本發(fā)明屬于有色金屬加工領域，具體涉及銅基彈性合金，尤其涉及一種高強高彈性銅合金及其制備方法。

背景技術：

高強高彈銅合金是彈性元件和電子元器件的關鍵材料之一，廣泛應用在電子、通信汽車等領域。

目前國內市場上銅基彈性合金以鈹青銅和錫磷青銅等材料為主，鈹青銅是一種優(yōu)質彈性材料，但是也有其固有缺點，鈹?shù)难趸锘蚍蹓m有毒，合金性能對熱處理敏感，高溫抗應力松弛能力差，不宜長時間在較高溫度下工作。錫磷青銅屬于應用最廣泛的銅基彈性合金，但其彈性性能較低，耐疲勞性能差，僅應用于中低端彈性元件。普通家用墻壁插座或插排，要求插拔次數(shù)≥5000次，插拔力：1.5n(min)，一般錫磷青銅即可滿足要求。對于人流量較大的戶外或者公共場合，對插座使用頻率極高，要求插拔次數(shù)≥40000次，插拔力：1.5n(min)，錫磷青銅在插拔30000次時會出現(xiàn)裂紋，因此不能滿足戶外或公共場合需求。

專利201611036913.4《一種高強高彈cunisn合金材料及其制備方法》，該合金含有ni8.5～10.5wt％、sn1.8～2.8wt％、co0.5～1.0wt％、b0.005～0.01wt％、v0.01～0.05wt％、p0.1～0.5wt％、余量為cu，得到的銅合金不能兼顧強度和韌性，當強度變高時，材料的韌性則明顯下降，不能兼顧強度和韌性。

專利201611046219.0《一種高強、中導新型銅合金cu-zn-cr-re導條及制備方法》公開了銅合金中化學組成及其重量百分比為：cr0.25～0.35wt％、zn6～10wt％、re0.05～0.15wt％、fe0～0.05wt％、pb0～0.03wt％、其余為銅，但是該合金應用于異步牽引電機轉子，因此是以電學性能為最主要指標，得到的材料電學性能優(yōu)異，并且常溫下斷后伸長率高達20％左右，但是室溫屈服強度卻不超過500mpa。

專利201611116079.x《一種多元微合金化高強高導銅合金及其制備工藝》公開了含有鉻0.2～0.3wt％，鋯0.08～0.1wt％，鎂0.02～0.03wt％，鑭0.04～0.08wt％，余量為銅的銅合金，合金的導電率良好，但是整體力學性能提升并不突出，抗拉強度最高僅超過700，在低抗拉強度450mpa以上，延伸率≥6％，高抗拉強度下即≥650mpa，材料延伸率極低。

專利201580025319.2《高強度黃銅合金及合金產品》，該黃銅合金涉及包括58～66重量％cu；1.6～7重量％mn；0.2～6重量％ni；0.2～5.1重量％al；0.1～3重量％si；≤1.5重量fe；≤0.5重量％sn；≤0.5重量％pb；以及剩余的zn連同無法避免的雜質的高強度黃銅合金，但是其力學性能范圍過大，合金拉伸強度為400～920mpa，斷裂伸長率為3～19％，且當拉伸強度在780～920mpa時，斷裂伸長率僅為1.5～3％。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有銅合金強度與韌性不能兼顧的缺陷，提供一種強度與韌性優(yōu)良，且電性能良好，耐疲勞的高強高彈性銅合金。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，發(fā)明人通過大量試驗研究并不懈努力，最終獲得了如下技術方案：一種高強高彈性銅合金，該合金由以下成分及含量熔煉而成：ni4.8～7.6wt％，co0.05～0.10wt％，v2..3～5.7wt％，cr1.7～2.2wt％，mo3.5～5.7wt％，zn1.5～2.3wt％，mn1.2～2.3wt％，ti0.7～2.5wt％，余量為cu。

優(yōu)選地，如上所述的高強高彈性銅合金，其由以下成分及含量熔煉而成：ni5.0～6.2wt％，co0.07～0.09wt％，v3.2～5.4wt％，cr1.8～2.0wt％，mo4.0～5.1wt％，zn1.7～2.0wt％，mn1.6～2.0wt％，ti1.2～1.9wt％，余量為cu。

