CN104342579B - 一种高强度高弹性Cu‑Ni‑Mn合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度高弹性Cu‑Ni‑Mn合金及其制备方法，该合金的主要成分为Cu46‑73wt%，Ni13‑26wt%，Mn13‑26wt%，Zr0.5‑1.0wt%，Co0.5‑1.0wt%，其中Ni/Mn为0.8‑1.2。本发明通过添加Zr、Co等微合金元素，控制Ni/Mn比为0.8‑1.2，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，获得高强度高弹性的Cu‑Ni‑Mn合金。该合金的屈服强度可达1000‑1200MPa，拉伸强度可达1100‑1500MPa，弹性模量可达132‑140GPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金及其制备方法，属于铜合金材料技术领域。
背景技术
Cu-Ni-Mn合金是一种重要的弹性铜合金材料，具有高强度、高弹性、高工作温度、抗应力腐蚀性能好、导电导热性好、无磁性、无毒性、成本低等性能特点。Cu-Ni-Mn合金是析出强化型合金，其热处理敏感性较低，固溶加热后在空气中冷却即可。在时效处里过程中，该合金通过溶质原子的周期性偏聚首先形成调幅结构。随着时效时间的延长，调幅结构逐渐演变成主要由Ni、Mn原子组成的面心四方结构的析出相。这些难变形析出相的存在，使该合金在时效初期合金的强度和硬度迅速增加。随着时效时间的延长，强度和硬度的增加速度变慢并且最终到达峰值。有研究表明，Cu-Ni-Mn合金的时效过程存在一个临界温度，低于这一温度时，更容易在晶界上优先形成析出相，高于这一温度时则更易获得均匀分布的析出相。对于这种合金的时效强化效应和工艺，已有很多研究见诸报道。但是，对于析出相的组成、形成过程、强化机理等方面，仍然没有明确和统一的认识。
发明内容
本发明基于Cu-Ni-Mn合金的成分特点，在大量基础研究的指导下，通过采用微合金化并控制Ni/Mn比的方法，改善Cu-Ni-Mn合金的时效析出相的析出形式、分布规律，并且细化析出相，从而获得更高强度的合金。同时，本发明中还描述了基于冷轧+时效的进一步提高合金强度的工艺方法。
本发明提供了一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金及其制备方法，具体涉及通过添加Zr、Co等微合金元素，控制Ni/Mn比为0.8-1.2，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，并且结合冷变形+时效工艺，获得一种高强度高弹性的Cu-Ni-Mn合金。
一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金，该合金的主要成分为：Cu元素为46-73wt%，Ni元素为13-26wt%，Mn元素为13-26wt%，Zr元素为0.5-1.0wt%，Co元素为0.5-1.0wt%，其中Ni/Mn（重量比）为0.8-1.2。
经过冷变形及时效处理后，该合金的屈服强度可达1000-1200MPa，拉伸强度可达1100-1500MPa，弹性模量可达132-140GPa。
本发明还提供了上述高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，通过添加Zr、Co微合金元素，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，获得高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金。
一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，其具体工艺步骤包括：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为46-73wt%，Ni元素为13-26wt%，Mn元素为13-26wt%，Zr元素为0.5-1.0wt%，Co元素为0.5-1.0wt%，Ni/Mn为0.8-1.2，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，在金属模中浇铸成合金坯料；
（2）变形工艺：将合金坯料进行总变形量为80-90%的热轧变形；热轧后的合金再进行固溶处理；
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行冷轧变形，总变形量为70-80%，获得厚度为1-3mm的冷轧合金板；
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400-450℃，保温5-10h，空冷至室温。
步骤（1）中，进行熔炼时，需要在1250-1300℃下保温15-20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀；合金坯料的厚度为50mm，宽为80-100mm。
步骤（2）中，首先将合金坯料加热到650-700℃下保温2-4h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为80-90%的热轧变形；固溶处理为将热轧后的合金再加热到600-650℃，保温2h，空冷至室温。
步骤（3）中，固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行8-10道次的冷轧变形。
本发明的优点：
1）采用控制Ni/Mn比例以及添加Zr、Co微量元素，控制Ni/Mn比为0.8-1.2，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，从而提高合金的强度；
2）由于本发明中所涉及的Cu-Ni-Mn合金溶质元素含量较高，本发明还提供了冷变形+时效的制备方法，以进一步改善析出相的分布，缩短时效处理的时间；
3）本发明所涉及的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金屈服强度可达1000-1200MPa，拉伸强度可达1100-1500MPa，弹性模量可达132-140GPa。
本发明在Cu-Ni-Mn本身具有较高的强度、弹性模量、较低的成本的基础上，进一步提高了其力学性能，并且大大缩短其时效时间，降低其热处理工艺的难度，具有明显的技术优势。
具体实施方式
实施例1：Cu-13Ni-13Mn-0.5Zr-0.5Co合金
