专利名称：高性能Cu-Ni-Si系铜合金及其制备和加工方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能Cu-Ni-Si系铜合金及其制备和加工方法，属于有色金属加工领域。
背景技术：
随着人民生活水平日益提高、现代工业发展和国防建设的需要，高性能铜合金材料应用范围日益广泛，需求量持续增加。高性能铜合金材料具有强度高、弹性好、耐疲劳、弹性滞后小、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于电子、宇航、仪器、仪表及自动控制行业中， 用于制造各种弹性簧片、电触点、点焊极点、防爆工具等，且由于其性能稳定、使用寿命长、而被广泛用于航空、航天、兵器、船舶、雷达系统等重要军工部门中的特殊部件，主要为电接触元器件、接插元器件及继电器器件等。在计算机、高档家用电器、防爆工具、化工、煤炭等行业中也有其巨大的潜在市场。C7025是Cu-Ni-Si系铜合金，该合金具有优异的综合性能，其抗拉强度为75(T850MPa，电导率为35 45%IACS。国内对于C7025尚处于试验阶段，而为了适应国内现在工业对于材料的需求，本发明在C7025合金的基础上对Cu-Ni-Si系铜合金及其低能耗制备和加工方法进行了研究和开发。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高性能的Cu-Ni-Si系铜合金，其性能能够替代或超越C7025合金。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种高性能Cu-Ni-Si系铜合金，按照重量百分比，其基础成分包括Ni 2. 2% 4. 2%，Si O. 25% I. 2%，Mg O. 05% O. 3%，其余为Cu，所述铜合金中的成分需要满足(a) 4 ( Ni/Si ^ 6 ； (b)杂质元素含量彡O. 5%。一种优选方案，按照重量百分比，包括Ni 2. 4% 3. 0%，Si O. 4% O. 75%，MgO. 1% O. 2%，其余为Cu，所述铜合金中的成分需要满足(a)4彡Ni/Si ^ 6 ； (b)杂质元
素含量彡O. 5%。进一步地，在所述铜合金中添加以下元素选自硼(B)、钒(V)中的一种或两种，及锰(Mn)、锆(Zr)和钛(Ti)中的一种或两种以上，其重量百分比含量为硼(B) :0. θΓθ. 02%,钒(V) 0. 01 O. 02%,锰(Mn) 0. 001 O. 01%,锆(Zr) 0. 001 O. 01%,钛(Ti) 0. 001 O. 01%,总量应满足 O. 01% ( B+V+Mn+Zr+Ti ( O. 05%。其中，在所述铜合金中添加元素的含量可进一步选择硼⑶0.01、.015%，钒(V) :0. 01 O. 015%，锰(Mn) :0. 001 O. 005%，锆(Zr) :0. 001 O. 005%，钛(Ti):O. 001 O. 005%,总量满足 O. 01% ( B+V+Mn+Zr+Ti ( O. 05%。所述铜合金中添加的硼⑶、钒(V)、锰(Mn)、锆(Zr)和钛(Ti)以覆盖剂的形式，加入到铜合金中。即在铜合金制备中，采用含选自硼(B)、钒(V)的一种或两种、锰(Mn)、锆(Zr)和钛(Ti)的一种或多种的覆盖剂。所有合金元素硼(B)、钒(V)、锰(Mn)、锆(Zr)和钛(Ti)均以各自与铜熔制成的中间合金形式使用。