一种调幅分解型高强铜镍锡合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及金属新材料技术领域，特别设及一种调幅分解型高强铜儀锡合金及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 化-Ni-Sn合金因具有很好的强初性、优异的耐蚀性、良好的耐磨性、优良的弹性导 电稳定性及热应力松弛性能等，被认为是具有广阔发展前景的新一代高性能铜合金。
[0003] 作为一种调幅分解(Spinodal分解)强化型合金，化-Ni-Sn合金的强初性主要由合 金成分、制备工艺和热处理工艺决定。其中，进行成分优化设计是改善运类合金性能的一个 重要途径。已有研究表明，化-Ni-Sn合金的强度随着Ni和Sn元素含量的增加而提高，且在Ni 含量为15wt%和Sn含量8wt%时达到峰值。因此，在主成分Cu-15Ni-8Sn的基础上添加微量 合金兀素来提升合金性能是该类合金研究的重要方向。例如,U. S. Patent No. 426043 和U.S.化tent齡.405220在〇1-化-511合金中加入第四组元，如加入15%尸6、10%化或15% Mn，替换部Cu而降低成本;加入0.05-0.2 %化防止铸锭热加工中表面开裂;0.1-0.3 %师或 0.5-1.0%化能够提高合金变形后的塑性;添加0.195%抓，经过适当热处理工艺后，合金抗 拉强度及延伸率均有效提高;添加 Mo、Ta、V等元素后，合金不需要预冷变形就能达到高强度 和高延性W及各向同性的成形性;0.5-1.0%Mg或0.5-1.5%A1可替代部分Sn,节省成本。 U. S. Patent No. 4130421中提到，在Cu-Ni-Sn合金中加入少量Se、Te、Pb或MnS可提高合金切 削性能。WO 2014/176357A1专利中公开了在Cu-15Ni-8Sn合金中加入8、2'、尸6、师可促进等 轴晶形成，减小Sn的偏析，从而提升材料性能。中国专利CN03151047认为，在Cu-15Ni-8Sn合 金中加入少量Ti,获得均匀细小等轴晶，使合金强度提高，并保持良好的延性。 CN200410053071在化-15Ni-8ai合金加入少量Y，减小Sn的偏析，提高合金导电性及强度。
[0004] 目前，关于Cu-15Ni-8Sn合金的先进制备技术W及微量元素对其性能影响的研究 还未完全成熟，通过微合金化提升运种材料性能还有很大的空间，例如作为在铜合金中常 用的合金元素 Si和Ti,对改善铜合金性能有重要作用。因此，同时添加 Si和Ti的Cu-ISNi-8Sn合金值得深入研究。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种调幅分解型高强铜儀锡合金， 该合金材料具有更优异的强初性，可应用于制造在苛刻工况下（如易腐蚀、高速或重载)工 作的零件。
[0006] 本发明的另一目的在于提供一种上述调幅分解型高强铜儀锡合金的制备方法。
[0007] 本发明的技术方案为:一种调幅分解型高强铜儀锡合金，其特征在于，合金材料中 含有化和W下添加元素，各添加元素及其质量百分比具体如下：
[0008] 化：14.0 ~16.0%，
[0009] Sn:7.0 ~9.0%，
[0010] Si:0.1 ~0.3%，
[0011] Ti:0.02 ~0.1%。
[0012] 上述合金材料中，除了各添加元素外，其余量为Cu和不可避免的微量杂质元素。加 入Si和Ti的目的是为了在合金中形成弥散分布的难溶第二相颗粒，阻碍晶粒的长大，抑制 时效过程中不连续沉淀相的产生；同时晶内析出的细小颗粒能够阻碍位错运动，起到弥散 强化作用，提高合金的强度。但Si和Ti的含量需严格控制。当Si、Ti含量过低时，合金强度提 高不明显，当Si、Ti含量过高时，第二相易发生聚集、粗化，使合金塑性急剧降低。
[0013] 作为一种优选方案，所述合金材料中所用各原料的质量百分比如下：Ni为 15.00% ,Sn为8.0% ,Si为0.10% ,Ti为0.02%，余量为Cu。
[0014] 作为一种优选方案，所述合金材料中所用各原料的质量百分比如下：Ni为 15.00%，&1 为8.0% ,Si为0.20% ,Ti为0.10%，余量为Cu。
[0015] 作为一种优选方案，所述合金材料中所用各原料的质量百分比如下：Ni为 15.00%，&1 为8.0% ,Si为0.30% ,Ti为0.10%，余量为Cu。