制备Cu-13Ni-13Mn-0.5Zr-0.5Co合金，包括如下步骤：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为73wt%，Ni元素为13wt%，Mn元素为13wt%，Zr元素为0.5wt%，Co元素为0.5wt%，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，并且在1250℃下保温15min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀，最后在金属模中浇铸成厚度为50mm，宽100mm的合金坯料。
（2）变形工艺：将合金坯料首先加热到650℃下保温3h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到600℃，保温2h，空冷至室温，完成固溶处理。
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行8道次的冷轧变形，总变形量为70%，最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温5h、7.5h、10h，空冷至室温。合金的性能见下表1。
表1 Cu-13Ni-13Mn-0.5Zr-0.5Co合金的力学性能
实施例2：Cu-13Ni-13Mn-1Zr-0.8Co合金
制备Cu-13Ni-13Mn-1Zr-0.8Co合金，包括如下步骤：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为72.2wt%，Ni元素为13wt%，Mn元素为13wt%，Zr元素为1wt%，Co元素为0.8wt%，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，并且在1300℃下保温20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀，最后在金属模中浇铸成厚度为50mm，宽100mm的合金坯料。
（2）变形工艺：将合金坯料首先加热到700℃下保温3h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为90%的热轧变形。热轧后的合金再加热到630℃，保温2h，空冷至室温，完成固溶处理。
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行8道次的冷轧变形，总变形量为80%，最终获得厚度为1mm的冷轧合金板。
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃，保温5h、7.5h、10h，空冷至室温。合金的性能见下表2。
表2 Cu-13Ni-13Mn-1Zr-0.8Co合金的力学性能
实施例3：Cu-20Ni-16.5Mn-0.6Zr-0.6Co合金
制备Cu-20Ni-16.5Mn-0.6Zr-0.6Co合金，包括如下步骤：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为62.3wt%，Ni元素为20wt%，Mn元素为16.5wt%，Zr元素为0.6wt%，Co元素为0.6wt%，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，并且在1300℃下保温20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀，最后在金属模中浇铸成厚度为50mm，宽100mm的合金坯料。
（2）变形工艺：将合金坯料首先加热到700℃下保温3h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃，保温2h，空冷至室温，完成固溶处理。
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行8道次的冷轧变形，总变形量为70%，最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃，保温6h、8h、10h，空冷至室温。合金的性能见下表3。
表3 Cu-20Ni-16.5Mn-0.6Zr-0.6Co合金的力学性能
实施例4：Cu-20Ni-20Mn-0.6Zr-0.6Co合金
制备Cu-20Ni-20Mn-0.6Zr-0.6Co合金，包括如下步骤：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为58.8wt%，Ni元素为20wt%，Mn元素为20wt%，Zr元素为0.6wt%，Co元素为0.6wt%，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，并且在1300℃下保温20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀，最后在金属模中浇铸成厚度为50mm，宽80mm的合金坯料。
（2）变形工艺：将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃，保温2h，空冷至室温，完成固溶处理。
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行10道次的冷轧变形，总变形量为80%，最终获得厚度为2mm的冷轧合金板。
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃，分别保温6h、8h、10h，空冷至室温。合金的性能见下表4。
表4 Cu-20Ni-20Mn-0.6Zr-0.6Co合金的力学性能
实施例5：Cu-26Ni-26Mn-0.5Zr-0.5Co合金
制备Cu-26Ni-26Mn-0.5Zr-0.5Co合金，包括如下步骤：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为47wt%，Ni元素为26wt%，Mn元素为26wt%，Zr元素为0.5wt%，Co元素为0.5wt%，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，并且在1300℃下保温20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀，最后在金属模中浇铸成厚度为50mm，宽80mm的合金坯料。
（2）变形工艺：将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为90%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃，保温2h，空冷至室温，完成固溶处理。
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行8道次的冷轧变形，总变形量为80%，最终获得厚度为1mm的冷轧合金板。
