CN116287857A - 一种高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高弹性高强度高导电Cu‑Ni‑Sn合金及其制备方法,属于金属材料加工技术领域。所述高弹性高强度高导电Cu‑Ni‑Sn合金,包括如下质量百分比的成分:镍8~18%、锡6~10%、硅0.1~1.0%、铌0.1~1.2%、钇0.02~0.5%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素。本发明采用了微合金化的方式,通过对铜镍锡合金的组分进行了优化调整,各元素之间协同作用,显著提高了Cu‑Ni‑Sn合金的强度和弹性模量,且不会对铜镍锡合金的导电性产生影响,制备的铜镍锡合金能在空气中长期存放仍能保持光亮美观、不变暗,能够得到接插件的多元化应用。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域,具体涉及一种高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金及其制备方法。
背景技术
插板中的开关、接插件、弹性器件等直接决定了插板的使用性能。对于插板而言,其里面的铜片好坏直接决定了它的质量。近些年来,对铜材接插件的抗拉强度、弹性模量、导电率、弯曲加工性及抗应力松弛特性要求越来越高。Cu-Ni-Sn合金,如Cu-15Ni-8Sn、Cu-9Ni-6Sn和Cu-6Ni-2Sn,作为一类导电弹性铜合金因其具有良好的导电性和抗蠕变等综合性能而广泛应用于航空航天零部件、电子弹性元器件和电子封装等领域中。特别是Cu-15Ni-8Sn合金的强度最高可达1000MPa以上,与有毒的Cu-Be合金和高强钢相当,因而在石油钻井平台,重型装备等高负载条件下的力学性能均优于传统锡青铜和铍铜合金。
Cu-Ni-Sn合金属于时效调幅分解强化型铜合金,作为环保导电弹性铜合金,Ni能够显著提高抗拉强度、耐蚀性、硬度、电阻和热电性,并降低电阻率温度系数。Sn具有固溶强化和提高耐应力松弛性的作用。通过固溶处理使Ni、Sn固溶到Cu的α相中,获得不稳定的过饱和固溶体相,再通过后续的时效处理在晶粒内部形成共格亚稳态两相组织,进而产生弹性应力场阻碍位错运动,产生强化效果。
目前,制备铜镍锡合金的主要技术路线为:熔铸→均匀化处理→固溶处理→热冷变形→时效处理。它主要是通过控制时效温度和时效时间来控制合金的性能,但是在时效过程中,纳米级析出相的析出量很少,不能大幅提升合金的强度、塑性和导电性,使得硬度有所降低。其次,国内高校及科研所研究了微合金化,如添加微量Fe、Si、Nb、Al、Ti、Mn、Zr等,熔铸工艺、热冷变形和时效工艺对合金微观组织和力学性能的影响机理。但仍没有解决熔铸过程中Sn的大面积偏析现象,这主要是由于合金在时效过程中易析出层片状不连续析出相,使得塑性和硬度降低,大大影响了合金的综合性能。最后,通过微合金化方式在Cu-Ni-Sn合金基体中添加微量元素对合金的综合性能影响的机理研究尚未完全成熟。基于以上几点,因而使得铜镍锡合金未实现产业化应用。本发明提供一种高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金及其制备方法旨在通过微合金化的方式,进一步解决在熔铸过程中Sn元素的大面积偏析问题及时效过程中析出不连续的层片状L12相导致合金强度下降、延伸率降低和后续加工至工件开裂的问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺点,本发明提供一种高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金及其制备方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金包括如下质量百分比的成分:镍8~18%、锡6~10%、硅0.1~1.0%、铌0.1~1.2%、钇0.02~0.5%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素。
本发明所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金,以Cu、Ni、Sn三种元素为基体,通过微合金化方式,改善三元合金微观组织和力学性能不足的问题。本发明通过调控Ni和Sn的比例,避免合金的硬度、强度降低和Sn元素大面积偏析的问题。此外,本发明还通过添加微量Si元素抑制了时效后期不连续析出相的形成和长大。同时,添加的Si元素主要形成了Ni3Si相,提高了合金导电率和硬度。通过添加少量的Nb固溶在合金基体中,与基体中的Ni和Sn形成了沉淀相Ni3Nb和NbNi2Sn,提高了合金的延性、弹性模量和导电率。通过添加微量稀土元素Y能够显著细化晶粒,使晶界处及晶内析出少量纳米球形粒子Ni2Y和Sn3Y阻碍晶界运动,提高了合金组织的均匀性,抑制不连续胞状析出,提升了合金的强度。
