專利名稱：CuNiSiAl系彈性銅合金的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種CuNiSiAl系彈性銅合金制備方法，特別是指一種超高強、高抗 應力松弛CuNiSiAl系彈性銅合金制備方法。主要應用于航天、航空工業大功率密封電磁繼 電器，以及電子工業中高性能導電彈性器件。
背景技術：
隨著航空、航天、艦船、兵器等工業的發展，對國防工業中的大功率密封電磁繼電 器的各項技術指標和環境適應能力提出了更高的要求。高可靠性、高使用壽命、高負載、高 環境適應能力和綠色環保已成為大功率密封電磁繼電器發展的主要方向。功率型密封電 磁繼電器的簧片和觸點極限通斷能力要求能切換28Vd. c. 80A的大電流，工作環境溫度近 200°C。因此要求繼電器的簧片材料得具有導電性能良好、彈性性能卓越、焊接性能優異等， 并能在200°C環境下工作時保持以上各項性能優異且穩定。現階段國內外功率密封型電磁繼電器接觸簧片材料有兩類。一類為貴金屬材料 (銀鎂鎳合金)，它們具有優異的導電性能、導熱性能、抗電弧能力。但銀鎂鎳合金的強度、 彈性模量低且價格昂貴，這些制約著它在功率型繼電器上的使用。另一類是以Cu-Be合金 為代表的銅合金材料。它們具有高強度、高彈性、高硬度、高耐磨性、抗疲勞和優良的導電性 能。但該合金含有Be這一劇毒元素而對人們的健康造成威脅，而且其在高于150°C環境下 使用，材料彈性、強度急劇降低，導致繼電器在工作狀態下的滅弧能力、反力特性的改變，致 使繼電器工作失效，從而不能滿足目前大功率密封繼電器的要求。開發出無鈹的彈性銅合金已成為國內外研究與攻關的重點。80年代后期，前蘇聯、 美國、日本和中國都已經開發并大量使用Cu-Ni-Al、CU-Ni-Sn、CU-Ti、“卡密隆”、“卡密林”、 MHU15-20和德銀合金等新型無鈹彈性銅合金。這些合金具有相當高的強度(》lOOOMPa), 而且在150°C下仍然保持較高的強度和穩定的彈性性能，但其電導率太低，都不超過 15%IACS，不能滿足功率型繼電器對材料電導率> 25%IACS的基本要求。近年來研制了多種CuNiSi系合金，如CN90106428. 9所述合金有高的強度和電導 率，但它未涉及材料的抗應力松弛性能，微合金化元素也與本發明不同，且該專利采用的是 真空熔煉和單級固溶處理制度，真空熔鑄難以制備大規格錠坯，且熔鑄成本高；US4594211 專利所述合金有高的強度和電導率，但它未涉及材料的彈性性能和抗應力松弛性能，且其 成分在本發明之外。公開的專利200410068497. 7和200410036828. 9提供了一種兼具有高 強度和高導電性能的電子用CuNiSi系合金，但該合金的抗拉強度在700-800MPa，且其主要 合金元素成分在本發明之外。公開的專利200810032004. 2提供了一種CuNiSiSnMg&合金 具有超高的強度、良好的導電性能和優異的抗應力松弛性能。但其制備過程中存在一些不 足之處，如因為添加了 Sn元素造成了錠坯的偏析嚴重，需要較長時間的均勻化處理；需要 控制的雙級固溶處理難以控制升溫速率，實現難度大；且其所述的非真空二次重熔工藝不 適合大規模、工業化生產。用于大功率繼電器上的簧片材料，要求材料的抗拉強度大于lOOOMPa，電導率大于25%IACS，抗應力松弛率小于10%。但在上述的專利中，除專利200810032004. 2外均未給出 同時滿足指標要求的合金的成分以及制備工藝。專利ZL98104639. 8公開了一種可以部分 代替鈹青銅的CuMSiAl系彈性銅合金材料，但其電導率明顯達不到大功率繼電器上的簧 片材料的要求。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種合金組分合理，合金化程度 高、生產工藝簡單、操作方便、生產成本低、合金強度高、電導率高、抗應力松弛性能好的環 境友好性的超高強、高抗應力松弛CuMSiAl系彈性銅合金制備方法，滿足大功率密封電磁 繼電器，以及電子工業中高性能導電彈性器件的需求。本發明CuNiSiAl系彈性銅合金的制備方法，包括以下步驟