所添加覆盖剂元素的作用为硼和钒加入硼时，在铜铁磷合金结晶过程中生成了 BC4，此化合物可以作为合金的形核核心，从而细化晶粒，起到变质剂的作用，此外铜硼合金具有较强的脱氧能力，当硼含量达到一定程度时，可以使含氧量降低IOppm左右。铜硼合金脱氧的产物为B2O3,2Cu20 · B2O3,他们密度小，低熔点，在铜液中呈球状液体，很容易聚集、上浮和去除，对铜基体无影响。钥;能够与合金中其他杂质生成金属间化合物质点，这些质点可以作为非自发形核核心，起到细化晶粒的作用。一般硼和钒的含量在O. θΓθ. 02%为适宜。锰、锆和钛这些元素固溶在熔体中会偏聚在正在生长的枝晶前沿，阻碍枝晶的长大，从而细化晶粒；此外，这些元素会与基体合金元素之外的杂质元素生成难溶的质点，这些质点可作为非自发形核中心，起到结晶晶核的作用，增加晶核数量，起到细化铜铁磷合金 的作用，还可以净化熔体。以上述合金元素组成的覆盖剂加入熔化炉中，能熔炼炉溶液表面形成厚度5 80mm的一层优良的保护层，有效阻隔熔池外空气中氧的进入，避免了合金元素在熔炼过程的中的氧化烧损，具有保温作用，且能细化铸态组织的晶粒。本发明还提供了一种上述高性能的Cu-Ni-Si系铜合金的低能耗制备和加工方法。一种高性能的Cu-Ni-Si系铜合金的制备和加工方法，包括以下工艺流程a.按照质量百分比进行配料、投料，b.半连续铸造，c.热轧，d.铣面，e.冷粗轧，f.退火，g.酸洗涮刮，h.冷中轧，i.连续退火+固溶处理，j.时效处理，k.冷精轧。步骤a中，所述投料的具体顺序为先加入Cu，熔化后，再加入Ni、Si，加覆盖剂(木炭)，经充分除气、除杂后，再覆盖灼烧木炭，然后加入纯镁和含有Cu-B、Cu-V, Cu-Mn, Cu-Ti和/或Cu-Zr合金的木炭覆盖剂,进行熔炼。配置木炭覆盖剂，按照重量百分比将Cu-B和/或Cu-V，及Cu-Mn、Cu-Ti和/或Cu-Zr中间合金混合均勻，然后再与木炭混合,得到木炭覆盖剂。中间合金Cu-B、Cu-V、Cu-Mn、Cu-Ti, Cu-Zr全部采用研磨后的合金粉末，并且控制其粒度在800 μ m以下。步骤b中，半连续铸造时，浇铸的温度控制在1150 1250°C。铸造速度开始引拉为70 80mm/min、脱离结晶器后正常拉速为90 100mm/min。步骤c中，热轧温度为90(T950°C，时间为l 10h，终轧温度控制在650°C以上。步骤d中，上下表面各统1mm。步骤e中，所述冷粗轧的加工率控制在40 85%。步骤f中，所述退火的温度为400 550°C，时间为I 10h，冷却方式为空冷或随
炉冷却。步骤h中，所述冷中轧的加工率控制在40 85%。步骤i中，连续退火+固溶处理在连续退火炉中，处理温度为750°C、00°C，通过速率为lmin/m,冷却方式为喷淋处理。步骤j中，所述时效处理温度为40(T550°C，时间为6h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
步骤k中，所述冷精轧的加工率控制在2(Γ40%。本发明的优点在于与其他高强高导铜合金相比，本发明的高性能铜合金无论在强度、导电性还是弹性、耐腐蚀、可加工性能方面都是非常优良的，同时还具有优良的抗应力松弛性能。并且，该合金材料的制备过程比较简单，工艺流程短，能耗低，晶粒度小，气孔或疏松少，成材率高等。实现高性能Cu-Ni-Si系铜合金低能耗的制备及其加工，且综合性能优异。本发明的高性能Cu-Ni-Si系铜合金的抗拉强度σ b可达到730 820MPa，塑性延伸率δ为8 10%，电导率为40 50%IACS，铸坯平均晶粒度为100 150 μ m。该铜合金具有高弹性、高强度、高疲劳性、耐热性好，同时兼备了良好的导电性的优点。可以广泛的应用于各种弹性簧片、电触点、点焊极点、防爆工具、电接触元器件、接插元器坯件等场合。
