CN117535552B - 一种高强高塑性Cu基导电合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强高塑性Cu基导电合金及其制备方法

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Abstract

一种高强高塑性Cu基导电合金及其制备方法，其属于高性能铜合金领域。铜合金成分的原子百分比为Ni：14.5~15.5 at.%，Al：4.0~5.0 at.%，Sn：0.15~0.7 at.%，Si：0~0.5 at.%，Fe：0~0.4 at.%，Co：0~0.4 at.%，其余为Cu含量。通过精准的成分设计及合理的加工工艺匹配，引入多级晶粒尺度分布及多种高密度纳米级共格析出相强化，提升合金的强度及塑性。系列合金的电导率9.5‑12.0%IACS，硬度280‑330HV，极限抗拉强度1000‑1150MPa，屈服强度920‑1120MPa，延伸率10.0‑18.0%。

Description

一种高强高塑性Cu基导电合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强高塑性Cu基导电合金及其制备方法，属于高性能铜合金技术领域。
背景技术
高强导电铜合金广泛应用在汽车、电器及电子工业中，是制造高端仪器仪表以及电子元件的重要材料，最具典型的是时效强化型Cu-Be合金，该合金强度高，导电性能好，还有良好的耐磨、耐疲劳性能，如C17200合金在强度达到1330MPa的同时电导率仍可保持22％IACS，在常温下它可以满足大部分使用要求。但是该合金在生产时会产生有毒粉尘，因此开发其他体系的导电弹性Cu合金材料日益迫切。
Cu-Ni-Al合金通过纳米级L12有序结构的Ni3Al相(a＝0.3572nm)析出强化，经变形加工后该合金强度可达1000MPa，且耐磨和耐蚀性能良好，有望替代Cu-Be合金。Cu-Ni-Al合金中进一步微量添加Si元素，该合金极限抗拉强度为1180MPa,屈服强度为1133MPa且具有一定的电导率，但其延伸率仅为3.6％，限制了其进一步开发与应用(Shen L,Li Z,ZhangZ,et al.Materials&Design(1980-2015),2014,62:265-270.)。
合金的强度和塑性是一对相互权衡的力学性能，其中一方面提升另一个会降低。图11所示为Cu合金中强度-塑性权衡的ashby型强度-塑性曲线图，可以发现强度和塑性之间的相互制约同样是Cu合金中具有挑战性的问题。因此开发一种在不影响Cu-Ni-Al合金屈服强度的情况下实现塑性提升策略是拓展合金工程应用重要方向。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提出一种高强高塑性Cu基导电合金及其制备方法。通过精准的成分设计及合理的加工工艺匹配，引入多级晶粒尺度分布及多种高密度纳米级共格析出相强化，提升合金的强度及塑性。为保证Cu-Ni-Al合金强度及电导率的基础上提升其塑性，选择Sn、Si、Co及Fe协同添加。同时，通过合适的热处理工艺实现合金多级晶粒尺度分布及多种高密度纳米级共格析出相强化。多级晶粒尺度分布的非均质组织状态保证合金中生成软域硬域相结合的区域，利用软硬域之间的应变协调所产生的背应力强化，同时提升合金的强度和塑性。高密度纳米级共格析出相强化在进一步提升合金强度的同时减少了基体内溶质的固溶，保证了合金的电导率。
本发明采用的技术方案是：
通过合理选择共格析出相类型，设计了系列高强度高塑性Cu基导电合金成分。所述铜合金成分的原子百分比为Ni：14.5～15.5at.％，Al：4.0～5.0at.％，Sn：0.15～0.7at.％，Si：0.15～0.5at.％，Fe：0.2～0.4at.％，Co：0.2～0.4at.％，其余为Cu含量。系列合金通过多级晶粒尺度及多种高密度纳米级共格析出相协同提升合金的强度及塑性。多级晶粒尺度包括变形带区域的晶粒尺寸为0.5-1μm，其余的非变性带区域晶粒尺寸为1～20μm。共格析出相的类型有Ni3Al、Ni3Sn及Ni2Si等。系列合金的电导率9.5-12.0％IACS，硬度280-330HV，极限抗拉强度1000-1150MPa，屈服强度920-1120MPa，延伸率10.0-18.0％。
所述的一种高强高塑性Cu基导电合金的制备方法：
(1)采用非自耗真空电弧熔炼，通入高纯氩气保护，对配制好的纯度为4N以上的Cu、Ni、Al等原料进行反复熔炼，得到成分均匀的合金锭；
(2)将铸态合金进行固溶处理，保温温度及时间分别为1000℃及4小时，冷却方式为水淬；随后将固溶态合金进行冷轧，并控制厚度及变形量，厚度变形量为70-90％；
(3)将冷轧态合金进行短时退火处理，保温温度及时间分别为1000℃及5分钟，水淬；随后进行时效处理，保温温度及时间分别为450℃及4小时，随炉冷却。
本发明的有益效果是：
1、通过合理配置元素间焓交互作用，在Cu-Ni-Al合金中添加Sn、Si及Fe等微量元素，引入多种共格析出相如Ni3Al、Ni2Si、Ni3Sn等，提升合金析出强化效果。
2、合理配置热处理工艺，实现多级晶粒尺度分布及多种高密度纳米级共格析出相析出，实现了Cu-Ni-Al合金强度及塑性的协同提升。
合金的强度和塑性是一对相互权衡的力学性能，其中一方面提升另一个会降低，强度和塑性之间的相互制约的。本发明中合金通过多级晶粒尺度及多种高密度纳米级共格析出相协同提升合金的强度及塑性；多级晶粒尺度分布的非均质组织状态保证合金中生成软域硬域相结合的区域，利用软硬域之间的应变协调所产生的背应力强化，同时提升合金的强度和塑性。高密度纳米级共格析出相强化在进一步提升合金强度的同时减少了基体内溶质的固溶，保证了合金的电导率。
附图说明
图1是时效处理后Cu80.00Ni15.00Al4.38Sn0.62(at.％)合金的金相组织图像。
图2是时效处理后Cu80.00Ni15.00Al4.38Sn0.62(at.％)合金工程应力-工程应变曲线。
图3是时效处理后Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.47Sn0.15(at.％)合金的金相组织图像。
图4是时效处理后Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.47Sn0.15(at.％)合金工程应力-工程应变曲线。
图5是时效处理后Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.15Sn0.47(at.％)合金的金相组织图像。
图6是时效处理后Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.15Sn0.47(at.％)合金工程应力-工程应变曲线。
图7是时效处理后Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.31Sn0.31Co0.31(at.％)合金的金相组织图像。
图8是时效处理后Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.31Sn0.31Co0.31(at.％)合金工程应力-工程应变曲线。