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃，分别保温5h、7.5h、10h，空冷至室温。合金的性能见下表5。
表5 Cu-26Ni-26Mn-0.5Zr-0.5Co合金的力学性能
实施例6：Cu-26Ni-26Mn-1Zr-1Co合金
制备Cu-26Ni-26Mn-1Zr-1Co合金，包括如下步骤：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为46wt%，Ni元素为26wt%，Mn元素为26wt%，Zr元素为1wt%，Co元素为1wt%，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，并且在1300℃下保温20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀，最后在金属模中浇铸成厚度为50mm，宽100mm的合金坯料。
（2）变形工艺：将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃，保温2h，空冷至室温，完成固溶处理。
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行10道次的冷轧变形，总变形量为70%，最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃，保温5h、7.5h、10h，空冷至室温。合金的性能见下表6。
表6 Cu-26Ni-26Mn-1Zr-1Co合金的力学性能
实施例7：Cu-20Ni-25Mn-1Zr-1Co合金
制备Cu-20Ni-25Mn-1Zr-1Co合金，包括如下步骤：
（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为53wt%，Ni元素为20wt%，Mn元素为25wt%，Zr元素为1wt%，Co元素为1wt%，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，并且在1300℃下保温20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀，最后在金属模中浇铸成厚度为50mm，宽100mm的合金坯料。
（2）变形工艺：将合金坯料首先加热到700℃下保温2.5h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为80%的热轧变形。热轧后的合金再加热到650℃，保温2h，空冷至室温，完成固溶处理。
（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行10道次的冷轧变形，总变形量为70%，最终获得厚度为3mm的冷轧合金板。
（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到450℃，保温5h、7.5h、10h，空冷至室温。合金的性能见下表7。
表7 Cu-20Ni-25Mn-1Zr-1Co合金的力学性能
本发明通过添加Zr、Co等微合金元素，控制Ni/Mn比为0.8-1.2，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，获得一种高强度高弹性的Cu-Ni-Mn合金。制备时，首先以纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料在真空感应熔炼炉中进行熔炼，在金属模中浇铸成合金坯料。然后，将合金坯料进行热轧、固溶处理，并通过冷轧变形获得厚度为1-3mm的冷轧合金板。将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400-450℃，保温5-10h，空冷至室温。该合金的屈服强度可达1000-1200MPa，拉伸强度可达1100-1500MPa，弹性模量可达132-140GPa。
Claims (8)
1.一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)坯料熔铸：以纯度大于99.9％的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照成分：Cu46-73wt％，Ni 13-26wt％，Mn 13-26wt％，Zr 0.5-1.0wt％，Co 0.5-1.0wt％，Ni/Mn为0.8-1.2，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，在金属模中浇铸成合金坯料；
(2)变形工艺：将合金坯料进行总变形量为80-90％的热轧变形；热轧后的合金再进行固溶处理；
(3)固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行冷轧变形，总变形量为70-80％，获得厚度为1-3mm的冷轧合金板；
(4)时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400-450℃，保温5-10h，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，其特征在于：进行熔炼时，在1250-1300℃下保温15-20min。
3.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，其特征在于：所述的合金坯料的厚度为50mm，宽为80-100mm。
4.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，其特征在于：所述的合金坯料加热到650-700℃下保温2-4h，然后在该温度下进行热轧变形。
5.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，其特征在于：所述的固溶处理为将热轧后的合金加热到600-650℃，保温2h，空冷至室温。
6.根据权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，其特征在于：所述的冷轧变形的道次为8-10。
7.采用权利要求1所述的高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法制备得到的Cu-Ni-Mn合金。
8.根据权利要求7所述的Cu-Ni-Mn合金，其特征在于：所述合金的屈服强度为1000-1200MPa，拉伸强度为1100-1500MPa，弹性模量为132-140GPa。
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