具体实施例方式本发明中所述的高性能Cu-Ni-Si系铜合金的低能耗制备及加工方法，包括以下 工艺流程a.按照质量百分比进行配料、投料b.半连续铸造，c.热轧，d.铣面，e.冷粗轧，f.退火，g.酸洗涮刮，h.冷中轧，i.连续退火+固溶处理，j.时效处理，k.冷精轧。其中，具体的投料顺序为所述投料的具体顺序为先加入Cu+Ni，加入煅烧木炭覆盖一熔化+Si+铜-镁中间合金(/钴)一除气一添加覆盖剂。浇铸的温度控制在1100 12000C ;热轧温度为900 950°C，时间为I IOh ;退火的温度为400 550°C，时间为I 10h，冷却方式为空冷或随炉冷却；连续退火+固溶处理在连续退火炉中，处理温度为7500C、00°C，通过速率为lmin/m，冷却方式为喷淋处理；时效处理温度为40(T550°C，时间为l 6h,冷却方式为空冷或随炉冷却。实施例中的木炭覆盖剂均由下列方法制备按照重量百分比将Cu-B和/或Cu-V，及Cu-MruCu-Ti和/或Cu-Zr中间合金混合均勻,然后再与木炭混合,得到木炭覆盖剂。中间合金Cu-B、Cu-V、Cu-Mn、Cu-Ti, Cu-Zr全部采用研磨后的合金粉末，并且控制其粒度在800 μ m以下。实施例I本发明的合金采用以下原料熔炼电解铜、纯镍、纯硅、纯镁、Cu-B中间合金和Cu-Mn中间合金。合金的成分见表I的实施例I。I.熔炼采用中频感应炉进行熔炼。合金的加入顺序为先加入Cu，熔化后，再加入Ni、Si，加覆盖剂(木炭)保温5 lOmin，经充分除气、除杂后，再覆盖IOmm左右厚的灼烧木炭。后加入纯镁和含有Cu-B和Cu-Mn合金的木炭覆盖剂，熔炼的温度为1250°C，保温15min 后静置 10 15min。2.半连续铸造浇铸的温度为1150°C。铸造速度开始引拉为7(T80mm/min、脱离结晶器后正常拉速为9(Tl00mm/min。3.热轧对合金进行加热，加热温度为900°C，保温时间为4h，热轧总加工率为90%。4.铣面合金上下各铣1_。5.冷粗轧将经过铣面的合金板材进行80%的冷轧。6.退火将进行了 80%的冷轧板材进行退火，退火温度为400°C，保温时间为5h。
7.酸洗涮刮将退火后的板带进行酸洗涮刮，除去表面氧化皮。8.冷中轧将酸洗涮刮的板带进行冷轧，冷轧加工率为75%。9.连续退火+固溶处理将板带放入连续退火炉中，温度为750°C，通过速率为lmin/m,随后喷淋冷却。10.时效处理固溶后的板带进行时效处理，时效温度为500°C，保温时间为4h，冷
却方式为空冷。11.冷精轧将时效后的板带进行30%的冷轧。经过以上熔炼、半连续铸造、热轧、铣面、热轧、冷粗轧、退火、酸洗涮刮、冷中轧、连续退火、固溶处理、时效处理、冷精轧等加工处理后，其性能见表2中的实施例I。所得合金中，杂质元素含量彡O. 5%。 实施例2本发明的合金采用以下原料熔炼电解铜、纯镍、纯硅、纯镁、Cu-V中间合金和Cu-Mn中间合金。合金的成分见表I的实施例2。I.熔炼采用中频感应炉进行熔炼。