CN100584975C - 一种铜基合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜基合金及其制备方法。该铜基合金的化学成分及重量百分比为：镍14.0～30.0%，锰14.0～30.0%，铁1.0～8.0%；其余为铜；并且Al＜0.002%，Pb＜0.002%，Sb＜0.002%，Bi＜0.002%，P＜0.01%，其余为铜。经熔炼及热机械处理后，制备出性能优良的铜基合金，其微观结构可控制为小于50μm的近等轴晶粒。该合金具有时效强化效应，冷变形后时效进行室温拉伸时的断裂强度σb最高达到1480MPa、延伸率δ5最高达到6%、维氏硬度Hv最高达到470；在400℃高温拉伸时的断裂强度σb最高达到1100MPa、延伸率δ5最高达到6%。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基合金及其制备方法，具体地说是一种高强度、高弹性、热稳定性良好的铜基合金及其制备方法。
背景技术
铜及其合金凭借着良好的导热、导电、耐腐蚀性及高塑性、耐磨性，被广泛的应用于电气、电工、化工、轻工、机械制造、交通运输、电子通讯等行业。
在铜基弹性材料中铍铜是最具代表性的一种。但是，铍铜合金在工业生产和应用中仍存在以下严重缺点：首先，由于铍引起的工业污染，给人体和生态造成了极大的危害，使得该合金的生产和使用日趋受到限制；其次，因为在工业生产中，必须先炼制中间合金再制备成铍铜合金，因此成本较昂贵；再次，热处理工艺对铍铜合金性能的影响非常敏感，所以操作困难、性能不易保证，常出现成品率低的现象；并且，在大于150℃的较高温度使用时，铍铜合金会产生严重失弹，因而不能满足材料的设计要求。所以，对铍铜合金，目前的发展趋势是在保持其原有优异性的同时减少合金中的含铍量，另外就是寻找完全不含铍的其它新型铜基合金。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有高强度、高弹性、热稳定性良好的铜基合金。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种铜基合金，其特征在于：所述铜基合金的化学成分及重量百分比分别为：镍14.0～30.0％，锰14.0～30.0％，铁1.0～8.0％；其余为铜和杂质。
一种优选技术方案，其特征在于：所述杂质成分及重量百分比包括：铝＜0.002％，铅＜0.002％，锑＜0.002％，铋＜0.002％，磷＜0.01％。
一种优选技术方案，其特征在于：所述铜基合金具有如下力学性能：室温拉伸时断裂强度σb最高达到1480MPa、延伸率δ5最高达到6％、维氏硬度Hv最高达到470；在400℃高温拉伸时的断裂强度σb最高达到1100MPa、延伸率δ5最高达到6％。
一种优选技术方案，其特征在于：所述铜基合金的微观结构为小于50μm的近等轴晶粒。
本发明的目的另一是提供上述铜基合金的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
上述铜基合金的制造方法，其步骤如下：
(1)采用常规熔炼方法，在1200～1300℃温度下，按比例取市售的铜、镍、锰、铁纯金属或中间合金进行熔炼，并在1100℃温度下浇注；
(2)将步骤(1)铸锭先进行热轧或热锻开坯，温度为700～900℃，最佳为750-850℃，热加工后快速冷却至室温；
(3)将步骤(2)板材进行冷轧，冷轧时的变形量控制在20～60％；根据产品厚度要求，可增加中间退火，退火温度为650～800℃，时间40min～2h；退火后快速冷却至室温，一般需要2-4个退火周期。
一种优选技术方案，其特征在于：热轧或热锻开坯后，，对铜基合金进行时效处理，温度控制在380～480℃，最佳温度为400～450℃，时间为24～60h。
一种优选技术方案，其特征在于：冷轧后，对铜基合金进行时效处理，温度控制在380～450℃，最佳温度为400～450℃，时间为8～24h。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(1)中的熔炼温度为1200～1300℃。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(2)中的热轧或热锻开坯的最佳温度为750～850℃。
本发明具有以下优点：
(1)性能优良。本发明制备的四元铜基合金，具有优良的微观结构，可控制为小于50μm均匀分布的近等轴晶粒；组织决定了该本发明材料具有较高的室温抗拉强度和延伸率，并且具有良好高温热稳定性，可以在400℃温度下工作。
(2)制备简单无污染。本发明材料与现用铍铜材料相比要环保、安全许多，并且对熔炼及热处理工艺的要求宽松，可进行成批量大规模生产。
(3)应用性强。因为本发明的铜基合金具有高强度、高弹性及良好的热稳定性，所以这种材料对仪器仪表、弹性元件、导电传热元件等行业发展具有重要价值。
本发明提供的铜基合金作为铍铜合金的取代材料之所以具有上述优点，是因为铜与镍在元素周期表中位置相近，半径相差很小，并同为面心立方结构，所以镍在铜中能够无限固溶，从而起到固溶强化的作用。铜中加入镍就是俗称的白铜。铜中加入高熔点的元素时，该元素在结晶过程中将作为非自发结晶形核的结晶前沿，所以此类元素有细化晶粒的作用。铁的熔点为1537℃，铜的熔点为1083℃，铁作为添加元素可细化结晶组织，并进一步提高合金的力学性能。锰作为合金元素添加到白铜中，不仅可起到固溶强化的作用，还可析出锰镍强化相，同时锰的加入有助于铁对合金的细化作用，提高合金的机械性能。并且，镍、锰含量对铜基合金的强度及加工性能也有显著影响，当镍、锰含量小于14wt％时合金的时效强化效果下降、强度及抗应力腐蚀性也降低；当含量大于30wt％时，铜基合金的加工成形性变差。
下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种成分及含量的变化和改进都是可能的。
附图说明
图1是本发明铜基合金的热加工后时效的金相显微组织照片。
图2是本发明铜基合金的冷加工后时效的金相显微组织照片。
具体实施方式
实施例1
1、材料熔炼
将市售的电解铜530克、镍210克、锰210克及铁50克进行配料，在真空感应炉中进行熔炼。熔炼温度为1250℃，钢模浇注，浇注温度1100℃。
2、热机械处理
工艺一：先将铸锭在850℃进行热锻开坯，750℃退火1.5h，之后快速冷却至室温；进行时效处理，时效温度为420℃，时间48h。
工艺二：先将铸锭在850℃进行热锻开坯，750℃退火1.5h，之后快速冷却至室温；进行冷轧，冷轧变形量为30％。冷轧后进行时效处理，时效温度为420℃，时间16h。
工艺三：先将铸锭在850℃进行热锻开坯，750℃退火1.5h，之后快速冷却至室温；进行冷轧，冷轧变形量为50％。冷轧后进行时效处理，时效温度为420℃，时间8h。
采用电感等离子发射光谱(ICP)进行合金元素及杂质含量分析，见表1：
表1.合金的杂质化学成分
| 元素 | Al | Pb | Sb | Bi | P |
| 不大于wt％ | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.01 |
3、合金的显微组织及力学性能
对时效后的合金样品进行金相显微组织观察，先研磨抛光再进行化学腐蚀，腐蚀液为氯化铁酒精溶液，腐蚀后的样品置于金相显微镜下观察照相，放大倍数200倍，其显微组织照片如图1(热机械处理工艺1)、图2(热机械处理工艺3)所示。该合金的微观结构为近等轴晶粒，平均晶粒尺寸小于50μm。
按照GB-T228-2002金属材料拉伸试验方法对合金进行了拉伸试验，按照GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验对合金进行了硬度试验其力学性能见表2。
表2.合金的力学性能
实施例2
1、材料熔炼
将市售的电解铜550克、镍300克、锰140克及铁10克进行配料，在真空感应炉中进行熔炼。熔炼温度为1300℃，钢模浇注，浇注温度1150℃。
2、热机械处理
先将铸锭在750℃进行热轧，650℃退火2h，之后快速冷却至室温；进行冷轧，冷轧变形量为60％。冷轧后进行时效处理，时效温度为400℃，时间8h。
采用电感等离子发射光谱(ICP)进行合金元素及杂质含量分析，见表3。
表3.合金的杂质化学成分
| 元素 | Al | Pb | Sb | Bi | P |
| 不大于wt％ | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.01 |
3、合金的显微组织及力学性能
合金的显微组织同于实施例1。
按照GB-T228-2002金属材料拉伸试验方法对合金进行了拉伸试验，按GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验对合金进行了硬度试验其力学性能见表4。
表4.合金的力学性能
实施例3
1、材料熔炼
将市售的电解铜480克、镍140克、锰300克及铁80克进行配料，在真空感应炉中进行熔炼。熔炼温度为1250℃，钢模浇注，浇注温度1100℃。
2、热机械处理
先将铸锭在900℃进行热锻开坯，800℃退火40min，之后快速冷却至室温；进行冷轧，冷轧变形量为20％。冷轧后进行时效处理，时效温度为450℃，时间24h。
采用电感等离子发射光谱(ICP)进行合金元素及杂质含量分析，见表5。
表5.合金的杂质化学成分
| 元素 | Al | Pb | Sb | Bi | P |
| 不大于wt％ | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.01 |
3、合金的显微组织及力学性能
合金的显微组织同于实施例1。
按照GB-T228-2002金属材料拉伸试验方法对合金进行了拉伸试验，按照GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验对合金进行了硬度试验其力学性能见表6。
表6.合金的力学性能
实施例4
1、材料熔炼
将市售的电解铜480克、镍140克、锰300克及铁80克进行配料，在真空感应炉中进行熔炼。熔炼温度为1200℃，钢模浇注，浇注温度1100℃。
2、热机械处理
先将铸锭在700℃进行热锻开坯，800℃退火40min，之后快速冷却至室温；进行冷轧，冷轧变形量为50％。冷轧后进行时效处理，时效温度为450℃，时间24h。
采用电感等离子发射光谱(ICP)进行合金元素及杂质含量分析，见表7。
表7.合金的杂质化学成分
| 元素 | Al | Pb | Sb | Bi | P |
| 不大于wt％ | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.002 | 0.01 |
3、合金的显微组织及力学性能
合金的显微组织同于实施例1。
按照GB-T228-2002金属材料拉伸试验方法对合金进行了拉伸试验，按照GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验对合金进行了硬度试验其力学性能见表8。
表8.合金的力学性能
Claims (9)
1、一种铜基合金，其特征在于：所述铜基合金的化学成分及重量百分比分别为：镍14.0～30.0％，锰14.0～30.0％，铁1.0～8.0％，其余为铜和杂质；所述铜基合金的微观结构为小于50μm的近等轴晶粒。
2、根据权利要求1所述的铜基合金，其特征在于：所述杂质成分及重量百分比包括：铝＜0.002％，铅＜0.002％，锑＜0.002％，铋＜0.002％，磷＜0.01％。
3、根据权利要求1所述的铜基合金，其特征在于：所述铜基合金具有如下力学性能：室温拉伸时断裂强度σb最高达到1480MPa、延伸率δ5最高达到6％、维氏硬度Hv最高达到470；在400℃高温拉伸时的断裂强度σb最高达到1100MPa、延伸率δ5最高达到6％。
4、根据权利要求1-3中任一项所述的铜基合金的制造方法，其步骤如下：
(1)采用常规熔炼方法，在1200～1300℃温度下，按比例取市售的铜、镍、锰、铁纯金属或中间合金进行熔炼，并在1100℃温度下浇注；
(2)将步骤(1)所得铸锭先进行热轧或热锻开坯，温度为700～900℃，之后快速冷却至室温；
(3)将步骤(2)所得的热加工板材进行冷轧，冷轧时的变形量控制在20～60％。
5、根据权利要求4所述的铜基合金的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述冷轧后，增加中间退火，退火温度为650～800℃，时间40min～2h；退火后应快速冷却至室温。
6、根据权利要求5所述的铜基合金的制造方法，其特征在于：所述中间退火循环进行2-4个退火周期。
7、根据权利要求4所述的铜基合金的制造方法，其特征在于：在步骤(2)所述的热轧或热锻开坯后，对铜基合金进行时效处理，温度控制在380～480℃，时间为24～60h。
8、根据权利要求4所述的铜基合金的制造方法，其特征在于：在步骤(3)所述的冷轧后，对铜基合金进行时效处理，温度控制在380～480℃，时间为8～24h。
9、根据权利要求4所述的铜基合金的制造方法，所述步骤(1)中的熔炼温度为1200～1300℃；所述步骤(2)中的热轧或热锻开坯的温度为750～850℃。
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