[0016] 要使上述调幅分解型高强铜儀锡合金具备优异的力学性能，其材料制备方法也非 常关键。上述调幅分解型高强铜儀锡合金的制备方法具体包括W下步骤：
[0017] (1)配料:按各原料的质量百分比称取相应的原料；
[0018] (2)烙炼:采用非真空电炉进行烙炼，先加入Cu和Ni ;待Cu烙化后，加入覆盖剂;待 Cu和Ni全部烙化后，加入Sn和Si,并通入氣气精炼除气;化渣后加入Ti并揽拌均匀，在1250 ~1265 °C出炉诱铸；
[0019] (3)热挤压:在820~840°C均匀退火后进行热挤压成型，此时挤压锭溫度为870~ 920°C，挤压筒的溫度为400~450°C ;
[0020] (4)热处理:挤压材经800~820°C固溶处理1小时后，进行水泽，然后在380~420°C 时效4小时。
[0021 ]其中，所述步骤(2)中，覆盖剂中的各成分及其质量百分比为:50 %的玻璃、25 %的 Na2C〇3 和 25% 的 CaF2。
[0022] 所述步骤(3)中，热挤压时的挤压比为17。
[0023 ]本发明相对于现有技术，具有W下有益效果：
[0024] 本调幅分解型高强铜儀锡合金具有优异的力学性能，且其制备方法简单易行，与 S元Cu-15Ni-8Sn合金相比，本发明的合金材料具有更优异的强初性，可应用于制造在苛刻 工况下工作的零件，如在易腐蚀环境下承受高速和重载的轴承等。
[0025] 本调幅分解型高强铜儀锡合金经热挤压后，其微观组织得到明显改善，获得均匀 细小的晶粒，保证合金具有优异的塑性;加入适量的Si及Ti,形成难溶第二相颗粒，阻碍再 结晶过程晶粒的长大，抑制时效过程中不连续沉淀相的产生，起到弥散强化作用，进一步提 高合金的强度。
[0026] 与现有的S元合金Cu-15Ni-8Sn合金比较，本发明的合金材料时效态抗拉强度和 延伸率比现有合金分别提高了 12%和139% W上，硬度提高了 18% W上。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0028] 实施例1
[0029] 本实施例一种调幅分解型高强铜儀锡合金，通过W下方法制得：
[0030] 第一步、配料:所采用的原料及其配比如表1所示，
[0031] 表1 「00371
[0033] 第二步、烙炼:将电解铜、电解儀作为原料加入感应炉中，升溫至原料烙化，加入覆 盖剂，并加入锡锭及工业娃，揽拌均匀后。充分除气后化渣，再加入海绵铁，待溫度降至1250 ~1265°C，诱入铁模中，得到合金铸锭。
[0034] 第S步、热挤压：在840°C的条件下进行8小时的均匀化退火后，将合金加工成? 50mmX 50mm的挤压锭，进行热挤压成型;挤压锭在900°C的溫度下保溫1小时，挤压筒在450 °C的溫度下保溫2小时，挤压嘴在350°C的溫度下保溫1小时，设定挤压比为17。
[0035] 第四步、热处理:挤压材经820°C固溶处理1小时后水泽，然后400°C时效4小时，将 得到的棒材加工成测试试样，进行合金时效态力学性能测试，结果如表4所示。
[0036] 实施例2
[0037] 本实施例一种调幅分解型高强铜儀锡合金，通过W下方法制得：
[0038] 第一步、配料:所采用的原料及其配比如表2所示，
[0039] 表 2 r00401
LUU、I」 采^巧、將'妳：构?巧巧牛节BJ、巧巧牛株：TP入;妨、不斗ZIM/V;!阻雌>厂T ,几湿?王妨、不斗將'忙，/UMZV復 盖剂，并加入锡锭及工业娃，揽拌均匀后。充分除气后化渣，再加入海绵铁，待溫度降至1250 ~1265°C，诱入铁模中，得到合金铸锭。
[0042] 第S步、热挤压：在840°C的条件下进行8小时的均匀化退火后，将合金加工成O 50mmX 50mm的挤压锭，进行热挤压成型;挤压锭在900°C的溫度下保溫1小时，挤压筒在450 °C的溫度下保溫2小时，挤压嘴在350°C的溫度下保溫1小时，设定挤压比为17。
[0043] 第四步、热处理:挤压材经820°C固溶处理1小时后水泽，然后400°C时效4小时，将 得到的棒材加工成测试试样，进行合金时效态力学性能测试，结果如表4所示。
[0044] 实施例3
[0045] 本实施例一种调幅分解型高强铜儀锡合金，通过W下方法制得：
[0046] 第一步、配料:所采用的原料及其配比如表3所示，
[0047] 表 3 [004引
[(