合金的加入顺序为先加入Cu，熔化后，再加入Ni、Si，加覆盖剂(木炭)保温5 lOmin，经充分除气、除杂后，再覆盖IOmm左右厚的灼烧木炭。后加入纯镁和含有Cu-V和Cu-Mn合金的木炭覆盖剂，熔炼的温度为1270°C，保温15min 后静置 10 15min。2.半连续铸造浇铸的温度为1200°C。铸造速度开始引拉为7(T80mm/min、脱离结晶器后正常拉速为9(Tl00mm/min。3.热轧对合金进行加热，加热温度为920°C，保温时间为4h，热轧总加工率为92%。4.铣面合金上下各铣1_。5.冷粗轧将经过铣面的合金板材进行78%的冷轧。6.退火将进行了 78%的冷轧板材进行退火，退火温度为450°C，保温时间为6h。7.酸洗涮刮将退火后的板带进行酸洗涮刮，除去表面氧化皮。8.冷中轧将酸洗涮刮的板带进行冷轧，冷轧加工率为80%。9.连续退火+固溶处理将板带放入连续退火炉中，温度为800°C，通过速率为lmin/m,随后喷淋冷却。10.时效处理固溶后的板带进行时效处理，时效温度为450°C，保温时间为5h，冷却方式为空冷。11.冷精轧将时效后的板带进行40%的冷轧。经过以上熔炼、半连续铸造、热轧、铣面、热轧、冷粗轧、退火、酸洗涮刮、冷中轧、连续退火、固溶处理、时效处理、冷精轧等加工处理后，其性能见表2中的实施例2。所得合金中，杂质元素含量彡O. 5%。实施例3本发明的合金采用以下原料熔炼电解铜、纯镍、纯硅、纯镁、Cu-B中间合金、Cu-Mn中间合金、Cu-V合金和Cu-Ti中间合金。合金的成分见表I的实施例3。I.熔炼采用中频感应炉进行熔炼。合金的加入顺序为先加入Cu，熔化后，再加入Ni、Si，加覆盖剂(木炭)保温5 lOmin，经充分除气、除杂后，再覆盖IOmm左右厚的灼烧木炭。后加入纯镁和含有Cu-B、Cu-Mn、Cu-V、Cu-Ti合金的木炭覆盖剂，熔炼的温度为1230°C，保温 15min 后静置 10 15min。2.半连续铸造烧铸的温度为1180°C。铸造速度开始引拉为70 80mm/min、脱离结晶器后正常拉速为9(Tl00mm/min。3. 热轧对合金进行加热，加热温度为920°C，保温时间为3h，热轧总加工率为90%。4.铣面合金上下各铣1_。5.冷粗轧将经过铣面的合金板材进行83%的冷轧。6.退火将进行了 83%的冷轧板材进行退火，退火温度为450°C，保温时间为4h。7.酸洗涮刮将退火后的板带进行酸洗涮刮，除去表面氧化皮。8.冷中轧将酸洗涮刮的板带进行冷轧，冷轧加工率为85%。9.连续退火+固溶处理将板带放入连续退火炉中，温度为900°C，通过速率为lmin/m,随后喷淋冷却。10.时效处理固溶后的板带进行时效处理，时效温度为500°C，保温时间为4h，冷
却方式为空冷。11.冷精轧将时效后的板带进行35%的冷轧。经过以上熔炼、半连续铸造、热轧、铣面、热轧、冷粗轧、退火、酸洗涮刮、冷中轧、连续退火、固溶处理、时效处理、冷精轧等加工处理后，其性能见表2中的实施例3。所得合金中，杂质元素含量彡O. 5%。实施例4本发明的合金采用以下原料熔炼电解铜、纯镍、纯硅、纯镁、Cu-B中间合金、Cu-Mn中间合金、Cu-V中间合金、Cu-Ti中间合金和Cu-Zr中间合金。合金的成分见表I的实施例4。I.熔炼采用中频感应炉进行熔炼。合金的加入顺序为先加入Cu，熔化后，再加入Ni、Si，加覆盖剂(木炭)保温5 lOmin，经充分除气、除杂后，再覆盖IOmm左右厚的灼烧木炭。