CN118006965A - 一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法 - Google Patents
一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118006965A CN118006965A CN202410145090.7A CN202410145090A CN118006965A CN 118006965 A CN118006965 A CN 118006965A CN 202410145090 A CN202410145090 A CN 202410145090A CN 118006965 A CN118006965 A CN 118006965A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- alloy wire
- wire
- resistant
- alloy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 124
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 123
- 229910018100 Ni-Sn Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 70
- 229910018532 Ni—Sn Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 70
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000004584 weight gain Effects 0.000 claims abstract description 6
- 235000019786 weight gain Nutrition 0.000 claims abstract description 6
- 238000010622 cold drawing Methods 0.000 claims description 62
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 58
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 49
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 38
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 26
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 26
- 238000009749 continuous casting Methods 0.000 claims description 24
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 24
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 13
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 11
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 11
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 10
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 10
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 abstract description 19
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- VRUVRQYVUDCDMT-UHFFFAOYSA-N [Sn].[Ni].[Cu] Chemical compound [Sn].[Ni].[Cu] VRUVRQYVUDCDMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 9
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 8
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- DMFGNRRURHSENX-UHFFFAOYSA-N beryllium copper Chemical compound [Be].[Cu] DMFGNRRURHSENX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 5
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 241001391944 Commicarpus scandens Species 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- SKEYZPJKRDZMJG-UHFFFAOYSA-N cerium copper Chemical compound [Cu].[Ce] SKEYZPJKRDZMJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- VZNWOUHPSLLEFJ-UHFFFAOYSA-N copper gadolinium Chemical compound [Cu].[Gd] VZNWOUHPSLLEFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FQVNUZAZHHOJOH-UHFFFAOYSA-N copper lanthanum Chemical compound [Cu].[La] FQVNUZAZHHOJOH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVSORMQQJSEYOG-UHFFFAOYSA-N copper niobium Chemical compound [Cu].[Cu].[Nb] BVSORMQQJSEYOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NZOBMQKUUTZNND-UHFFFAOYSA-N copper scandium Chemical compound [Sc].[Cu] NZOBMQKUUTZNND-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CIYRLONPFMPRLH-UHFFFAOYSA-N copper tantalum Chemical compound [Cu].[Ta] CIYRLONPFMPRLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000003280 down draw process Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000002431 foraging effect Effects 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005491 wire drawing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Metal Extraction Processes (AREA)
Abstract
本发明提供了一种超高强耐高温Cu‑Ni‑Sn合金线材及其制备方法，涉及铜合金技术领域。本发明制备的Cu‑Ni‑Sn合金线材晶粒尺寸细小均匀，平均晶粒尺寸在2～5μm之间，抗拉强度可达1400MPa以上，特殊晶界数量(低ΣCSL)在40％以上，具有良好的抗高温氧化能力，850℃/1h氧化增重≤0.1mg/cm2，通过控制下引连铸和拉拔退火工艺，获得的组织具有强烈(111)丝织构，导电率可达10％IACS，可在5G通讯、航天航空或智能终端中的电连接器中获得应用。实施例的结果显示，本发明提供的制备方法具有批次稳定性高、性能均一、能耗低、成材率高、成本低、加工流程短的特点，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金技术领域，尤其涉及一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法。
背景技术
超高强导电弹性铜合金因其良好的导电、导热、高强、耐高温等特点，广泛用于制作插针、开关、接触弹簧、端子类的导电弹性元件。铍铜被誉为“有色弹性材料之王”，是现阶段高端电连接器高性能弹性元件的主要材料，但其制备过程易产生有毒粉尘，且高温下抗应力松弛性能差、高温导电稳定性低，再加上时效之后元件的变形度大，导致其生产工艺复杂、生产成本高，限制了其进一步扩大应用。
Cu-Ni-Sn合金是一种兼具有高强度、高弹性、耐高温、抗应力松弛性、耐磨性和耐蚀性的铜合金材料，其高温应力松弛率远低于铍铜，是最有潜力替代铍铜的材料。然而该材料强度高，塑性差，拉丝过程中易断线，制备加工困难；且由于合金元素Sn的含量高，在铜中的固溶度有限，采用熔铸方法制备Cu-Ni-Sn合金时，容易产生严重的Sn偏析，通过后续固溶处理仍不能消除，会严重影响材料综合性能；其次，Cu-Ni-Sn合金时效后期易出现不连续沉淀；并且由于成分、组织不均匀性及合金本征内应力大，合金在形变热处理过程中存在着开裂的现象，严重影响了产品的品质及成材率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法，本发明制备的Cu-Ni-Sn合金线材组织成分均匀，具有高强度、导电性和耐高温性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材，以质量百分含量计，包括Ni14～16％、Sn 6～8％、微合金化元素0.2～0.5％、稀土元素0.01～0.1％、Ta和/或Nb 0.05～0.2％，及余量的Cu；
所述微合金化元素包括Co、Si、Ti和V中的一种或两种；
所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的平均晶粒尺寸为2～5μm，特殊晶界的数量在40％以上，具有(111)丝织构。
优选的，所述稀土元素包括La、Ce、Sc或Gd。
优选的，所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的抗拉强度在1400MPa以上，850℃/1h氧化增重≤0.1mg/cm2，导电率在10％IACS以上。
本发明提供了上述方案所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的制备方法，包括以下步骤：
对应超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的组成，将各制备原料进行真空下引连铸，得到杆坯；所述真空下引连铸的条件包括：铸造温度为1150～1250℃，拉-停的时间比为1:3～1:6，下引速度为0.2～1mm/s，冷却水进水端温度为15～20℃，出水端温度为25～30℃；