另外，本發(fā)明還提供了上述高強高彈性銅合金的制備方法，該方法包括如下步驟：(1)準備配料，(2)真空感應熔煉，(3)均勻化熱處理，(4)銑面、粗軋，(5)熱軋，(6)固溶退火處理，(7)合金冷變形，(8)時效熱處理，其中步驟(2)真空感應熔煉具體為：將原料加熔煉爐內，進行抽真空，至真空度≤10^-2pa，充入氬氣進行保護，熔煉溫度1550～1800℃，所有物料完全熔化后，磁攪拌均勻并保溫3～5分鐘，導入澆注模具進行澆鑄，得到合金鑄錠。

進一步優(yōu)選地，如上所述高強高彈性銅合金的制備方法，其中步驟(3)均勻化熱處理具體為：將合金鑄錠放入熱處理爐中，在900～950℃下保溫時間3～4h。

進一步優(yōu)選地，如上所述高強高彈性銅合金的制備方法，其中所述步驟(4)銑面為將合金上下表面各銑1mm，主要除去表面氧化皮等不良缺陷，粗軋為對合金進行冷軋開坯，粗軋總變形量為60～70％。

進一步優(yōu)選地，如上所述高強高彈性銅合金的制備方法，其中步驟(5)熱軋的溫度為650～700℃，熱軋總變形量為65～80％。

進一步優(yōu)選地，如上所述高強高彈性銅合金的制備方法，其中步驟(6)固溶退火處理的溫度為900～930℃，退火速度50～80m/min，冷卻速度60～65℃/s。

進一步優(yōu)選地，如上所述高強高彈性銅合金的制備方法，其中步驟(7)合金冷變形的總變形量為10～20％。

進一步優(yōu)選地，如上所述高強高彈性銅合金的制備方法，其中步驟(8)時效處理的溫度為550～600℃，保溫時間為4～5h。

在時效處理后對材料進行酸洗，拉彎矯直，分剪，得到的銅合金可以應用于彈性電子元器件。本發(fā)明中涉及到酸洗等過程都為現(xiàn)有公開技術，其的目的是去除之前熱處理等造成合金表面出現(xiàn)的氧化皮缺陷。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有如下有益的技術效果和進步性：

本發(fā)明制備得到的銅合金具有很高的抗拉強度，達到1300mpa～1600mpa，良好的塑性，斷后延伸率在11.5％～16.0％，同時具有很高的疲勞強度，疲勞強度不低于460mpa；而且本申請得到的銅合金抗拉強度、斷后延伸率波動范圍都小，可滿足插拔力1.5n時，插拔次數(shù)≥40000次的要求，可以用作電子彈性元器件。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。

實施例1

按照表1所示合金成分進行選料

表1銅合金試驗合金設計成分表(wt％)

銅合金制備過程如下：

熔煉:將上述原料加熔煉爐內，進行抽真空，至真空度10^-2pa，充入氬氣進行保護，熔煉溫度1550℃，所有物料完全熔化后，磁攪拌均勻并保溫3分鐘，導入澆注模具進行澆鑄，得到合金鑄錠。

固溶退火：將鑄坯放置在退火爐中進行退火，退火溫度為900℃，保溫時間3h然后快速冷卻。

銑面、粗軋：對合金鑄錠進行銑面(上下表面各銑0.8mm)，然后冷軋開坯，軋制道次8次，總變形量為60％。

熱軋：將粗軋后的帶材進行熱軋?zhí)幚恚瑹彳垳囟葹?50℃下，熱軋道次6次，熱軋總變形量為65％。

固溶退火處理：固溶退火處理溫度為900℃，退火速度50m/min，冷卻速度60℃/s。

冷變形：對合金帶材進行冷軋，軋制道次2次，使得總變形量為10％。

時效處理：冷軋后的帶材放入罩式熱處理爐中進行時效處理，溫度為550℃，保溫時間為4h。

在時效處理后對材料進行酸洗，拉彎矯直，分剪，得到的銅合金。

對上述不同組別得到的銅合金進行力學及電學性能檢測，結果如表2所示：

電導率測量：將合金板材樣品稍微打磨，去除氧化膜后進行電導率測量，測量儀器為smp10型渦流導電儀。

室溫力學性能測試：采用日本島津ag-50kne萬能材料試驗機測試樣品相關力學性能，根據(jù)gb/t228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，材料經機械加工成圓形試樣，在日本島津ag-50kne萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗；疲勞強度按照gb/t4337-2008《金屬材料疲勞試驗旋轉彎曲方法》進行測試，在疲勞強度試驗機上進行，為了準確測得上述數(shù)據(jù)，上述實驗均是選擇三個樣品測得各數(shù)據(jù)后取其平均值。

