溶处理，从高温淬火或经过一定程度的冷加工变形后，在较高的温度或室温下放置保持其形状、尺寸，性能随时间而变化的热处理工艺。
本发明的工艺方法将元素配比优化和晶粒细化工艺相结合，其目的在于将高密度多取向纳米孪晶和析出相同时存在于基体中，使得成品铜镍硅合金的强度、导电率和延伸率得到同步显著提升。
实施例1
本实施例制备内部仅具有析出相分布的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.35%的铬，余量为铜。
本实施例制备铜镍硅合金的具体制备方法为：
步骤一、合金熔炼：
按照上述质量百分配比，分别称取纯镍、纯硅、纯铬和已准备好的纯度不小于99%的标准电解铜，放入高频真空熔炼炉中，抽真空至炉内压强为7×10-2Pa，然后冲入氩气使炉内压强为0.04 MPa，下一步控制炉内温度处于1100℃，于氩气保护条件下对其进行高温真空熔炼，之后，于1000℃条件下进行浇筑，空冷至室温后，制得合金铸锭，备用；
步骤二、热挤压
将步骤一制得的合金铸锭加热至1000℃进行保温处理2h，之后热挤压成棒坯，备用；
步骤三、固溶处理
将步骤二制得的棒坯放入箱式电阻炉中，在氩气保护条件下，于900℃环境中进行保温固溶处理1.5h，之后，水淬；
步骤四、引入析出相
于氩气保护条件下，将步骤三完成水淬后的棒坯置于温度为550℃的真空管式炉内进行保温时效处理30min，空冷至室温后，得到成品内部具有析出相分布的铜镍硅合金。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试如下：
利用透射电子显微镜观察本实施例所制得的内部具有析出相分布的铜镍硅合金的微观组织形貌，结果如附图1所示。由图1可以清楚的看到，铜镍硅合金中均匀分布有Ni2Si析出相。测试本实施例所制得成品铜镍硅合金的抗拉强度为650.2MPa，导电率为46.4%IACS，延伸率为18.4 %。（见下表1所示）。
实施例2
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.35%的铬，余量为铜。
本实施例制备铜镍硅合金的具体制备方法为：
步骤一、合金熔炼：
按照上述质量百分配比，分别称取纯镍、纯硅、纯铬和已准备好的纯度不小于99%的标准电解铜，放入高频真空熔炼炉中，抽真空至炉内压强为7×10-2Pa，然后冲入氩气使炉内压强为0.04 MPa，下一步控制炉内温度处于1100℃，于氩气保护条件下对其进行高温真空熔炼，之后，于1000℃条件下进行浇筑，空冷至室温后，制得合金铸锭，备用；
步骤二、热挤压
将步骤一制得的合金铸锭加热至1000℃进行保温处理2h，之后热挤压成棒坯，备用；
步骤三、固溶处理
将步骤二制得的棒坯放入箱式电阻炉中，在氩气保护条件下，于900℃环境中进行保温固溶处理1.5h，之后，水淬；
步骤四、引入析出相
于氩气保护条件下，将步骤三完成水淬后的棒坯置于温度为600℃的真空管式炉内进行保温时效处理60min，空冷至室温后，得到内部具有纳米级析出相的棒状试样，备用；
步骤五、多取向孪晶的制备
采用高速落地锤对步骤四制得的棒状试样进行-196℃温度条件下的多次、不同方向低温动态塑性变形处理，每次变形时，样品在液氮温度下浸泡6 min，处理时首先以棒状试样的滚动方向进行冲击，每次冲击后顺时针翻转90°，此翻转过程进行了6次；此过程完成后，再以棒材的原截面方向进行低温动态塑性变形，控制最终变形量ε=1.3，即得成品内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试如下：
利用透射电子显微镜观察本实施例所制得内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的微观组织形貌，结果如附图2所示。由图2可以看出成品内部多取向纳米孪晶与析出相呈共存状态。测试本实施例所制得成品铜合金的抗拉强度为760.2MPa，导电率为40.3%IACS，延伸率为14.3%。（见下表1所示）。
实施例3
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.35%的铬，余量为铜。
本实施例高性能铜镍硅合金的具体制备方法同实施例2，仅将其步骤四中真空管式炉内时效处理的温度调整为650℃，时效时间调整为30min。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为766.6MPa，导电率为41.5%IACS，延伸率为14.9 %。（见下表1所示）。
实施例4
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.35%的铬，余量为铜。
本实施例高性能铜镍硅合金的具体制备方法同实施例2，仅将其步骤四中真空管式炉内时效处理的温度调整为700℃，时效时间调整为30min。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为813.2MPa，导电率为42.1%IACS，延伸率为15.6 %。（见下表1所示）。
实施例5
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.35%的铬，余量为铜。
本实施例高性能铜镍硅合金的具体制备方法同实施例2，仅将其步骤四中真空管式炉内时效处理的温度调整为700℃，时效时间调整为60min。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试如下：
利用透射电子显微镜观察本实施例所制得具有析出相分布和不同取向孪晶的铜镍硅的微观组织形貌，结果如附图3所示。对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为835.5MPa，导电率为42.9%IACS，延伸率为16.1 %。（见下表1所示）。
实施例6
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.35%的铬，余量为铜。
本实施例高性能铜镍硅合金的具体制备方法同实施例2，仅将其步骤四中真空管式炉内时效处理的温度调整为750℃，时效时间调整为60min。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为821.7MPa，导电率为43.5%IACS，延伸率为17.2 %。（见下表1所示）。