将所述杆坯进行均匀化处理，得到均匀化杆坯；所述均匀化处理的温度为800～900℃，保温时间为4～6h；
将所述均匀化杆坯进行第一冷拉拔，得到第一拉拔线材；所述第一冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第一冷拉拔的总加工率为80～90％；
将所述第一拉拔线材进行固溶处理，得到固溶线材；所述固溶处理的温度为850～950℃，保温时间为5～10min；
将所述固溶线材进行第二冷拉拔，得到第二拉拔线材；所述第二冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第二冷拉拔的总加工率为90～99.9％；
将所述第二拉拔线材进行时效处理，得到所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材；所述时效处理的温度为400～500℃，保温时间为5～10min。
优选的，得到第二拉拔线材后，还包括将所述第二拉拔线材缠绕在铜线轴上，以缠绕在线轴上的方式进行时效处理。
优选的，所述铜线轴上沿轴向开有凹槽。
优选的，所述真空下引连铸所用坩埚和结晶器的材质为氮化硼。
优选的，所述均匀化处理的冷却方式为水冷。
优选的，所述固溶处理的冷却方式为水冷。
优选的，所述时效处理的冷却方式为空冷。
本发明提供了一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材，以质量百分含量计，包括Ni14～16％、Sn 6～8％、微合金化元素0.2～0.5％、稀土元素0.01～0.1％、Ta和/或Nb 0.05～0.2％，及余量的Cu；所述微合金化元素包括Co、Si、Ti和V中的一种或两种；所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的平均晶粒尺寸为2～5μm，特殊晶界的数量在40％以上，具有(111)丝织构。
与现有常见的Cu-Ni-Sn合金相比，本发明通过添加和合理调整Si、Ti、V、Co微合金化元素可有效改善Cu-Ni-Sn合金成分偏析和遏制不连续沉淀析出；同时加入慢扩散元素Nb和/或Ta和微量的稀土元素，提高材料的耐高温性能，使Cu-Ni-Sn合金在高温应用时不易发生氧化。本发明制备的Cu-Ni-Sn合金晶粒尺寸小且均匀性好，平均晶粒尺寸2～5μm之间，特殊晶界(低ΣCSL)数量在40％以上(如图1所示)，相较于随机晶界，低ΣCSL晶界的自由体积能较低，具有更强的耐高温晶间氧化能力，能够提升合金的抗高温氧化性能。实施例的结果表明，本发明提供的Cu-Ni-Sn合金线材抗拉强度可达1400MPa以上，具有良好的抗高温氧化能力，850℃/1h氧化增重≤0.1mg/cm2，导电率可达10％IACS以上，可在5G通讯、航天航空、新能源汽车、轨道交通或智能终端中获得应用。
本发明提供了上述方案所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的制备方法，依次采用真空下引连铸→均匀化→第一冷拉拔→固溶处理→第二冷拉拔→时效处理，得到超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材。
本发明避免了传统的采用真空冶金方式制备铜镍锡铸锭再经挤压或热轧等压力加工制备合金坯料(棒、线、板、带)而产生铸锭间化学成分的微小差别带来的产品批次稳定性差、性能均一性差、能耗高、加工流程长等的问题。本发明基于真空下引连铸技术，通过调整核心工艺参数，增大熔体冷却强度，使合金在下引铸造工程中获得的过饱和度，防止Sn元素的偏析；同时通过控制下引铸造工艺参数，调控晶粒取向，并结合后期大变形量的冷变形和短时高温热处理，获得具有强烈(111)丝织构的组织，特殊晶界(低ΣCSL)数量在40％以上，达到协同提高线材的强度、导电和高温性能的目的。
本发明采用适当的均匀化和固溶工艺，辅以多级形变热处理方法，起到抑制枝晶偏析和调幅组织粗化，控制脱溶相和不连续脱溶相的析出行为，调节晶粒尺寸和晶粒取向的作用，达到优化合金组织的目的，保证其成型性、力学及电学性能的匹配。
本发明采用多道次大变形量的冷变形与短时退火处理相结合的技术，优化合金的晶界特征分布，本发明制备的铜镍锡合金晶粒尺寸小且均匀性好，平均晶粒尺寸2～5μm之间，特殊晶界(低ΣCSL)数量在40％以上。
进一步的，本发明设计线材时效处理用线轴，采用纯铜作为线轴原材料，其和铜镍锡合金热膨胀系数相近，将铜镍锡线材缠绕在该线轴上进行时效处理时不会因为二者热膨胀系数不同使得铜镍锡线材发生变形或者断裂；其次，在该线轴上开槽，如图2所示，保证其和铜镍锡线材在时效处理过程中同膨胀同收缩，进一步避免退火过程中由于热胀冷缩导致线材断裂。另外，通常线材采用在线退火处理，由于线材长度大导致在线时效过程中时效时间较长，采用在线退火不利于工业化生产，因此，采用本发明设计的线轴进行同步退火处理缩短了时效时间，提高了生产效率。
附图说明
图1为实施例1的EBSD结果，其中，(a)微观组织，(b)晶粒尺寸分布直方图，(c)(d)晶粒取向图；
图2为本发明所用铜线轴的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材，以质量百分含量计，包括Ni14～16％、Sn 6～8％、微合金化元素0.2～0.5％、稀土元素0.01～0.1％、Ta和/或Nb 0.05～0.2％，及余量的Cu；
所述微合金化元素包括Co、Si、Ti和V中的一种或两种；
所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的平均晶粒尺寸为2～5μm，特殊晶界的数量在40％以上，具有(111)丝织构。