從該實施例可以看出，所有組別的導電率基本相當，而組3、4、5、6的抗拉強度、斷后伸長率、疲勞強度和插拔次數(shù)均顯著高于其它組，抗拉強度可以達到1320mpa～1610mpa，斷后伸長率達到12.3％～15.8％，疲勞強度≥460mpa，且插拔次數(shù)達到46100次以上。

實施例2

合金成分見表3

熔煉:將原料加熔煉爐內，進行抽真空，至真空度10^-2pa，充入氬氣進行保護，熔煉溫度1550℃，所有物料完全熔化后，磁攪拌均勻并保溫3分鐘，導入澆注模具進行澆鑄，得到合金鑄錠。

固溶退火：將鑄坯放置在退火爐中進行退火，退火溫度為900℃，保溫時間3h然后快速冷卻。

銑面、粗軋：對合金鑄錠進行銑面(上下表面各銑0.8mm)，然后冷軋開坯，軋制道次8次，總變形量為60％。

熱軋：將粗軋后的帶材進行熱軋?zhí)幚?，熱軋溫度?50℃下，熱軋道次6次，熱軋總變形量為65％。

固溶退火處理：固溶退火處理溫度為900℃，退火速度50m/min，冷卻速度60℃/s。

冷變形：對合金帶材進行冷軋，軋制道次2次，使得總變形量為10％。

時效處理：冷軋后的帶材放入罩式熱處理爐中進行時效處理，溫度為550℃，保溫時間為4h。

在時效處理后對材料進行酸洗，拉彎矯直，分剪，得到的銅合金。

實施例3

合金成分見表3

熔煉:將原料加熔煉爐內，進行抽真空，至真空度10^-2pa，充入氬氣進行保護，熔煉溫度1800℃，所有物料完全熔化后，磁攪拌均勻并保溫5分鐘，導入澆注模具進行澆鑄，得到合金鑄錠。

固溶退火：將鑄坯放置在退火爐中進行退火，退火溫度為950℃，保溫時間4h然后快速冷卻。

銑面、粗軋：對合金鑄錠進行銑面(上下表面各銑0.8mm)，進行冷軋開坯，軋制道次10次，總變形量為70％。

熱軋：將粗軋后的帶材進行熱軋?zhí)幚?，熱軋溫度?00℃下，軋制道次9次，熱軋總變形量為80％。

固溶退火處理：固溶退火處理溫度為930℃，退火速度80m/min，冷卻速度65℃/s。

冷變形：對合金帶材進行冷軋，軋制道次5次，軋制總變形量為20％。

時效處理：冷軋后的帶材放入罩式熱處理爐中進行時效處理，溫度為600℃，保溫時間為5h。

在時效處理后對材料進行酸洗，拉彎矯直，分剪，得到的銅合金。

實施例4

合金成分見表3

熔煉:將原料加熔煉爐內，進行抽真空，至真空度0.5×10^-2pa，充入氬氣進行保護，熔煉溫度1600℃，所有物料完全熔化后，磁攪拌均勻并保溫3分鐘，導入澆注模具進行澆鑄，得到合金鑄錠。

固溶退火：將鑄坯放置在退火爐中進行退火，退火溫度為900℃，保溫時間3h然后快速冷卻。

銑面、粗軋：對合金進行銑面(上下表面各銑0.8mm)，進行冷軋開坯，軋制9次，總變形量為65％。

熱軋：將粗軋后的帶材進行熱軋?zhí)幚?，熱軋溫度?50℃下，軋制道次8次，熱軋總變形量為70％。

固溶退火處理：固溶退火處理溫度為900℃，退火速度60m/min，冷卻速度60℃/s。

冷變形：對合金帶材進行冷軋，軋制道次4次，使得總變形量為15％。

時效處理：冷軋后的帶材放入罩式熱處理爐中進行時效處理，溫度為550℃，保溫時間為4h。

在時效處理后對材料進行酸洗，拉彎矯直，分剪，得到的銅合金。

實施例5

合金成分見表3

熔煉:將原料加熔煉爐內，進行抽真空，至真空度0.5×10^-2pa，充入氬氣進行保護，熔煉溫度1700℃，所有物料完全熔化后，磁攪拌均勻并保溫5分鐘，導入澆注模具進行澆鑄，得到合金鑄錠。