作为本发明的优选实施方式,所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金包括如下质量百分比的成分:镍9~16%、锡6~8%、硅0.2~0.8%、铌0.3~0.8%、钇0.2~0.3%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素。
更优选的,所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金包括如下质量百分比的成分:镍15.0%、锡8.0%、铌0.4%、硅0.5%、钇0.25%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素。
本发明还要求保护所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)按照Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比进行原料金属配样,将配好的样品进行熔炼,得到Cu-Ni-Sn合金锭坯。
(2)将Cu-Ni-Sn合金锭坯先进行铣面处理,再进行均质化处理。
(3)将均质化处理后的Cu-Ni-Sn合金锭坯进行热挤压变形处理。
(4)将热挤压变形处理后的锭坯进行固溶和时效处理,得到高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金。
作为本发明的优选实施方式,所述原料金属为电解铜,电解镍,锡球,硅13502,高纯铌片和高纯钇粉;原料金属的纯度均≥99.99%。当纯度不高时,其他杂质元素的存在将会影响合金的综合性能。
作为本发明的优选实施方式,所述步骤(1)中,熔炼温度为1250~1350℃,时间为8~10min。
本发明所述熔炼温度过低将导致合金元素未充分熔化,混合时间不足,而导致组织不均匀,力学性能降低。但如果熔炼温度过高,会导致元素烧损挥发,达不到微合金化的效果,此外,也易发生Sn元素的偏析恶化力学性能。
作为本发明的优选实施方式,所述步骤(2)中,铣面处理的上下铣面厚度均为0.2~0.4mm。
作为本发明的优选实施方式,所述步骤(3)中,均质化处理的温度为850~900℃,时间为480~600min。
本发明通过将合金铸锭先进行铣面处理,去除表面缺陷。再通过均质化处理,使得合金内部组织更加均匀。
作为本发明的优选实施方式,所述步骤(3)中,热挤压变形Cu-Ni-Sn合金锭坯温度为870~900℃,挤压筒的温度为380~450℃。
作为本发明的优选实施方式,所述步骤(4)中,固溶处理温度为790~860℃,时间为60~120min。
本发明通过固溶处理使得富Sn相和富Ni相充分溶解、分解并扩散到Cu基体中,从而减少了Sn的大面积偏析。但如果固溶温度和时间低于本发明限定的范围,将导致扩散不充分,影响力学性能;如果固溶温度和时间超出本发明限定的范围,会导致脱溶现象,过饱和固溶体富集在晶界处,从而影响合金的综合性能。
作为本发明的优选实施方式,所述步骤(4)中,时效处理温度为350~450℃,时间为180~300min。
本发明通过时效处理,时效析出均匀且分散分布于基体的强化相,提升合金的抗拉强度、弹性模量和导电率。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明采用了微合金化的方式,通过对铜镍锡合金的组分进行了优化调整,各元素之间协同作用,显著提高了Cu-Ni-Sn合金的强度和弹性模量,且不会对铜镍锡合金的导电性产生影响,制备的铜镍锡合金能在空气中长期存放仍能保持光亮美观、不变暗,能够得到接插件的多元化应用。
(2)本发明所述Cu-Ni-Sn合金的制备方法实现和利用了多重复合因素强韧化Cu-Ni-Sn合金。制备方法,工艺流程较短,操作简单,工艺成本低,适于规模化应用。所得到的高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金同时具有细晶强化、形变强化、弥散强化和沉淀硬化的特征,从而获得了较高的强度、硬度、弹性模量和导电性。
附图说明
图1是对比例1所制备的Cu-Ni-Sn合金的显微图片。
图2是实施例5所制备高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的显微图片。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1-5
表1
所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)按照表1中Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比进行配样,将配好的样品采用真空电弧感应熔炼一体炉在1250℃下进行熔炼8min,得到Cu-Ni-Sn合金锭坯。
(2)将Cu-Ni-Sn合金锭坯先进行铣面处理至上下厚度为0.2mm,再在850℃下进行均质化处理480min。
(3)将均质化处理后的Cu-Ni-Sn合金锭坯进行热挤压变形处理;锭坯温度为870℃,挤压筒温度为380℃。