以质量百分含量计，本发明提供的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材包括Ni 14～16％，优选为14.5～15.5％，更优选为14.8～15.2％。
以质量百分含量计，本发明提供的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材包括Sn 6～8％，优选为6.5～7.5％，更优选为6.8～7.2％。
以质量百分含量计，本发明提供的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材包括微合金化元素0.2～0.5％，优选为0.25～0.45％，更优选为0.3～0.4％。在本发明中，所述微合金化元素包括Co、Si、Ti和V中的一种或两种；当所述微合金化元素包括上述元素中的两种时，本发明对各元素的配比没有特殊要求，任意配比均可。本发明通过添加和合理调整Si、Ti、V、Co微合金化元素，可有效改善Cu-Ni-Sn合金成分偏析和遏制不连续沉淀析出。
以质量百分含量计，本发明提供的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材包括稀土元素0.01～0.1％，优选为0.02～0.09％，进一步优选为0.04～0.07％。在本发明中，所述稀土元素优选包括La、Ce、Sc或Gd。
以质量百分含量计，本发明提供的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材包括Ta和/或Nb 0.05～0.2％，优选为0.08～0.16％，更优选为0.1～0.14％。当所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材同时包括Ta和Nb时，本发明对二者的配比没有特殊要求，任意配比均可。本发明加入慢扩散元素Nb和/或Ta以及微量的稀土元素，提高材料的耐高温性能，使Cu-Ni-Sn合金在高温应用时不易发生氧化。
以质量百分含量计，本发明提供的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材还包括余量的Cu及不可避免的杂质。
在本发明中，所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的平均晶粒尺寸优选为2～5μm；特殊晶界的数量优选在40％以上，更优选为40～65％；具有强烈的(111)丝织构，所述(111)丝织构的占比优选为45％以上，更优选为45～65％。晶粒尺寸细小均匀，有利于提高Cu-Ni-Sn合金线材的抗拉强度；相较于随机晶界，低ΣCSL晶界的自由体积能较低，具有更强的耐高温晶间氧化能力，能够提升合金的抗高温氧化性能；强烈的(111)丝织构，有利于提高Cu-Ni-Sn合金线材的导电率。
在本发明中，所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的抗拉强度在1400MPa以上，850℃/1h氧化增重≤0.1mg/cm2，导电率在10％IACS以上，可在5G通讯、航天航空、新能源汽车、轨道交通或智能终端中获得应用导电率可达10％IACS以上。
本发明提供了上述方案所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的制备方法，包括以下步骤：
对应超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的组成，将各制备原料进行真空下引连铸，得到杆坯；所述真空下引连铸的条件包括：铸造温度为1150～1250℃，拉-停的时间比为1:3～1:6，下引速度为0.2～1mm/s，冷却水进水端温度为15～20℃，出水端温度为25～30℃；
将所述杆坯进行均匀化处理，得到均匀化杆坯；所述均匀化处理的温度为800～900℃，保温时间为4～6h；
将所述均匀化杆坯进行第一冷拉拔，得到第一拉拔线材；所述第一冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第一冷拉拔的总加工率为80～90％；
将所述第一拉拔线材进行固溶处理，得到固溶线材；所述固溶处理的温度为850～950℃，保温时间为5～10min；
将所述固溶线材进行第二冷拉拔，得到第二拉拔线材；所述第二冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第二冷拉拔的总加工率为90～99.9％；
将所述第二拉拔线材进行时效处理，得到所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材；所述时效处理的温度为400～500℃，保温时间为5～10min。
本发明对应超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的组成，将各制备原料进行真空下引连铸，得到杆坯。
在本发明中，所述制备原料优选包括纯钴、纯硅、海绵钛和纯钒中的一种或两种，电解铜，电解镍，纯锡，铜稀土元素中间合金，铜钽和/或铜铌中间合金；所述铜稀土元素中间合金具体为铜镧、铜铈、铜钆和铜钪中间合金中的一种。
在本发明中，所述真空下引连铸优选包括：将制备原料置于坩埚中，将盛有制备原料的坩埚置于真空下引连铸炉中，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1200～1350℃，待制备原料完全熔化后，保温0.5～1h，开启引杆模式，所得熔体将进入结晶器中进行凝固。在本发明中，所述坩埚和结晶器的材质优选为氮化硼。本发明采用氮化硼坩埚和结晶器，能够有效控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚和结晶器反应。