后加入纯镁和含有Cu-B、Cu-Mn、Cu-V、Cu-Ti和Cu-Zr合金的木炭覆盖剂，熔炼的温度为1260°C，保温15min后静置10 15min。2.半连续铸造浇铸的温度为1200°C。铸造速度开始引拉为7(T80mm/min、脱离结晶器后正常拉速为9(Tl00mm/min。3.热轧对合金进行加热，加热温度为910°C，保温时间为4h，热轧总加工率为92%。4.铣面合金上下各铣1_。5.冷粗轧将经过铣面的合金板材进行78%的冷轧。6.退火将进行了 78%的冷轧板材进行退火，退火温度为400°C，保温时间为5h。7.酸洗涮刮将退火后的板带进行酸洗涮刮，除去表面氧化皮。8.冷中轧将酸洗涮刮的板带进行冷轧，冷轧加工率为80%。9.连续退火+固溶处理将板带放入连续退火炉中，温度为920°C，通过速率为lmin/m,随后喷淋冷却。10.时效处理固溶后的板带进行时效处理，时效温度为520°C，保温时间为3h，冷却方式为空冷。11.冷精轧将时效后的板带进行40%的冷轧。经过以上熔炼、半连续铸造、热轧、铣面、热轧、冷粗轧、退火、酸洗涮刮、冷中轧、连续退火、固溶处理、时效处理、冷精轧等加工处理后，其性能见表2中的实施例4。所得合金中，杂质元素含量彡O. 5%。实施例5本发明的合金采用以下原料熔炼电解铜、纯镍、纯硅、纯镁、Cu-B中间合金和Cu-Ti中间合金。合金的成分见表I的实施例I。I.熔炼采用中频感应炉进行熔炼。合金的加入顺序为先加入Cu，熔化后，再加入Ni、Si，加覆盖剂(木炭)保温5 lOmin，经充分除气、除杂后，再覆盖IOmm左右厚的灼 烧木炭。后加入纯镁和含有Cu-B和Cu-Ti合金的木炭覆盖剂，熔炼的温度为1250°C，保温15min 后静置 10 15min。2.半连续铸造浇铸的温度为1150°C。铸造速度开始引拉为7(T80mm/min、脱离结晶器后正常拉速为9(Tl00mm/min。3.热轧对合金进行加热，加热温度为900°C，保温时间为4h，热轧总加工率为90%。4.铣面合金上下各铣1_。5.冷粗轧将经过铣面的合金板材进行80%的冷轧。6.退火将进行了 80%的冷轧板材进行退火，退火温度为400°C，保温时间为5h。7.酸洗涮刮将退火后的板带进行酸洗涮刮，除去表面氧化皮。8.冷中轧将酸洗涮刮的板带进行冷轧，冷轧加工率为75%。9.连续退火+固溶处理将板带放入连续退火炉中，温度为750°C，通过速率为lmin/m,随后喷淋冷却。10.时效处理固溶后的板带进行时效处理，时效温度为500°C，保温时间为4h，冷
却方式为空冷。11.冷精轧将时效后的板带进行30%的冷轧。经过以上熔炼、半连续铸造、热轧、铣面、热轧、冷粗轧、退火、酸洗涮刮、冷中轧、连续退火、固溶处理、时效处理、冷精轧等加工处理后，其性能见表2中的实施例5。所得合金中，杂质元素含量彡O. 5%。表I、实施例1-5的合金成分配方(wt%)注“一”标记为未添加合金量
权利要求
1.一种高性能Cu-Ni-Si系铜合金，其特征在于按照重量百分比，包括Ni2. 2% 4. 2%, Si O. 25% I. 2%, Mg O. 05% O. 3%，其余为 Cu，其中，(a) 4 ( Ni/Si ^ 6 ； (b)杂质元素含量彡O. 5%。
2.根据权利要求I所述的高性能Cu-Ni-Si系铜合金，其特征在于按照重量百分比，包括Ni 2. 4% 3. 0%, Si O. 4% O. 75%, Mg O. 1% O. 2%,其余为 Cu。