A.熔鑄
將配定的電解銅、鎳和鉻放入加熱爐中熔化，熔體表面覆蓋保護氣氛以防止氧化，熔化 溫度1300°C -1500°C，待其完全熔化后，將爐溫降低至1150°C -1200°C后，將鋁、銅-硅中 間合金和銅-鎂中間合金分別加入，使得成分范圍為(重量)Ni 5. 3-6. 3wt% ；Si 0. 9-1. 6% ； A1 0. 2-1. 0wt% ；Mg :0. 05-0. 2wt% ；Cr :0. 05-0. 3wt% ；余量是 Cu，熔勻后形成 CuNiSiAlCrMg 合金熔體，1250°C -1280°C進行澆鑄；
B.均勻化處理
將步驟A所得鑄錠除去表面缺陷，于930°C -940°C含防氧化的保護氣氛的保護爐中均 勻化處理3-5小時；
C.熱軋
將步驟B所得板坯熱軋變形，熱軋道次軋下量35%-55%，總變形量70%-80%，開軋溫度 930°C -940°C，終軋溫度 800°C -900°C ；
D.固溶處理
將步驟C所得熱軋板坯，在通還原性氣體的保護爐中于940°C -960°C固溶處理4-6小 時，水淬；
E.冷軋
將步驟D所得的板坯經45%-80%變形量的冷軋；
F.時效處理
將步驟E所得的冷軋板于400-500°C時效處理10-180分鐘；
優選的，在上述方法中，冷軋變形量為55%-65%，時效處理時間為60-120分鐘。作為本發明的進一步改進，在時效處理后還經過再冷軋，變形量為30%_60%。本發明由于采用上述工業方法，首先對CuNiSiAlMgCr進行熔鑄，然后依次進行均 勻化處理、熱軋、固溶處理、冷軋、時效處理、再冷軋。這樣獲得的材料中含有大量彌散的納 米強化粒子并在位錯附近釘軋氣團，極大地提高了合金的彈性性能、導電性能和抗應力松 弛性能。本發明中，采用氣體保護熔鑄法制備了 CuNiSiAlMgCr合金，并對其進行一次固 溶處理，使得添加的合金元素充分固溶入銅基體中，固溶處理后的冷變形處理，使得合金 在時效過程中能在較短的時間內產生足夠高密度的納米強化粒子，達到強化合金的目的，加入的Al、Mg和Cr能夠實現納米級粒子的充分析出并在形成氣團釘軋位錯，從而使得合 金可以獲得較好的綜合性能。硬度340HV-360HV ；抗拉強度1180_1210MPa ；屈服強度 820-860Mpa 伸長率3. 0-4. 5% ；電導率26. 8-30. 8%IACS ；抗應力松弛性能7. 5-7. 8%。綜上所述，本發明合金組分合理，合金化程度高、生產工藝簡單、操作方便，生產成 本低廉、合金的強度高、導電性能好、抗應力松弛性能好、可實現大規格錠坯的制備、所制備 的目標合金體系中Ni、Si含量適中，使固溶處理工藝更簡單。本發明工藝方法適于工業化 生產，可以替代現有航空、航天用大功率密封電磁繼電器，電子工業中高性能導電彈性器件 等原材料及其生產工藝。
具體實施例方式實施例1
A.熔鑄
將配定的電解銅、鎳和鉻放入加熱爐中熔化，熔體表面覆蓋煅燒木炭以防止氧化，熔化 溫度1300°C，待其完全熔化后，將爐溫降低至1180°C，將鋁、銅-硅中間合金和銅-鎂中間 合金分別加入，使得成分范圍為(重量)Ni 5. 3wt% ；Si :1. 0wt% ；Al 0. 2% ；Mg :0. lwt% ；Cr 0. lwt% ；余量為Cu，熔勻后形成CuNiSiAlCrMg合金熔體，1250°C進行澆鑄，所用澆鑄模為鐵 模；
B.均勻化處理
將步驟A所得鑄錠除去表面缺陷，于940°C氮氣保護爐中均勻化處理3小時；
C.熱軋
將步驟B所得板坯熱軋變形，道次軋下量為40%，總變形量80%，開軋溫度930 °C，終軋溫 度 900°C ；
D.固溶處理
將步驟C所得熱軋板坯，在氫氣保護爐中于960°C固溶處理5小時，水淬，將水淬后的熱 軋板坯進行銑面處理，銑去表面的氧化層；