(4)将热挤压变形处理后的锭坯进行固溶和时效处理,得到高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金;固溶处理温度为790℃,时间为60min;时效处理温度350℃,时间为180min。
实施例6
本实施例所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)按照实施例1中的Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比进行配样,将配好的样品采用真空电弧感应熔炼一体炉在1300℃下进行熔炼9min,得到Cu-Ni-Sn合金锭坯。
(2)将Cu-Ni-Sn合金锭坯先进行铣面处理至上下厚度为0.3mm,再在870℃下进行均质化处理500min。
(3)将均质化处理后的Cu-Ni-Sn合金锭坯进行热挤压变形处理;锭坯温度为880℃,挤压筒温度为400℃。
(4)将热挤压变形处理后的锭坯进行固溶和时效处理,得到高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金;固溶处理温度为830℃,时间为100min;时效处理温度400℃,时间为280min。
实施例7
本实施例所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)按照实施例1中的Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比进行配样,将配好的样品采用真空电弧感应熔炼一体炉在1350℃下进行熔炼10min,得到Cu-Ni-Sn合金锭坯。
(2)将Cu-Ni-Sn合金锭坯先进行铣面处理至上下厚度为0.4mm,再在870℃下进行均质化处理600min。
(3)将均质化处理后的Cu-Ni-Sn合金锭坯进行热挤压变形处理;锭坯温度为900℃,挤压筒温度为450℃。
(4)将热挤压变形处理后的锭坯进行固溶和时效处理,得到高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金;固溶处理温度为850℃,时间为120min;时效处理温度450℃,时间为300min。
对比例1-7
表2
对比例1-7所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法与实施例7唯一不同的是:所述步骤(1)中,Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比按照表2配样。
对比例8
本对比例所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)按照实施例1中的Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比进行配样,将配好的样品采用真空电弧感应熔炼一体炉在1250℃下进行熔炼8min,得到Cu-Ni-Sn合金锭坯。
(2)将Cu-Ni-Sn合金锭坯先进行铣面处理至上下厚度为0.2mm,再在850℃下进行均质化处理480min。
(3)将均质化处理后的Cu-Ni-Sn合金锭坯进行固溶和时效处理,得到高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金;固溶处理温度为790℃,时间为60min;时效处理温度350℃,时间为180min。
对比例9
本对比例所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,包括如下步骤:
(1)按照实施例1中Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比进行配样,将配好的样品采用真空电弧感应熔炼一体炉在1250℃下进行熔炼8min,得到Cu-Ni-Sn合金锭坯。
(2)将Cu-Ni-Sn合金锭坯进行热挤压变形处理;锭坯温度为870℃,挤压筒温度为380℃。
(3)将热挤压变形处理后Cu-Ni-Sn合金锭坯进行铣面处理至上下厚度为0.2mm,再在850℃下进行均质化处理480min。
(4)将铣面处理后的锭坯进行固溶和时效处理,得到高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金;固溶处理温度为790℃,时间为60min;时效处理温度350℃,时间为180min。
效果例
为对比本发明所述实施例和对比例的技术效果,将实施例和对比例所制备的合金分别测试其在室温下抗拉强度、弹性模量、硬度和导电率,结果如表3。
表3