3.根据权利要求2所述的高性能Cu-Ni-Si系铜合金，其特征在于还包括B和V中的一种或两种，及Mn、Zr和Ti中的一种或两种以上，重量百分比含量为B O.01 O. 02%, V 0. 01 O. 02%, Mn 0. 001 O. 01%, Zr 0. 001 O. 01%, Ti 0. 001 O. 01%,总量为O.01% ( B+V+Mn+Zr+Ti ( O. 05%。
4.根据权利要求3所述的高性能Cu-Ni-Si系铜合金，其特征在于重量百分比含量为B 0. ΟΓΟ. 015%, V 0. ΟΓΟ. 015%, Mn :0· ΟΟΓΟ. 005%, Zr :0· 00Γ0. 005%, Ti :0· ΟΟΓΟ. 005%。
5.根据权利要求4所述的高性能Cu-Ni-Si系铜合金，其特征在于Β、V、Mn、Zr和Ti以覆盖剂的形式，加入到铜合金中。
6.根据权利要求5所述的高性能Cu-Ni-Si系铜合金，其特征在于Β、V、Mn、Zr和Ti均以各自与铜的中间合金形式使用。
7.一种高性能的Cu-Ni-Si系铜合金的制备和加工方法，包括以下工艺流程a.按照质量百分比进行配料、投料，b.半连续铸造，c.热轧，d.铣面，e.冷粗轧，f.退火，g.酸洗涮刮，h.冷中轧，i.连续退火+固溶处理，j.时效处理，k.冷精轧。
8.根据权利要求7所述的高性能的Cu-Ni-Si系铜合金的制备和加工方法，其特征在于所述投料时，先加入Cu，熔化后，再加入Ni、Si，加覆盖剂木炭，经充分除气、除杂后，再覆盖灼烧木炭，然后加入纯镁和含有Cu-B、Cu-V, Cu-Mn, Cu-Ti和/或Cu-Zr合金的木炭覆盖剂，进行熔炼。
9.根据权利要求7所述的高性能的Cu-Ni-Si系铜合金的制备和加工方法，其特征在于半连续铸造时，浇铸的温度为1150 1250°C，铸造速度开始引拉为7(T80mm/min，脱离结晶器后拉速为9(Tl00mm/min ;热轧温度为90(T950°C，时间为I 10h。
10.根据权利要求7所述的高性能的Cu-Ni-Si系铜合金的制备和加工方法，其特征在于所述冷粗轧的加工率控制在40 85% ;所述退火的温度为400 550°C，时间为I 10h，冷却方式为空冷或随炉冷却；所述冷中轧的加工率为4(Γ85% ;连续退火+固溶处理在连续退火炉中，处理温度为750°C、00°C，通过速率为lmin/m，冷却方式为喷淋处理；所述时效处理温度为40(T550°C，时间为l 6h，冷却方式为空冷或随炉冷却；所述冷精轧的加工率为20 40%。
全文摘要
本发明涉及一种高性能Cu-Ni-Si系铜合金及其制备和加工方法，属于有色金属加工领域。按照重量百分比，包括Ni 2.2%～4.2%，Si 0.25%～1.2%，Mg 0.05%～0.3%，其余为Cu，其中，(a)4≤Ni/Si≤6；(b)杂质元素含量≤0.5%。本发明铜合金的抗拉强度σb为730～820MPa，塑性延伸率δ为8～10%，电导率为40～50%IACS，铸坯平均晶粒度为100~150μm。可以广泛的应用于各种弹性簧片、电触点、点焊极点、防爆工具、电接触元器件、接插元器坯件等场合。
文档编号C22C9/06GK102925746SQ20121050654
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者王建立, 马吉苗, 马万军, 肖翔鹏, 黄国杰, 苑和锋 申请人:宁波兴业鑫泰新型电子材料有限公司