固溶退火：將鑄坯放置在退火爐中進行退火，退火溫度為950℃，保溫時間4h然后快速冷卻。

銑面、粗軋：對合金進行銑面(上下表面各銑0.8mm)，進行冷軋開坯，軋制10次，總變形量為70％。

熱軋：將粗軋后的帶材進行熱軋?zhí)幚?，熱軋溫度?00℃下，軋制道次9次，熱軋總變形量為75％。

固溶退火處理：固溶退火處理溫度為930℃，退火速度70m/min，冷卻速度65℃/s。

冷變形：對合金帶材進行冷軋，軋制道次4次，使得總變形量為20％。

時效處理：冷軋后的帶材放入罩式熱處理爐中進行時效處理，溫度為600℃，保溫時間為5h。

在時效處理后對材料進行酸洗，拉彎矯直，分剪，得到的銅合金。

實施例6

合金成分見表3

熔煉:將原料加熔煉爐內，進行抽真空，至真空度0.5×10^-2pa，充入氬氣進行保護，熔煉溫度1650℃，所有物料完全熔化后，磁攪拌均勻并保溫5分鐘，導入澆注模具進行澆鑄，得到合金鑄錠。

固溶退火：將鑄坯放置在退火爐中進行退火，退火溫度為910℃，保溫時間3h然后快速冷卻。

銑面、粗軋：對合金進行銑面(上下表面各銑0.8mm)，進行冷軋開坯，軋制8次，總變形量為70％。

熱軋：將粗軋后的帶材進行熱軋?zhí)幚恚瑹彳垳囟葹?80℃下，軋制道次8次，熱軋總變形量為75％。

固溶退火處理：固溶退火處理溫度為930℃，退火速度55m/min，冷卻速度60℃/s。

冷變形：對合金帶材進行冷軋，軋制道次5次，使得總變形量為20％。

時效處理：冷軋后的帶材放入罩式熱處理爐中進行時效處理，溫度為550℃，保溫時間為5h。

在時效處理后對材料進行酸洗，拉彎矯直，分剪，得到的銅合金。

對比例1

合金成分：ni10.25wt％、sn2.8wt％、co0.56wt％、b0.07wt％、v0.028wt％、p0.25wt％、余量cu。

該銅合金按照如下步驟制備:

1.熔煉：采用工頻感應爐在非真空環(huán)境下進行熔煉，合金加入順序為：先加入銅，融化后，在加入鎳、鈷、釩、銅硼合金，再低溫下計入錫，待全部融化后加入銅磷合金，成分化驗合格并對爐渣清理后，使用烘烤后的木炭覆蓋；熔煉溫度為1270℃，鑄造溫度控制在1200℃。

2.固溶退火：將鑄坯放置鐘罩退火爐中進行固溶退火，退火溫度為820℃，保溫時間4h。

3.銑面：對合金進行銑面(上下各銑0.8mm)。

4.粗軋：將經過銑面后的合金帶材進行冷軋開坯，粗軋總加工率為70％。

5.中間退火：將冷軋后的帶材裝入罩式熱處理爐中進行退火，退火溫度580℃，保溫7h。

6.中軋：將經過銑面后的帶材進行中軋，中軋總加工率為80％。

7.固溶處理+表面清洗：將中軋后的板帶材進行在線固溶處理，固溶溫度為880℃，保溫7h。

8.精軋：將固溶處理+表面清洗后的帶材進行精軋，精軋總加工率為30％。

9.時效處理：將精軋的帶材裝入罩式熱處理爐中進行時效處理，溫度520℃，保溫8h，得到銅合金。

實施例7

對實施例2～6及對比例1的銅合金進行測試，測試方法如實施例1所示，結果如表4所示。

表3實施例2～6的銅合金成分組成(wt％)

表4銅合金力學及電學性能測試結果

從表3和表4可知按照本發(fā)明的合金各成分配比，控制制備過程中的溫度、時間等參數(shù)，得到的銅合金抗拉強度在1350～1680mpa范圍內時，斷后伸長率未低于11.5％，達到11.5％～16.0％，而現(xiàn)有抗拉強度優(yōu)異的cunisn合金，其抗拉強度為1235mpa，且在該抗拉強度下，材料斷后伸長率僅有6.1％，疲勞強度也僅有420mpa。