图9是时效处理后Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.47Sn0.15Fe0.31(at.％)合金的金相组织图像。
图10是时效处理后Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.47Sn0.15Fe0.31(at.％)合金工程应力-工程应变曲线。
图11现有技术中Cu合金中强度-延性ashby型曲线图。
具体实施方式
下面结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：Cu80.00Ni15.00Al4.38Sn0.62(at.％)合金
步骤一：合金制备及显微组织表征
将成分为Cu80.00Ni15.00Al4.38Sn0.62(at.％)合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu、Ni和Sn、纯度为5N的Al原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭。将铸态合金进行固溶处理，保温温度及时间分别为1000℃及4小时，冷却方式为水淬。随后将固溶态合金进行冷轧，并控制厚度及变形量，厚度变形量为70-90％。最后将冷轧态合金进行短时退火处理，保温温度及时间分别为1000℃及5分钟，水淬；随后进行时效处理，保温温度及时间分别为450℃及4小时，随炉冷却。
步骤二：合金结构和性能表征
采用金相显微镜观察其金相组织如图1所示，呈现出多种晶粒尺度分布。采用万能拉伸试验机测试了合金的拉伸性能，其工程应力应变曲线如图2所示。合金电导率为10.47％IACS，硬度为292.5HV，极限抗拉强度为1021MPa，屈服强度为924MPa，延伸率为11.5％。
实施例2：Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.47Sn0.15(at.％)合金
步骤一：合金制备及显微组织表征
将成分为Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.47Sn0.15合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu、Ni、Sn和Si、纯度为5N的Al原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭。将铸态合金进行固溶处理，保温温度及时间分别为1000℃及4小时，冷却方式为水淬。随后将固溶态合金进行冷轧，并控制厚度及变形量，厚度变形量为70-90％。最后将冷轧态合金进行短时退火处理，保温温度及时间分别为1000℃及5分钟，水淬；随后进行时效处理，保温温度及时间分别为450℃及4小时，随炉冷却。
步骤二：合金结构和性能表征
采用金相显微镜观察其金相组织如图3所示，呈现出多种晶粒尺度分布。采用万能拉伸试验机测试了合金的拉伸性能，其工程应力应变曲线如图4所示。合金电导率为11.16％IACS，硬度为314.9HV，极限抗拉强度为1120MPa，屈服强度为1010MPa，延伸率为15.86％。
实施例3：Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.15Sn0.47(at.％)合金
步骤一：合金制备及显微组织表征
将成分为Cu80.00Ni15.00Al4.38Si0.15Sn0.47(at.％)合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu、Ni、Sn和Si、纯度为5N的Al原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭。将铸态合金进行固溶处理，保温温度及时间分别为1000℃及4小时，冷却方式为水淬。随后将固溶态合金进行冷轧，并控制厚度及变形量，厚度变形量为70-90％。最后将冷轧态合金进行短时退火处理，保温温度及时间分别为1000℃及5分钟，水淬；随后进行时效处理，保温温度及时间分别为450℃及4小时，随炉冷却。
步骤二：合金结构和性能表征
采用金相显微镜观察其金相组织如图5所示，呈现出多种晶粒尺度分布。采用万能拉伸试验机测试了合金的拉伸性能，其工程应力应变曲线如图6所示。合金电导率为10.24％IACS，硬度为314.0HV，极限抗拉强度为1102MPa，屈服强度为1005MPa，延伸率为16.84％。
实施例4：Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.31Sn0.31Co0.31(at.％)合金
步骤一：合金制备及显微组织表征
将成分为Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.31Sn0.31Co0.31(at.％)合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu、Ni、Sn、Co及Si、纯度为5N的Al原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭。将铸态合金进行固溶处理，保温温度及时间分别为1000℃及4小时，冷却方式为水淬。随后将固溶态合金进行冷轧，并控制厚度及变形量，厚度变形量为70-90％。最后将冷轧态合金进行短时退火处理，保温温度及时间分别为1000℃及5分钟，水淬；随后进行时效处理，保温温度及时间分别为450℃及4小时，随炉冷却。
步骤二：合金结构和性能表征
采用金相显微镜观察其金相组织如图7所示，呈现出多种晶粒尺度分布。采用万能拉伸试验机测试了合金的拉伸性能，其工程应力应变曲线如图8所示。合金电导率为10.00％IACS，硬度为272.6HV，极限抗拉强度为1098MPa，屈服强度为996MPa，延伸率为10.45％。
实施例5：Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.47Sn0.15Fe0.31(at.％)合金
步骤一：合金制备及显微组织表征
将成分为Cu80.00Ni14.69Al4.38Si0.47Sn0.15Fe0.31(at.％)合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu、Ni、Sn、Fe及Si、纯度为5N的Al原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭。将铸态合金进行固溶处理，保温温度及时间分别为1000℃及4小时，冷却方式为水淬。随后将固溶态合金进行冷轧，并控制厚度及变形量，厚度变形量为70-90％。最后将冷轧态合金进行短时退火处理，保温温度及时间分别为1000℃及5分钟，水淬；随后进行时效处理，保温温度及时间分别为450℃及4小时，随炉冷却。
步骤二：合金结构和性能表征
采用金相显微镜观察其金相组织如图9所示，呈现出多种晶粒尺度分布。采用万能拉伸试验机测试了合金的拉伸性能，其工程应力应变曲线如图10所示。合金电导率为11.25％IACS，硬度为326.3HV，极限抗拉强度为1093MPa，屈服强度为1000MPa，延伸率为17.57％。