在本发明中，所述真空下引连铸的铸造温度为1150～1250℃，优选为1170～1230℃，更优选为1180～1210℃；拉-停的时间比为1:3～1:6，优选为1:4～1:5；下引速度为0.2～1mm/s，优选为0.4～0.8mm/s，更优选为0.5～0.6mm/s；冷却水进水端温度为15～20℃，优选为16～19℃；出水端温度为25～30℃，优选为26～28℃。
本发明基于真空下引连铸技术，通过调整核心工艺参数，增大溶体冷却强度，使合金在下引铸造工程中获得的过饱和度，防止Sn元素的偏析；同时通过控制下引铸造工艺参数，调控晶粒取向，并结合后期大变形量的冷变形和短时高温热处理，获得具有强烈(111)丝织构的组织，特殊晶界(低ΣCSL)数量在40％以上，达到协同提高线材的强度、导电和高温性能的目的。
本发明对所述杆坯的尺寸没有特殊要求，本领域熟知的尺寸均可。在本发明的实施例中，所述杆坯的直径为8mm、10mm或12mm。
得到杆坯后，本发明将所述杆坯进行均匀化处理，得到均匀化杆坯。
在本发明中，所述均匀化处理的温度为800～900℃，优选为820～880℃，更优选为840～860℃；保温时间为4～6h，优选为4.5～5.5h，更优选为5h；冷却方式优选为水冷。
得到均匀化杆坯后，本发明将所述均匀化杆坯进行第一冷拉拔，得到第一拉拔线材。
在本发明中，所述第一冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第一冷拉拔的总加工率为80～90％，优选为82～88％，更优选为84～86％。
得到第一拉拔线材后，本发明将所述第一拉拔线材进行固溶处理，得到固溶线材。
在本发明中，所述固溶处理的温度为850～950℃，优选为870～930℃，更优选为890～910℃；所述固溶处理的保温时间为5～10min，优选为6～9min，更优选为7～8min；所述固溶处理的冷却方式优选为水冷。
得到固溶线材后，本发明将所述固溶线材进行第二冷拉拔，得到第二拉拔线材。
在本发明中，所述第二冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第二冷拉拔的总加工率为90～99.9％，优选为91～98％，更优选为93～96％。
得到第二冷拉拔线材后，本发明将所述第二拉拔线材进行时效处理，得到所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材。
在本发明中，所述时效处理的温度为400～500℃，优选为420～480℃，更优选为440～460℃；所述时效处理的保温时间为5～10min，优选为6～9min，更优选为7～8min；所述时效处理的冷却方式优选为空冷。
本发明优选将所述第二拉拔线材缠绕在铜线轴上，以缠绕在线轴上的方式进行后续的时效处理。在本发明中，所述铜线轴上沿轴向优选开有凹槽(如图2所示)。
本发明采用纯铜作为线轴原材料，其和铜镍锡合金热膨胀系数相近，将铜镍锡线材缠绕在该线轴上进行时效处理时不会因为二者热膨胀系数不同使得铜镍锡线材发生变形或者断裂；其次，在该线轴上开槽，如图2所示，保证其和铜镍锡线材在时效处理过程中同膨胀同收缩，进一步避免退火过程中由于热胀冷缩导致线材断裂。另外，通常线材采用在线退火处理，由于线材长度大导致在线时效过程中时效时间较长，采用在线退火不利于工业化生产，因此，采用本发明设计的线轴进行同步退火处理缩短了时效时间，提高了生产效率。
本发明采用适当的均匀化和固溶工艺，辅以多级形变热处理方法，起到抑制枝晶偏析和调幅组织粗化，控制脱溶相和不连续脱溶相的析出行为，调节晶粒尺寸和晶粒取向的作用，达到优化合金组织的目的，保证其成型性、力学及电学性能的匹配。
本发明采用多道次大变形量的冷变形与短时退火处理(即时效处理)相结合的技术，优化合金的晶界特征分布，本发明制备的铜镍锡合金晶粒尺寸小且均匀性好，平均晶粒尺寸2～5μm之间，特殊晶界(低ΣCSL)数量在40％以上。
本发明通过控制下引连铸和拉拔退火工艺，获得的组织具有强烈(111)丝织构。
下面结合实施例对本发明提供的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
合金的成分见表1中的实施例1。
(1)真空下引连铸：在真空下引连铸炉上按配比加入制备材料，为了控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚反应，选择氮化硼坩埚和结晶器，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1350℃，待熔体完全熔化后，保温0.5h，铸造温度控制在1250℃，拉-停的时间比为1:6，下引速度0.2mm/s，冷却水进水端温度15℃，出水端温度25℃，铸造成直径为12mm的杆坯。
(2)均匀化：将上述合金杆坯在箱式电阻炉中进行均匀化处理，均匀化温度为900℃，保温时间为4h，冷却方式为水冷。
(3)第一冷拉拔：将均匀化后的杆坯进行多道次冷拉拔，加工率为85％。
(4)固溶：将上述拉拔后的铜线进行高温短时固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间5min，冷却方式为水冷。
(5)第二冷拉拔：将上述固溶处理后的合金线进行多道次冷拉拔，加工率为99.9％，并将合金线缠绕在开槽的铜线轴上。
(6)时效：将上述合金线轴放置于真空退火炉中进行时效处理，时效温度为500℃，保温时间5min，冷却方式为空冷。
实施例2
合金的成分见表1中的实施例2。