[0050] 第二步、烙炼:将电解铜、电解儀作为原料加入中频感应炉中，升溫至原料烙化，加 入覆盖剂，并加入锡锭及工业娃，揽拌均匀后；充分除气后化渣，加入海绵铁，待溫度降至 1250~1265°C，诱入铁模中，得到合金铸锭。
[0051] 第S步、热挤压：在840°C的条件下进行8小时的均匀化退火后，将合金加工成O 50mmX 50mm的挤压锭，进行热挤压成型。挤压锭在900°C的溫度下保溫1小时，挤压筒在450 °C的溫度下保溫2小时，挤压嘴在350°C的溫度下保溫1小时，设定挤压比为17。
[0052] 第四步、热处理:挤压材经820°C固溶处理1小时后水泽，然后400°C时效4小时，将 得到的棒材加工成测试试样，进行合金时效态力学性能测试，结果如表4所示。
[0化3] 对比例
[0054]对比例采用的合金材料为原S元合金化-15Ni-8Sn合金，其制备方法与实施例1相 同，制成测试试样后，对该试样的时效态进行力学性能测试，其测试结果分别如表4所示。
[00巧]表4 [0化6]
[0化7]由表4可见，与现有的S元合金化-15Ni-8ai合金（即对比例1)比较，本调幅分解型 高强铜儀锡合金材料的时效态抗拉强度和延伸率比现有合金分别提高了 12% W上和139% W上，硬度提高了 18%W上。
[0058]如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用 来限定本发明的实施范围；即凡依本
【发明内容】
所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要 求所要求保护的范围所涵盖。
【主权项】
1. 一种调幅分解型高强铜镍锡合金，其特征在于，合金材料中含有Cu和以下添加元素， 各添加元素及其质量百分比具体如下： Ni:14.0 ~16.0%， Sn:7.0 ~9.0%， Si:0.1 ~0.3%， Ti:0.02 ~0.10%〇2. 根据权利要求1所述一种调幅分解型高强铜镍锡合金，其特征在于，所述合金材料中 所用各原料的质量百分比如下:Ni为15.00%，Sn为8.0%，Si为0.10%，Ti为0.02%，余量为 Cu〇3. 根据权利要求1所述一种调幅分解型高强铜镍锡合金，其特征在于，所述合金材料中 所用各原料的质量百分比如下:Ni为15.00%，Sn为8.0%，Si为0.20%，Ti为0.10%，余量为 Cu〇4. 根据权利要求1所述一种调幅分解型高强铜镍锡合金，其特征在于，所述合金材料中 所用各原料的质量百分比如下:Ni为15.00%，Sn为8.0%，Si为0.30%，Ti为0.10%，余量为 Cu〇5. 权利要求1~4任一项所述一种调幅分解型高强铜镍锡合金的制备方法，其特征在 于，包括以下步骤： (1) 配料:按各原料的质量百分比称取相应的原料； (2) 熔炼:采用非真空电炉进行熔炼，先加入Cu和Ni ;待Cu熔化后，加入覆盖剂;待Cu和 Ni全部熔化后，加入Sn和Si，并通入氩气精炼除气；扒渣后加入Ti并搅拌均匀，在1250~ 1265°C出炉浇铸； (3) 热挤压：在820~840°C均匀退火后进行热挤压成型，此时挤压锭温度为870~920 °C，挤压筒的温度为400~450°C ; (4) 热处理:挤压材经800~820 °C固溶处理1小时后，进行水淬，然后在380~420 °C时效 4小时。6. 根据权利要求5所述一种调幅分解型高强铜镍锡合金的制备方法，其特征在于，所述 步骤（2)中，覆盖剂中的各成分及其质量百分比为：50%的玻璃、25 %的Na2C03和25 %的 CaF2〇7. 根据权利要求5所述一种调幅分解型高强铜镍锡合金的制备方法，其特征在于，所述 步骤(3)中，热挤压时的挤压比为17。
【专利摘要】本发明公开一种调幅分解型高强铜镍锡合金及其制备方法，合金中含有Cu和以下添加元素，各添加元素及其质量百分比具体如下：14.0～16.0％Ni，7.0～9.0％Sn，0.1～0.3％Si，0.02～0.10％Ti。其制备方法是：先配料，然后采用非真空电炉进行熔炼，再进行热挤压，最后进行热处理成型。本调幅分解型高强铜镍锡合金具有优异的力学性能，且其制备方法简单易行，与三元Cu?15Ni?8Sn合金相比，本发明的合金材料具有更优异的强韧性，可应用于制造在苛刻工况下工作的零件，如在易腐蚀环境下承受高速和重载的轴承等。
【IPC分类】C22F1/08, C22C1/02, C22C9/06
【公开号】CN105714148
【申请号】CN201610280996
【发明人】张卫文, 赵超, 罗宗强, 张大童, 杨超
【申请人】华南理工大学