实施例7
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.5%的镍，0.85%的硅，0.3%的铬，余量为铜。
本实施例高性能铜镍硅合金的具体制备方法同实施例2。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为786.9MPa，导电率为44.1%IACS，延伸率为16.3 %。（见下表1所示）。
实施例8
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：3.5%的镍，0.6%的硅，0.5%的铬，余量为铜。
本实施例高性能铜镍硅合金的具体制备方法同实施例2。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为801.4MPa，导电率为41.5%IACS，延伸率为15.2 %。（见下表1所示）。
实施例9
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.35%的铬，余量为铜。
本实施例制备铜镍硅合金的具体制备方法为：
步骤一、合金熔炼：
按照上述质量百分配比，分别称取纯镍、纯硅、纯铬和已准备好的纯度不小于99%的标准电解铜，放入高频真空熔炼炉中，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后冲入氩气使炉内压强为0.05 MPa，下一步控制炉内温度处于1200℃，于氩气保护条件下对其进行高温真空熔炼，之后，于950℃条件下进行浇筑，空冷至室温后，制得合金铸锭，备用；
步骤二、热挤压
将步骤一制得的合金铸锭加热至1050℃进行保温处理1h，之后热挤压成棒坯，备用；
步骤三、固溶处理
将步骤二制得的棒坯放入箱式电阻炉中，在氩气保护条件下，于850℃环境中进行保温固溶处理1.5h，之后，水淬；
步骤四、引入析出相
于氩气保护条件下，将步骤三完成水淬后的棒坯置于温度为750℃的真空管式炉内进行保温时效处理50min，空冷至室温后，得到内部具有纳米级析出相的棒状试样，备用；
步骤五、多取向孪晶的制备
采用高速落地锤对步骤四制得的棒状试样进行-150℃温度条件下的多次、不同方向低温动态塑性变形处理，每次变形时，样品在液氮温度下浸泡8 min，处理时首先以棒状试样的滚动方向进行冲击，每次冲击后顺时针翻转90°，此翻转过程进行了10次；此过程完成后，再以棒材的原截面方向进行低温动态塑性变形，控制最终变形量ε=1.5，即得成品内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为844.9MPa，导电率为42.2%IACS，延伸率为16.8 %。（见下表1所示）。
实施例10
本实施例制备内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，该铜镍硅合金由以下质量百分比的合金构成：2.8%的镍，0.65%的硅，0.5%的铬，余量为铜。
本实施例制备铜镍硅合金的具体制备方法为：
步骤一、合金熔炼：
按照上述质量百分配比，分别称取纯镍、纯硅、纯铬和已准备好的纯度不小于99%的标准电解铜，放入高频真空熔炼炉中，抽真空至炉内压强为6×10-2Pa，然后冲入氩气使炉内压强为0.06 MPa，下一步控制炉内温度处于1000℃，于氩气保护条件下对其进行高温真空熔炼，之后，于1100℃条件下进行浇筑，空冷至室温后，制得合金铸锭，备用；
步骤二、热挤压
将步骤一制得的合金铸锭加热至900℃进行保温处理1.5h，之后热挤压成棒坯，备用；
步骤三、固溶处理
将步骤二制得的棒坯放入箱式电阻炉中，在氩气保护条件下，于850℃环境中进行保温固溶处理1h，之后，水淬；
步骤四、引入析出相
于氩气保护条件下，将步骤三完成水淬后的棒坯置于温度为500℃的真空管式炉内进行保温时效处理90min，空冷至室温后，得到内部具有纳米级析出相的棒状试样，备用；
步骤五、多取向孪晶的制备
采用高速落地锤对步骤四制得的棒状试样进行-170℃温度条件下的多次、不同方向低温动态塑性变形处理，每次变形时，样品在液氮温度下浸泡5 min，处理时首先以棒状试样的滚动方向进行冲击，每次冲击后顺时针翻转90°，此翻转过程进行了5次；此过程完成后，再以棒材的原截面方向进行低温动态塑性变形，控制最终变形量ε=1.6，即得成品内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金。
对本实施例制得的成品铜镍硅合金进行性能测试显示，其抗拉强度为860.9MPa，导电率为42.8%IACS，延伸率为17.4%。（见下表1所示）。
表1为各实施例的性能测试对比图表
从上表可以看出，本发明制备的高性能铜镍硅合金在抗拉强度、导电率和延伸率等方面具有显著优势，综合性能优异。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：2.5~3.5%的Ni，0.6~0.85%的Si，0.3~0.5%的Cr，余量为铜和不可避免的杂质元素；该铜镍硅合金中含有30-35%体积的高密度、且具有不同取向的纳米孪晶，所述纳米孪晶的厚度为5~70 nm，不同取向的纳米孪晶呈相互交叉状，或者纳米孪晶的尖端终止于不同取向的纳米孪晶晶界和晶粒边界处，铜镍硅合金中还均匀分布有粒径为6~20nm的纳米级析出相。
2.根据权利要求1所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、合金熔炼
按照上述质量百分配比，分别称取镍、硅、铬和铜置于高频真空熔炼炉中，于惰性气体保护条件下对其进行高温真空熔炼，之后，于950~1100℃条件下进行浇筑，空冷至室温后，制得合金铸锭，备用；
步骤二、热挤压
将步骤一制得的合金铸锭加热至900~1050℃进行保温处理1~2h，之后热挤压成棒坯，备用；
步骤三、固溶处理
在惰性气体保护条件下，将步骤二制得的棒坯于850~900℃环境中进行保温固溶处理1~1.5h，之后，水淬；
步骤四、引入析出相
于惰性气体保护条件下，将步骤三完成水淬后的棒坯置于温度为500~750℃的加热炉内进行保温时效处理30~90min，冷却至室温后，得到内部具有纳米级析出相的棒状试样，备用；
步骤五、多取向孪晶的制备
采用高速冲击型设备对步骤四制得的棒状试样进行-196~-150℃温度条件下的多次、不同方向低温动态塑性变形处理，保证每次的变形速度大于20m/s，且棒状试样的最终变形量ε > 1.2，其中，ε = ln (L0/Lf)，L0为棒状试样的初始高度，Lf为棒状试样变形后的最终高度；即得成品内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金。
3.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤一中，所述高温真空熔炼前，需对高频真空熔炼炉进行抽真空处理，使炉内压强为5×10-2~7×10-2Pa，然后，充入惰性气体使炉内压强为0.04~0.06 MPa。
4.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤一中，所述高温真空熔炼时的温度为1000~1200℃。
5.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤一、步骤三和步骤四中，所述的惰性气体为氩气。
6.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤三中，所述的保温固溶处理在箱式电阻炉中进行。
7.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤四中，所述的加热炉为真空管式炉，且冷却过程于空气环境中进行。
8.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤五中，所述低温动态塑性变形处理的过程中，每次进行变形前均需对棒状试样进行5~8 min的液氮冷却处理。
9.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤五中，所述的高速冲击型设备为高速落地锤。
10.根据权利要求2所述的内部多取向孪晶与析出相共存的铜镍硅合金的制备方法，其特征在于：在步骤五中，所述的多次、不同方向低温动态塑性变形处理的方式为，先以棒状试样的滚动方向进行冲击，每次冲击后顺时针翻转90°，此翻转过程进行5~10次；再以棒状试样的横截面方向进行冲击，使棒状试样的最终变形量ε > 1.2。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006152392A (ja) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Kobe Steel Ltd | 曲げ加工性に優れた高強度銅合金板およびその製造方法 |
| CN101437969A (zh) * | 2006-05-26 | 2009-05-20 | 株式会社神户制钢所 | 高强度、高导电率及弯曲加工性优良的铜合金 |
| JP4563495B1 (ja) * | 2009-04-27 | 2010-10-13 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 銅合金板材およびその製造方法 |
| TW201807209A (zh) * | 2016-03-31 | 2018-03-01 | 同和金屬股份有限公司 | Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｉ系銅合金板材及製造法 |
| CN110055479A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-07-26 | 常州大学 | 一种800MPa级高导电新型铜铬锆合金及其制备方法 |
| CN112251627A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-01-22 | 北京科技大学 | 一种高强高导Cu-Sc合金及其制备方法 |
| CN115537687A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-30 | 华东理工大学 | 一种多级孪晶-层错结构中熵合金及其制备方法 |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006152392A (ja) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Kobe Steel Ltd | 曲げ加工性に優れた高強度銅合金板およびその製造方法 |
| CN101437969A (zh) * | 2006-05-26 | 2009-05-20 | 株式会社神户制钢所 | 高强度、高导电率及弯曲加工性优良的铜合金 |
| JP4563495B1 (ja) * | 2009-04-27 | 2010-10-13 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 銅合金板材およびその製造方法 |
| TW201807209A (zh) * | 2016-03-31 | 2018-03-01 | 同和金屬股份有限公司 | Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｉ系銅合金板材及製造法 |
| CN110055479A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-07-26 | 常州大学 | 一种800MPa级高导电新型铜铬锆合金及其制备方法 |
| CN112251627A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-01-22 | 北京科技大学 | 一种高强高导Cu-Sc合金及其制备方法 |
| CN115537687A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-30 | 华东理工大学 | 一种多级孪晶-层错结构中熵合金及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 雷静果: "CuNiSiCr合金时效析出与再结晶的交互作用", 新技术新工艺, no. 6, 30 June 2005 (2005-06-30), pages 53 - 55 * |
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