(1)真空下引连铸：在真空下引连铸炉上按配比加入制备原料，为了控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚反应，选择氮化硼坩埚和结晶器，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1200℃，待熔体完全熔化后，保温1h，铸造温度控制在1150℃，拉-停的时间比为1:3，下引速度1mm/s，冷却水进水端温度20℃，出水端温度28℃，铸造成直径为8mm的杆坯。
(2)均匀化：将上述合金杆坯在箱式电阻炉中进行均匀化处理，均匀化温度为800℃，保温时间为6h，冷却方式为水冷。
(3)第一冷拉拔：将均匀化后的杆坯进行多道次冷拉拔，加工率为87％。
(4)固溶：将上述拉拔后的铜线进行高温短时固溶处理，固溶温度为850℃，保温时间10min，冷却方式为水冷。
(5)第二冷拉拔：将上述固溶处理后的合金线进行多道次冷拉拔，加工率为98％，并将合金线缠绕在开槽的铜线轴上。
(6)时效：将上述合金线轴放置于真空退火炉中进行时效处理，时效温度为400℃，保温时间10min，冷却方式为空冷。
实施例3
合金的成分见表1中的实施例3。
(1)真空下引连铸：在真空下引连铸炉上按配比加入制备原料，为了控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚反应，选择氮化硼坩埚和结晶器，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1250℃，待熔体完全熔化后，保温0.75h，铸造温度控制在1200℃，拉-停的时间比为1:3，下引速度0.8mm/s，冷却水进水端温度17℃，出水端温度29℃，铸造成直径为12mm的杆坯。
(2)均匀化：将上述合金杆坯在箱式电阻炉中进行均匀化处理，均匀化温度为850℃，保温时间为5h，冷却方式为水冷。
(3)第一冷拉拔：将均匀化后的杆坯进行多道次冷拉拔，加工率为90％。
(4)固溶：将上述拉拔后的铜线进行高温短时固溶处理，固溶温度为900℃，保温时间8min，冷却方式为水冷。
(5)第二冷拉拔：将上述固溶处理后的合金线进行多道次冷拉拔，加工率为99％，并将合金线缠绕在开槽的铜线轴上。
(6)时效：将上述合金线轴放置于真空退火炉中进行时效处理，时效温度为475℃，保温时间8min，冷却方式为空冷。
实施例4
合金的成分见表1中的实施例4。
(1)真空下引连铸：在真空下引连铸炉上按配比加入制备原料，为了控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚反应，选择氮化硼坩埚和结晶器，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1275℃，待熔体完全熔化后，保温0.5h，铸造温度控制在1200℃，拉-停的时间比为1:6，下引速度0.3mm/s，冷却水进水端温度15℃，出水端温度26℃，铸造成直径为10mm的杆坯。
(2)均匀化：将上述合金杆坯在箱式电阻炉中进行均匀化处理，均匀化温度为850℃，保温时间为4h，冷却方式为水冷。
(3)第一冷拉拔：将均匀化后的杆坯进行多道次冷拉拔，加工率为90％。
(4)固溶：将上述拉拔后的铜线进行高温短时固溶处理，固溶温度为900℃，保温时间10min，冷却方式为水冷。
(5)第二冷拉拔：将上述固溶处理后的合金线进行多道次冷拉拔，加工率为95％，并将合金线缠绕在开槽的铜线轴上。
(6)时效：将上述合金线轴放置于真空退火炉中进行时效处理，时效温度为450℃，保温时间10min，冷却方式为空冷。
实施例5
合金的成分见表1中的实施例5。
(1)真空下引连铸：在真空下引连铸炉上按配比加入制备原料，为了控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚反应，选择氮化硼坩埚和结晶器，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1225℃，待熔体完全熔化后，保温1h，铸造温度控制在1200℃，拉-停的时间比为1:4，下引速度1mm/s，冷却水进水端温度20℃，出水端温度30℃，铸造成直径为8mm的杆坯。
(2)均匀化：将上述合金杆坯在箱式电阻炉中进行均匀化处理，均匀化温度为800℃，保温时间为5h，冷却方式为水冷。
(3)第一冷拉拔：将均匀化后的杆坯进行多道次冷拉拔，加工率为88％。
(4)固溶：将上述拉拔后的铜线进行高温短时固溶处理，固溶温度为900℃，保温时间8min，冷却方式为水冷。
(5)第二冷拉拔：将上述固溶处理后的合金线进行多道次冷拉拔，加工率为99.5％，并将合金线缠绕在开槽的铜线轴上。
(6)时效：将上述合金线轴放置于真空退火炉中进行时效处理，时效温度为400℃，保温时间10min，冷却方式为空冷。
实施例6
合金的成分见表1中的实施例6。
(1)真空下引连铸：在真空下引连铸炉上按配比加入制备原料，为了控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚反应，选择氮化硼坩埚和结晶器，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1325℃，待熔体完全熔化后，保温0.5h，铸造温度控制在1225℃，拉-停的时间比为1:5，下引速度0.5mm/s，冷却水进水端温度18℃，出水端温度27℃，铸造成直径为10mm的杆坯。
(2)均匀化：将上述合金杆坯在箱式电阻炉中进行均匀化处理，均匀化温度为850℃，保温时间为6h，冷却方式为水冷。
(3)第一冷拉拔：将均匀化后的杆坯进行多道次冷拉拔，加工率为90％。
(4)固溶：将上述拉拔后的铜线进行高温短时固溶处理，固溶温度为950℃，保温时间5min，冷却方式为水冷。
(5)第二冷拉拔：将上述固溶处理后的合金线进行多道次冷拉拔，加工率为98％，并将合金线缠绕在开槽的铜线轴上。