根据表3的测试结果,实施例7和对比例1-7可知,在Cu-Ni-Sn合金中添加的Si、Nb和Y元素可以改善和提高合金的抗拉强度、弹性模量、硬度和电导率,进而提高合金的综合性能。并且Si、Nb和Y元素具有明显的协同作用,共同实现合金的综合性能的提升。根据实施例1-5的数据可知,所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金包括如下质量百分比的成分:镍15.0%、锡8.0%、铌0.4%、硅0.5%、钇0.25%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素时,高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金综合性能最佳。根据实施例1和对比例8-9的数据可知,挤压处理能够强化合金的综合性能,主要是由于调幅分解型Cu-Ni-Sn合金经热挤压变形处理后,基本消除了铸态合金中的缺陷,其微观组织得到明显改善,获得了均匀细小的晶粒,保证了合金具有优异的强韧性;其次,通过热变形之后合金组织中析出了连续的第二相,沉淀强化效果显著;同时,合金内部在变形过程中晶界处产生了高密度位错和连续相,阻碍了不连续相的析出,位错强化效果显著;因此,热挤压使得合金的强度和硬度得到提高。由于合金经热挤压变形,相较于冷变形,组织中空位等缺陷较少,溶质原子减少了电子散射;另一方面,加入了微量的Si、Nb和Y元素固溶于基体中,溶质原子体积分数较大,从而提高了合金的电导率。而且Cu-Ni-Sn合金先进行铣面处理再进行挤压处理能够明显的提升合金的性能,主要由于合金在经过熔炼后的锭坯表面上有集中锁孔、缩松和凹坑等缺陷,在热挤压之前先进行铣面处理,可以去除表面的氧化层和部分缺陷,使得合金锭坯表面平整,利于挤压筒咬入,大幅增强了挤压效果;反之,若合金表面有缺陷进行热挤压,这将造成挤压效果较差,合金的综合性能降低。
根据图1和图2的合金的显微照片可知,图1中未添加合金化元素的Cu-Ni-Sn合金中缺陷面积较大,铸造过程中的不连续相较多,位错密度较大,组织不均匀,并且存在大幅Sn的偏析。而图2中,本发明通过微合金化设计及优选、变形及热处理工艺优化制备的高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金显微照片中缺陷较少,减少了Sn的偏析,且组织均匀,从而使得合金性能得到大幅提升。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金,其特征在于,包括如下质量百分比的成分:镍8~18%、锡6~10%、硅0.1~1.0%、铌0.1~1.2%、钇0.02~0.5%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金,其特征在于,包括如下质量百分比的成分:镍9~16%、锡6~8%、硅0.2~0.8%、铌0.3~0.8%、钇0.2~0.3%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金,其特征在于,包括如下质量百分比的成分:镍15.0%、锡8.0%、铌0.4%、硅0.5%、钇0.25%,余量为铜和其他不可避免的杂质元素。
4.权利要求1-3任一项所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)按照Cu-Ni-Sn合金元素组成的质量百分比进行配样,将配好的样品进行熔炼,得到Cu-Ni-Sn合金锭坯;
(2)将Cu-Ni-Sn合金锭坯先进行铣面处理,再进行均质化处理;
(3)将均质化处理后的Cu-Ni-Sn合金锭坯进行热挤压变形处理;
(4)将热挤压变形处理后的锭坯进行固溶和时效处理,得到高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金。
5.如权利要求4所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,熔炼温度为1250~1350℃,时间为8~10min。
6.如权利要求4所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,铣面处理的上下铣面厚度均为0.2~0.4mm。
7.如权利要求4所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,均质化处理的温度为850~900℃,时间为480~600min。
8.如权利要求4所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,热挤压变形Cu-Ni-Sn合金锭坯温度为870~900℃,挤压筒的温度为380~450℃。
9.如权利要求4所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中,固溶处理温度为790~860℃,时间为60~120min。
10.如权利要求4所述高弹性高强度高导电Cu-Ni-Sn合金的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中,时效处理温度为350~450℃,时间为180~300min。
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