CN115094266A - 一种高强导电弹性铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强导电弹性铜合金，包括以下元素：元素Ni、Co中的至少一种；且Ni+Co的质量含量为10‑20wt.％；元素Si、Sn、Al中的至少一种；Ni、Co、Si、Sn、Al元素的质量比还满足：6.2：1≤(Ni+Co)/(Si+Al+Sn)≤9：1；余量为Cu以及不可避免的杂质。本发明还提供一种高强导电弹性铜合金的制备方法。本发明的高强导电弹性铜合金，合金强度高、弹性高、导电性好、室温和高温阻尼性能优异。

Description

一种高强导电弹性铜合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，尤其涉及一种铜合金及其制备方法。
背景技术
高强高导铜合金在航空航天、电子元器件、高铁以及汽车重要零部件等领域中有着重要地位。随着技术不断地迭代，各个领域对高强高导铜合金的强度和导电性能提出了更高的要求。同时，还需要高强高导铜合金满足在特定的服役环境下的特定要求，如作为汽车发动机零部件中，除了对强度和导电的需求之外，阻尼性能也备受重视。作为接触器中的簧片，应力松弛性能也成为重要的性能指标之一。
Cu-Ni-Si合金作为新型高强高导铜合金，近来看受到了不少的关注。但目前公开的Cu-Ni-Si合金的综合性能有待加强，尤其是阻尼性能和应力松弛性能。并且，现有Cu-Ni-Si合金的制备工艺大多存在工艺流程复杂、工作效率低、能耗高等问题。比如专利CN110195170A中公开了一种提高Cu-Ni-Si合金强韧性的制备方法，提及的工艺流程需要多次的固溶、冷轧和退火处理，流程较为复杂。比如专利CN105018871A中公开了一种CuNiSi引线框架异性带热处理工艺，其热处理流程为：①退火：800-950℃加热，保持1小时，随炉冷却；②热轧：800℃、850℃、900℃和950℃，进行五次热轧；③淬火：在820-850℃保温20分钟，然后放入水中保持15分钟；④冷却：放在空气中冷却；⑤固溶处理：600-750℃加热，保温40-50分钟；⑥时效：300℃、350℃、400℃、450℃、500℃，时间分别为2小时、3小时、4小时、5小时和6小时。该专利在退火之后需要随炉冷却，会大大降低工业生产当中的工作效率，且固溶处理在冷却之后，增加了生产过程中耗能。
整体而言，有必要提出一种综合性能优异的Cu-Ni-Si合金以及工艺流程短、能耗低的制备工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种强度高、导电率优异、应力松弛性能和阻尼性能优异的高强导电弹性铜合金及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高强导电弹性铜合金，包括以下元素：
元素Ni、Co中的至少一种；且Ni+Co的质量含量为10-20wt.％；
元素Si、Sn、Al中的至少一种；
Ni、Co、Si、Sn、Al元素的质量比还满足：6.2：1≤(Ni+Co)/(Si+Al+Sn)≤9：1；
余量为Cu以及不可避免的杂质。上述(Ni+Co)是指元素Ni和元素Co的总质量。
上述高强导电弹性铜合金中，优选的，还含有元素Cr、Mg中的至少一种；所述Cr的质量含量为0.001-0.15wt.％，所述Mg的质量含量为0.001-0.15wt.％。加入Cr和Mg可以进一步提高材料的综合性能。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)依据铜合金元素组成进行配料，将铜以及其他元素放入熔炼炉中进行熔化，待熔液均匀之后形成合金溶体；
(b)将步骤(a)中得到的合金溶体铸造成铸锭，得到铸锭坯锭，再进行均匀化处理，然后进行热轧/热挤压，得到热轧板/热挤压棒；
(c)将步骤(b)中得到的热轧板/热挤压棒进行固溶处理、水淬、高温时效处理；
(d)将步骤(c)中经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行冷轧/拉拔变形处理，即得到所述的高强导电弹性铜合金。
上述制备方法中，优选的，所述均匀化处理的温度为1000-1050℃，保温时间为2-4h。
上述制备方法中，优选的，所述均匀化处理后直接进行热轧/热挤压开坯，控制热轧/热挤压的初始温度为900-1000℃，热轧/热挤压的变形量为80-95％。
上述制备方法中，优选的，所述固溶处理的温度为950-1050℃，保温时间为2-8h。
上述制备方法中，优选的，所述固溶处理之后进行在线水淬冷却至高温时效处理的温度，在线水淬冷却过程中样品表面冷却速度≥30℃/秒，样品芯部冷却速度≥10℃/秒。
上述制备方法中，优选的，所述高温时效处理的温度为550-700℃，时间为10-60分钟。
上述制备方法中，优选的，冷轧/拉拔变形处理分多道次进行，每道次冷轧/冷拉拔的变形量控制≤10％，变形应变速率为0.5-10s-1，并控制冷轧/冷拉拔的总变形量为75-95％。
上述制备方法中，优选的，所述熔炼炉内采用微还原性气体保护，所述微还原性气体采用氮气与还原气体混合，所述氮气的体积含量不低于95％，所述还原气体包括一氧化碳、甲烷和氢气。
对于本发明中的合金材料而言，上述各处理温度、处理时间和变形量等工艺参数会影响到合金材料的微观组织，从而体现出不同的性能。基于本发明特殊的成分设计，再加上特殊的处理工艺，通过上述工艺参数的控制，可以得到综合性能最优的Cu-Ni-Si合金。
本发明的Cu-Ni-Si合金作为新型高强高导铜合金，通过合理地设计合金成分以及含量，Co和Ni两种元素都可以和Cu形成无限固溶体，因此，高(Ni+Co)含量(10-20wt.％)可以通过固溶强化极大地提高合金的强度；同时，Si元素与Co和Ni元素可以通过时效析出形成Co2Si、Ni2Si和Ni3Si强化相粒子提高合金强度。Sn、Al与Ni和Co元素可以通过形成Ni3Sn、Ni3Al、Co3Sn和Co2Al3强化相颗粒增强基体。此外，高(Ni+Co)含量会进一步促进Si、Sn和Al元素的析出，抑制Si、Sn和Al元素降低导电率的影响，减少合金导电率的降低。
但上述元素Ni、Co和元素Si、Sn、Al的质量比需要进行合理控制，元素Ni、Co用量过多，Ni和Co元素将会以固溶原子形势残留在铜基体中，会影响导电性能。元素Ni、Co用量过少，合金中将会留下过多的Si、Al和Sn，材料内部的强化相数量不够，材料的强度不够高。
此外，我们研究表明，强化相颗粒在时效退火过程中，会随着时效退火的参数(包括温度与时间)不同而有所差异，强化相颗粒形态表现为连续析出相(呈现为盘状)和不连续析出相(呈现为片层状)两种。其中，片层状的不连续析出相与连续相相比，能更加有效地净化基体，减少Cu基体中的固溶原子浓度，防止溶质原子对电子的散射作用而引起的导电率下降，同时，经过塑形变形之后，不连续析出相的加工硬化效果更好，能更加有效地增强合金的强度。此外，不连续析出相由于片层结构的特殊性，在应力松弛性能和阻尼性能上也比传统连续相更有优势，可以满足在特殊环境下的需求。
本发明还通过对Cu-Ni-Si合金制备方法的优化，通过工艺步骤的优化，尤其是通过调整高温时效处理的温度为550-700℃，时间为10-60分钟，较高的热处理温度下，结合前面的合金元素成分的设计，可以或具有特殊形貌和特征的不连续析出相，通过以不连续析出相代替以往的连续析出相，使加工变形中位错强化效果更加显著，极大提高合金的强度，加工硬化提高的强度更加明显。由于过饱和固溶体中的元素通过时效形成不连续析出能更好地净化基体，减少溶质原子对电子的散射作用，提高合金的导电率。由于不连续析出相的片层结构，能有效地阻碍位错的运动，提高阻尼性能和应力松弛性能。
并且，本发明的整体工艺路线采用铸锭、均匀化处理、热轧/热挤压、固溶处理、水淬、高温时效处理、冷轧/拉拔变形处理，这一系列工艺步骤的相互协同作用，再结合工艺参数的优化，与本发明的合金的成分设计匹配关系好，有利于合金成分设计的优势体现。即采用本发明的合金成分设计，再采用本发明的工艺路线与工艺参数，各因素相互配合，有利于得到强度高、导电率优异、应力松弛性能和阻尼性能优异的超高强导电弹性铜合金。
总的来说，本发明通过对合金成分设计，再结合制备方法和工艺参数的优化，最终得到强度高、导电率优异、应力松弛性能和阻尼性能优异的超高强导电弹性铜合金，可以满足在特殊环境下的需求。并且，本发明的制备方法工艺简单、流程短、能耗低，相比于现有技术也具有突出的优势。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的高强导电弹性铜合金，合金强度高，具有更加优异的阻尼性能和应力松弛性能，室温最大抗拉强度为1300-1500MPa，屈服强度为1200-1300MPa，弹性模量为140-160GPa，导电率为25-40％IACS；阻尼性能的室温损耗因子为0.1-0.2％；100℃损耗因子为0.2-0.32％；300℃损耗因子为1.7-3.2％。
2、本发明的超高强导电弹性铜合金的制备方法，生产工艺流程短，生产成本低，操作简易，应用于工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1中制备的高强导电弹性铜合金经过步骤(b)后所得坯锭的SEM图。
图2是实施例1中制备的高强导电弹性铜合金经过步骤(c)后所得坯料的SEM图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：10.0％；Co 0.001％；Si 1.6％；Sn 0.001％；Al 0.001％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为10.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为6.25：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1000℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为900℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为950℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为30℃/秒，样品芯部冷却速度为10℃/秒；高温时效温度550℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为10s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为95％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
经过步骤(b)后所得坯锭的SEM图如图1所示，经过步骤(c)后所得坯料的SEM图如图2所示。由图1可知，经过上述均匀化和热轧/热挤压处理的合金中的晶粒中含有比较完整的晶粒，合金中的微观组织中经过均匀化后，绝大部分的铸态组织以及消除，晶粒呈现出等轴状，并含有一定数量的退火挛晶。同时由图2可知，经过高温时效(c)处理后，合金中形成了具有层片状结构的不连续析出组织，净化了基体，阻碍位错运动，极大地提高了合金的导电率和屈服强度。
实施例2：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：10.0％；Co 2.00％；Si 1.60％；Sn 0.001％：Al 0.001％：Cr 0.01％：Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为12.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为7.5：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1020℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为920℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为960℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为40℃/秒，样品芯部冷却速度为20℃/秒；高温时效温度580℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为8s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为95％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
实施例3：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：10.0％；Co 4.00％；Si 2.0％；Sn 0.001％：Al 0.001％：Cr 0.01％：Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为14.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为7：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1020℃，保温时间为4h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为940℃，热轧/热挤压变形量为85％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为960℃，保温时间为4h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为30℃/秒，样品芯部冷却速度为20℃/秒；高温时效温度600℃，时效处理时间为30分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为0.5s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为90％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
实施例4：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：13.0％；Co 2.00％；Si 2.10％；Sn 0.001％：Al 0.001％：Cr 0.01％：Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为15.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为7.14：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1040℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为940℃，热轧/热挤压变形量为85％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为960℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为50℃/秒，样品芯部冷却速度为20℃/秒；高温时效温度580℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为8s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为90％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
实施例5：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：16.0％；Co 0.001％；Si 0.001％；Sn 1.000％；Al 1.000％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量约为16.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为8：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1040℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为950℃，热轧/热挤压变形量为90％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为970℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为30℃/秒，样品芯部冷却速度为25℃/秒；高温时效温度600℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为6s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为90％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
实施例6：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：15.0％；Co 3.00％；Si 0.001％；Sn 1.000％；Al 1.000％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为18.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为9：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1050℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为960℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为960℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为40℃/秒，样品芯部冷却速度为20℃/秒；高温时效温度600℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为4s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为75％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
实施例7：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：13.0％；Co 6.00％；Si 3.0％；Sn 0.001％；Al 0.001％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为19.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为6.33：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1050℃，保温时间为4h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为980℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为1000℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为50℃/秒，样品芯部冷却速度为25℃/秒；高温时效温度600℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为1s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为85％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
实施例8：
一种高强导电弹性铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：14.0％；Co 6.00％；Si 1.60％；Sn 0.7％；Al 0.001％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为20.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为8.7：1。
本实施例的高强导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1050℃，保温时间为4h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为1000℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为1050℃，保温时间为8h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为50℃/秒，样品芯部冷却速度为25℃/秒；高温时效温度700℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为0.5s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为80％。
针对经过上述处理得到的高强导电弹性铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
对比例1：
一种铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：10.0％；Co 0.001％；Si 2.0％；Sn0.001％；Al 0.001％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量约为10.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为5：1。
本对比例的铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1000℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为900℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为950℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为30℃/秒，样品芯部冷却速度为10℃/秒；高温时效温度550℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为10s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为95％。
针对经过上述处理得到的铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
对比例2：
一种铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：16.0％；Co 0.001％；Si 0.001％；Sn 1.000％；Al 1.000％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量约为16.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为8：1。
本对比例的铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为850℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为950℃，热轧/热挤压变形量为90％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为970℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为30℃/秒，样品芯部冷却速度为25℃/秒；高温时效温度600℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为6s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为90％。
针对经过上述处理得到的铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
对比例3：
一种铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：14.0％；Co 6.00％；Si 1.60％；Sn0.7％；Al 0.001％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为20.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为8.7：1。
本对比例的铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1050℃，保温时间为4h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为1000℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温时效处理，在线淬火过程中样品表面冷却速度为50℃/秒，样品芯部冷却速度为25℃/秒；高温时效温度700℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为0.5s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为80％。
针对经过上述处理得到的铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
对比例4：
一种铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：15.0％；Co 3.00％；Si 0.001％；Sn1.000％；Al 1.000％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为18.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为9：1。
本对比例的铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。先将铜源、镍源、钴源放入加热坩埚中熔化，熔体温度应在1600℃以上，并保温3min，然后加入硅源和铬源，最后降温至1200℃±20℃后加入锡源、铝源和镁源，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1050℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为960℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为960℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行在线水淬冷却至高温时效温度，在线淬火过程中样品表面冷却速度为40℃/秒，样品芯部冷却速度为20℃/秒；高温时效温度450℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，冷轧/冷拉拔可分多道次进行，每道次变形量冷轧/冷拉拔变形量控制为10％，变形应变速率为4s-1；样品的冷轧/冷拉拔总变形量为75％。
针对经过上述处理得到的铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
对比例5：
一种铜合金，以质量百分比计其成分包括：Ni：15.0％；Co 3.00％；Si 0.001％；Sn1.000％；Al 1.000％；Cr 0.01％；Mg 0.01％；其余为Cu以及不可避免的杂质元素。其中Ni+Co的质量含量为18.0％；(Ni+Co)/(Si+Sn+Al)的质量比为9：1。
本对比例的铜合金的制备方法，包括以下步骤：
(a)按照元素组成的质量百分比配料，熔炼时采用氮气与一氧化碳的混合气体保护。将铜源、镍源、钴源、硅源、铬源、锡源、铝源和镁源一起加入，待全部融化后再保温10min，熔体均匀后采用石墨模具浇铸。
(b)获得的铸锭需要进行均匀化处理，均匀化温度为1050℃，保温时间为2h；均匀化后直接进行热轧/热挤压开坯，热轧/热挤压初始温度为960℃，热轧/热挤压变形量为80％。
(c)将经过热轧/热挤压得到的热轧板/热挤压棒直接转入高温炉内进行高温固溶处理，固溶处理温度为960℃，保温时间为2h，固溶处理之后样品进行高温时效温度600℃，时效处理时间为60分钟。
(d)对经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行大变形量冷轧/冷拉拔变形，样品的冷轧/冷拉拔总变形量为75％。
针对经过上述处理得到的铜合金进行了室温拉伸性能、导电性能和阻尼性能测试，其弹性模量、屈服强度、最大抗拉强度、导电率和损耗因子，其结果如表1所示。
下表1中，弹性模量、屈服强度、拉伸强度的测试仪器为万能拉伸试验机，导电率的测试仪器为双电桥测试仪，损耗因子的测试仪器为阻尼性能测试仪。
表1：实施例1-8以及对比例1-5中合金的性能数据
Figure BDA0003731248010000131

Claims (10)

1.一种高强导电弹性铜合金，其特征在于，包括以下元素：
元素Ni、Co中的至少一种；且Ni+Co的质量含量为10-20wt.％；
元素Si、Sn、Al中的至少一种；
Ni、Co、Si、Sn、Al元素的质量比还满足：6.2：1≤(Ni+Co)/(Si+Al+Sn)≤9：1；
余量为Cu以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高强导电弹性铜合金，其特征在于，还含有元素Cr、Mg中的至少一种；所述Cr的质量含量为0.001-0.15wt.％，所述Mg的质量含量为0.001-0.15wt.％。
3.一种如权利要求1或2所述的高强导电弹性铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)依据铜合金元素组成进行配料，将铜以及其他元素放入熔炼炉中进行熔化，待熔液均匀之后形成合金溶体；
(b)将步骤(a)中得到的合金溶体铸造成铸锭，得到铸锭坯锭，再进行均匀化处理，然后进行热轧/热挤压，得到热轧板/热挤压棒；
(c)将步骤(b)中得到的热轧板/热挤压棒进行固溶处理、水淬、高温时效处理；
(d)将步骤(c)中经过高温时效处理的热轧板/热挤压棒进行冷轧/拉拔变形处理，即得到所述的高强导电弹性铜合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为1000-1050℃，保温时间为2-4h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理后直接进行热轧/热挤压开坯，控制热轧/热挤压的初始温度为900-1000℃，热轧/热挤压的变形量为80-95％。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为950-1050℃，保温时间为2-8h。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理之后进行在线水淬冷却至高温时效处理的温度，在线水淬冷却过程中样品表面冷却速度≥30℃/秒，样品芯部冷却速度≥10℃/秒。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高温时效处理的温度为550-700℃，时间为10-60分钟。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，冷轧/拉拔变形处理分多道次进行，每道次冷轧/冷拉拔的变形量控制≤10％，变形应变速率为0.5-10s-1，并控制冷轧/冷拉拔的总变形量为75-95％。
10.根据权利要求3-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼炉内采用微还原性气体保护，所述微还原性气体采用氮气与还原气体混合，所述氮气的体积含量不低于95％，所述还原气体包括一氧化碳、甲烷和氢气。
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