(6)时效：将上述合金线轴放置于真空退火炉中进行时效处理，时效温度为470℃，保温时间8min，冷却方式为空冷。
实施例7
合金的成分见表1中的实施例7。
(1)真空下引连铸：在真空下引连铸炉上按配比加入制备原料，为了控制杂质元素的含量，防止原材料与坩埚反应，选择氮化硼坩埚和结晶器，炉内通高纯氩气保护，将温度升至1250℃，待熔体完全熔化后，保温0.5h，铸造温度控制在1150℃，拉-停的时间比为1:3，下引速度0.8mm/s，冷却水进水端温度19℃，出水端温度30℃，铸造成直径为8mm的杆坯。
(2)均匀化：将上述合金杆坯在箱式电阻炉中进行均匀化处理，均匀化温度为800℃，保温时间为4h，冷却方式为水冷。
(3)第一冷拉拔：将均匀化后的杆坯进行多道次冷拉拔，加工率为85％。
(4)固溶：将上述拉拔后的铜线进行高温短时固溶处理，固溶温度为850℃，保温时间10min，冷却方式为水冷。
(5)第二冷拉拔：将上述固溶处理后的合金线进行多道次冷拉拔，加工率为99.9％，并将合金线缠绕在开槽的铜线轴上。
(6)时效：将上述合金线轴放置于真空退火炉中进行时效处理，时效温度为400℃，保温时间5min，冷却方式为空冷。
表1实施例1～7的合金成分配方(wt％)
对实施例1的Cu-Ni-Sn合金线材进行EBSD表征，结果见图1，其中，(a)微观组织，(b)晶粒尺寸分布直方图，(c)(d)晶粒取向图；由图1可知，Cu-Ni-Sn合金线材晶粒细小，分布均匀，晶粒平均尺寸为2.4μm，晶粒取向主要为(111)，特殊晶界占比较高。实施例1～7制备的Cu-Ni-Sn合金线材的微观组织和性能见表2。
表2实施例1～7的微观组织和性能表
表2中，各性能的测试方法为：平均晶粒尺寸和(111)织构占比由EBSD表征统计；抗拉强度测试方法参考GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，导电率测试方法参照GB/T 3048.4-2007《电线电缆电性能试验方法第4部分：导体直流电阻试验》，氧化增重实验参照GB/T13303-1991《钢的抗氧化性能测定方法》。
由表2可知，本发明制备的Cu-Ni-Sn合金线材的晶粒尺寸细小均匀，平均晶粒尺寸为2～5μm；特殊晶界的数量在40％以上，具有强烈的(111)丝织构。晶粒尺寸细小均匀，有利于提高Cu-Ni-Sn合金线材的抗拉强度；相较于随机晶界，低ΣCSL晶界的自由体积能较低，具有更强的耐高温晶间氧化能力，能够提升合金的抗高温氧化性能；强烈的(111)丝织构，有利于提高Cu-Ni-Sn合金线材的导电率。具体的，所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的抗拉强度在1400MPa以上，850℃/1h氧化增重≤0.1mg/cm2，导电率在10％IACS以上，可在5G通讯、航天航空、新能源汽车、轨道交通或智能终端中获得应用。
实施例的结果显示，本发明提供的制备方法具有批次稳定性高、性能均一、能耗低、成材率高、成本低、加工流程短的特点，具有广阔的应用前景。
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 (10)
1.一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材，其特征在于，以质量百分含量计，包括Ni 14～16％、Sn 6～8％、微合金化元素0.2～0.5％、稀土元素0.01～0.1％、Ta和/或Nb 0.05～0.2％，及余量的Cu；
所述微合金化元素包括Co、Si、Ti和V中的一种或两种；
所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的平均晶粒尺寸为2～5μm，特殊晶界的数量在40％以上，具有(111)丝织构。
2.根据权利要求1所述的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材，其特征在于，所述稀土元素包括La、Ce、Sc或Gd。
3.根据权利要求1或2所述的超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材，其特征在于，所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的抗拉强度在1400MPa以上，850℃/1h氧化增重≤0.1mg/cm2，导电率在10％IACS以上。
4.权利要求1～3任一项所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的制备方法，包括以下步骤：
对应超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材的组成，将各制备原料进行真空下引连铸，得到杆坯；所述真空下引连铸的条件包括：铸造温度为1150～1250℃，拉-停的时间比为1:3～1:6，下引速度为0.2～1mm/s，冷却水进水端温度为15～20℃，出水端温度为25～30℃；
将所述杆坯进行均匀化处理，得到均匀化杆坯；所述均匀化处理的温度为800～900℃，保温时间为4～6h；
将所述均匀化杆坯进行第一冷拉拔，得到第一拉拔线材；所述第一冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第一冷拉拔的总加工率为80～90％；
将所述第一拉拔线材进行固溶处理，得到固溶线材；所述固溶处理的温度为850～950℃，保温时间为5～10min；
将所述固溶线材进行第二冷拉拔，得到第二拉拔线材；所述第二冷拉拔为多道次冷拉拔，所述第二冷拉拔的总加工率为90～99.9％；