E.冷軋
將步驟D所得的板坯經80%變形量的冷軋；
F.時效處理
將步驟E所得的冷軋板于450°C時效處理60分鐘；
G.再冷軋
將步驟F所得的板坯經60%變形量的冷軋。測得的合金性能如表1所示 表1
實施例2 A.熔鑄將配定的電解銅、鎳和鉻放入加熱爐中熔化，熔體表面用氬氣保護，以防止氧化，熔化 溫度1400°C，待其完全熔化后，將爐溫降低至1150°C，將鋁、銅-硅中間合金和銅-鎂中間 合金分別加入，使得成分范圍為(重量)Ni 5. 6wt% ；Si 0. 9wt% ；A1 :0. 5% ；Mg :0. 05wt% ；Cr 0. 3wt% ；余量為Cu，熔勻后形成CuNiSiAlCrMg合金熔體，1280°C進行澆鑄，所用澆鑄模為鐵 模；
B.均勻化處理
將步驟A所得鑄錠除去表面缺陷，于930°C氮氣保護爐中均勻化處理4小時；
C.熱軋
將步驟B所得板坯熱軋變形，道次軋下量35%，總變形量70%，開軋溫度940 °C，終軋溫度 850 °C ；
D.固溶處理
將步驟C所得熱軋板坯，在氫氣保護爐中于940°C固溶處理6小時，水淬，將水淬后的熱 軋板坯進行銑面處理，銑去表面的氧化層；
E.冷軋
將步驟D所得的板坯經45%變形量的冷軋；
F.時效處理
將步驟E所得的冷軋板于400°C時效處理180分鐘；
G.再冷軋
將步驟F所得的板坯經30%變形量的冷軋。
測得的合金性能如表2所示
表權利要求
一種CuNiSi系彈性銅合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟A．熔鑄將配定的電解銅、鎳和鉻放入加熱爐中熔化，熔體表面覆蓋保護氣氛以防止氧化，熔化溫度1300℃ 1500℃,待其完全熔化后，將爐溫降低至1150℃ 1200℃后，將鋁、銅 硅中間合金和銅 鎂中間合金分別加入，使得成分范圍為(重量)Ni5.3 6.3wt%；Si0.9 1.6%；Al0.2 1.0wt%；Mg0.05 0.2wt%；Cr0.05 0.3wt%；余量是Cu，熔勻后形成CuNiSiAlCrMg合金熔體，1250℃ 1280℃進行澆鑄；B．均勻化處理將步驟A所得鑄錠除去表面缺陷，于930℃ 940℃含防氧化的保護氣氛的保護爐中均勻化處理3 5小時；C.熱軋將步驟B所得板坯熱軋變形，熱軋道次軋下量35% 55%，總變形量70% 80%，開軋溫度930℃ 940℃，終軋溫度800℃ 900℃；D.固溶處理將步驟C所得熱軋板坯，在通還原性氣體的保護爐中于940℃ 960℃固溶處理4 6小時，水淬；E.冷軋將步驟D所得的板坯經45% 80%變形量的冷軋；F.時效處理將步驟E所得的冷軋板于400 500℃時效處理10 180分鐘。
2.根據權利要求1的CuNiSi系彈性銅合金的制備方法，其特征在于，冷軋變形量為 55%-65%，時效處理時間為60-120分鐘。
3.根據權利要求1或者2的CuMSi系彈性銅合金的制備方法，其特征在于，在時效處 理后還經過再冷軋，變形量為30%-60%。
全文摘要
本發明涉及一種CuNiSiAl系彈性銅合金的制備方法，包括熔鑄、均勻化處理、熱軋、固溶處理、冷軋、時效處理、再冷軋等步驟。本發明合金組分合理，合金化程度高，生產工藝簡單，操作方便，生產成本低。本發明生產的合金與鈹青銅相比，具有高強度、良好的導電性能、高抗應力松弛性能和不含有毒元素鈹等優勢。本發明所制備的CuNiSiAl系彈性銅合金具有超高強度、高抗應力松弛等特性，可適用于航天、航空以及微電子工業高性能導電彈性器件，如大功率密封電磁繼電器等。
文檔編號C22C9/06GK101984107SQ201010571290
公開日2011年3月9日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者張良, 李周, 汪明樸, 潘志勇, 賈延琳, 雷前 申請人:中南大學;湖南有色金屬控股集團有限公司