Claims (2)

1.一种高强高塑性Cu基导电合金的制备方法，其特征在于：所述合金成分的原子百分比为Ni：14.5~15.5 at.%，Al：4.0~5.0 at.%，Sn：0.15~0.7 at.%，Si：0~0.5 at.%，Fe：0~0.4at.%，Co：0~0.4 at.%，其余为Cu含量；
合金的性能指标为：电导率9.5-12.0%IACS，硬度280-330HV，极限抗拉强度1000-1150MPa，屈服强度920-1120MPa，延伸率10.0-18.0%；
合金通过多级晶粒尺度及多种高密度纳米级共格析出相协同提升合金的强度及塑性；
晶粒尺度包括变形带区域的晶粒尺寸为0.5-1μm，其余区域晶粒尺寸为1~20μm；高密度纳米级共格析出相的类型为Ni3Al、Ni3Sn，若合金中含有Si元素时共格析出相还包括Ni2Si；
该制备方法包括以下步骤：
(1) 采用非自耗真空电弧熔炼，通入高纯氩气保护，对配制好的纯度为4N以上的原料进行反复熔炼，得到成分均匀的合金锭；
(2) 将铸态合金进行固溶处理，保温温度及时间分别为1000℃及4小时，冷却方式为水淬；随后将固溶态合金进行冷轧，并控制厚度及变形量，厚度变形量为70-90%；
(3) 将冷轧态合金进行短时退火处理，保温温度及时间分别为1000℃及5分钟，水淬；随后进行时效处理，保温温度及时间分别为450℃及4小时，随炉冷却。
2.一种高强高塑性Cu基导电合金，其特征在于：所述导电合金采用权利要求1的制备方法制得。
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