将所述第二拉拔线材进行时效处理，得到所述超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材；所述时效处理的温度为400～500℃，保温时间为5～10min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，得到第二拉拔线材后，还包括将所述第二拉拔线材缠绕在铜线轴上，以缠绕在线轴上的方式进行时效处理。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铜线轴上沿轴向开有凹槽。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空下引连铸所用坩埚和结晶器的材质为氮化硼。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的冷却方式为水冷。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的冷却方式为水冷。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的冷却方式为空冷。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410145090.7A CN118006965A (zh) | 2024-02-01 | 2024-02-01 | 一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410145090.7A CN118006965A (zh) | 2024-02-01 | 2024-02-01 | 一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118006965A true CN118006965A (zh) | 2024-05-10 |
Family
ID=90951531
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410145090.7A Pending CN118006965A (zh) | 2024-02-01 | 2024-02-01 | 一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118006965A (zh) |
-
2024
- 2024-02-01 CN CN202410145090.7A patent/CN118006965A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9401230B2 (en) | Cu-Ni-Si-Co copper alloy for electronic materials and manufacturing method thereof | |
| EP2692879B1 (en) | Cu-co-si-based copper alloy strip for electron material, and method for manufacturing same | |
| CN110923499B (zh) | 一种含Ce和B的钛青铜合金带材及其制备方法 | |
| CN110629139A (zh) | 一种Cu-Cr-Zr合金的制备方法 | |
| CN115652132B (zh) | 铜合金材料及其应用和制备方法 | |
| KR20130059412A (ko) | 전자 재료용 Cu-Co-Si 계 합금 | |
| CN109295346B (zh) | 一种高导电率的柔软铝合金及其制备方法和应用 | |
| JP2002241873A (ja) | 高強度・高導電性銅合金および銅合金材の製造方法 | |
| CN115141946B (zh) | 一种高性能铜合金线丝材短流程制备加工方法 | |
| CN118006965A (zh) | 一种超高强耐高温Cu-Ni-Sn合金线材及其制备方法 | |
| CN115896512A (zh) | 高精密蚀刻引线框架用铜合金材料的制备方法 | |
| CN113969364B (zh) | 一种高强度高导电铜铌系合金及其制备方法 | |
| CN112430765B (zh) | 一种高导耐热抗蠕变的铝合金导体材料及制备方法和应用 | |
| CN111748712A (zh) | 一种铜银合金带材及其生产工艺 | |
| CN115584410B (zh) | 一种高纯无氧铜管及其制备方法与应用 | |
| CN116716511B (zh) | Cu-Fe合金线材及其制备方法 | |
| CN114959351B (zh) | 一种铜银合金线材及其制备方法与应用 | |
| CN114807669B (zh) | 一种超高强、高导、耐热、电磁屏蔽Cu-Fe-Mg-RE合金的制备方法 | |
| CN113981272B (zh) | Ti-6Al-4V-xFe-yMo钛合金及制备方法 | |
| CN115652136B (zh) | 一种易切削铜镍硅棒材及其制备方法 | |
| CN115491543A (zh) | 一种Cu-Mn-Ni合金及其制备方法和应用 | |
| CN116179887A (zh) | 一种用于大电流电连接器的Cu-Cr-Zr合金及其制备方法 | |
| CN118272681A (zh) | 一种低成本高强高导电耐热铝合金导线单丝的制备方法 | |
| CN111910110A (zh) | 一种铝镁硅系铝合金线及其制备方法 | |
| CN117821799A (zh) | 一种高平整度铜镍锡锌合金及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |