高Ni、Si含量的Cu-Ni-Si合金及其制备方法

摘要

本发明提供一种高Ni、Si含量的Cu-Ni-Si合金，Ni和Si的总含量为3%—20%，其余为Cu，其中，Ni/Si的原子比为Ni：Si=2：1—3：1。其制备方法为：先将Ni、Si和Cu块熔炼成熔体，再浇注成合金铸锭，再进行固溶处理，固溶温度为850—1000℃，处理时间为0.5—4h，再将合金铸锭在温度为800—950℃的条件下进行分级轧制，制比为9：1—25：1，最后进行时效处理，时效温度为450—550℃，时效时间为8—16h。该合金能达到合适的强度(520-850MPa)和导电性(25-65%IACS)。

说明书

技术领域

本发明属于金属基合金/复合材料技术领域，具体涉及一种高Ni、Si含量的Cu-Ni-Si合金及其制备方法。

背景技术

科学技术和现代工业的快速发展对Cu及其合金的综合性能提出了更高的要求，如电气工程开关触桥、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、大功率异步牵引电动机转子、电气化铁路接触导线（电车线）、热核实验反应堆（ITER）偏滤器垂直靶散热片、高脉冲磁场导体等要求材料不仅具有良好的导电性还必须具有较高的强度，而这些性能并不是纯Cu都能同时满足的。因此，开发满足上述要求的高性能Cu基合金/复合材料成为现代Cu基新材料的研究重点。铜合金的高强度和高导电性是一对矛盾的特性，历年来一直受到广大科研工作者的高度重视。传统的合金强化方法，如固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等已被广泛用作各种合金的强化手段。因此，高强高导Cu基合金/复合材料的制备关键在于如何在保证导电性不明显降低的前提下，最大程度地提高铜合金的强度。

由于没有磁性，不会因为涡流效应而产生大量的焦耳热，Cu-Ni-Si合金引起了广泛的关注，被认为可代替Cu-Be作为引线框架材料，并已取得初步成效。截止目前为止，所研发的Cu-Ni-Si系合金强化机理主要是时效过程中析出的沉淀相所产生的沉淀强化造成的，由于已有研究中Ni和Si总含量一般都低于5wt.%，其所产生的沉淀相的数量是有限的，导致对强度的提高不太显著。由于Si原子在Cu集体中的固溶度是有限的，这意味着单一依靠时效过程中析出的沉淀相来提高Cu-Ni-Si合金的强度，其所产生的强度增量不可能达到较高的水平。在合金的多种强化手段中，复合强化所导致的晶格畸变最小，其产生的强化效果明显且对电子的散射作用最小，有望使合金达到最佳的强度与电导率的组合。因此，若能在Cu-Ni-Si合金在凝固过程中原位生成第二相，并在随后的热处理过程中依靠固态相变析出沉淀相，即依靠复合强化与沉淀强化相结合的办法则可较大程度地扩大合金中Ni和Si总含量的设计范围，对强度的提高也可达到较高的水平。该方法的关键是如何设计合金中Ni、Si原子的比例，控制原位析出的增强相的形态和数量，并尽可能地减小固溶原子在基体中的固溶。

发明内容

本发明的目的是提供一种高Ni、Si含量的Cu-Ni-Si合金制备方法，解决了现有方法制备该合金的Ni和Si含量较低，抗拉强度较纯Cu材料提高不太显著的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种高Ni、Si含量的Cu-Ni-Si合金，按重量百分比，由以下三种成分组成：Ni和Si的总含量为3%—20%，其余为Cu，各成分的重量百分比之和为100%；其中，Ni/Si的原子比为Ni：Si=2：1—3：1。

上述Cu-Ni-Si合金的制备方法，包括以下操作步骤：

步骤1，称料

按预制备Cu-Ni-Si合金成分的重量百分比称取各单质的Ni、Si和Cu块, 其中，Ni和Si的总含量为3%—20%，其余为Cu，各成分的重量百分比之和为100%，且Ni/Si的原子比为Ni：Si=2：1—3：1；再对Ni、Si和Cu块进行前处理去除表面氧化物；

步骤2，熔炼

将称量好的Ni、Si和Cu块放入中频感应加热炉中熔炼成均匀的熔体；

步骤3，浇注

将步骤2得到的合金熔体浇入石墨铸型中，待Cu-Ni-Si合金凝固后脱模，并水淬冷却至室温，从而得到Cu-Ni-Si合金铸锭，浇注前模具预热温度为400±20℃；

步骤4，固溶处理

将合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为850—1000℃，处理时间为0.5—4h，随后取出试样水淬至室温；

步骤5，热机械处理

将步骤4制备好的合金铸锭在氩气氛保护炉中加热至1000℃，随后将合金铸锭从炉中取出后，在温度为800—950℃的条件下进行分级轧制，最终轧制比为9：1—25：1，轧制完后水淬至室温；

步骤6，时效处理

将轧制好的合金在热处理炉中进行时效处理，时效温度为450—550℃，时效时间为8—16h，时效过程结束后取出空冷至室温，即得。

其中，步骤1中对Ni、Si和Cu块进行前处理：用浓度为5%稀盐酸溶液清洗去除表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干。

其中，步骤2中对Ni、Si和Cu块进行熔炼：先将称好的铜块放入中频感应加热炉中，在100℃下预热5min，再将石墨粉添加到Cu块表面，然后升温至1200℃使Cu熔化，待Cu完全融化后将称取好的Ni块和Si块加入熔融的Cu液后，再将温度升高到1500±20℃，保温10min。

本发明的有益效果是，以单质金属Cu、Ni和Si为原料，采用普通熔铸法制备合金铸锭，通过进行后续热处理和热机械处理使合金达到合适的强度（520-850MPa）和导电性（25-65%IACS）。本发明的制备工艺简单，成本较为低廉，可用于接触线，引线框架、接触器材料和触头材料，可获得大体积的块体合金材料，也可获得板材、线材等，广泛用于电工电子、高速铁路等领域。

附图说明

图1是本发明制备方法的流程图；

图2是本发明实施例1所制备的Cu-Ni-Si×1000合金的显微组织图；

图3是本发明实施例2所制备的Cu-Ni-Si×100合金的显微组织图；

图4是本发明实施例3所制备的Cu-Ni-Si×1000合金的显微组织图；

图5是本发明实施例4所制备的Cu-Ni-Si×500合金的显微组织图；

图6是本发明实施例5所制备的Cu-Ni-Si×200合金的显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种高Ni和Si含量的高强高导Cu-Ni-Si合金，按重量百分比，由以下三种成分组成：Ni和Si的总含量为3%—20%，其余为Cu，各成分的重量百分比之和为100%；其中，Ni/Si的原子比为Ni：Si=2：1—3：1。其强化机理是凝固过程中原位生成的Ni₃Si的第二相强化和（或）固态相变过程中析出的δ-Ni₂Si相所造成的沉淀强化使合金的强度得到较大程度的提高，同时由于Ni、Si原子的析出使合金的电导率得以提高。

如图1所示，本发明还提供了上述Cu-Ni-Si合金的制备方法，包括以下操作步骤：

步骤1，称料

按预制备Cu-Ni-Si合金成分的重量百分比称取各单质的Ni、Si和Cu块, 其中，Ni和Si的总含量为3%—20%，其余为Cu，各成分的重量百分比之和为100%，且Ni/Si的原子比为Ni：Si=2：1—3：1；再对Ni、Si和Cu块进行前处理：用浓度为5%稀盐酸溶液清洗去除表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干。

步骤2，熔炼

先将称好的铜块放入中频感应加热炉中，在100℃下预热5min，再将石墨粉添加到Cu块表面（石墨粉只要将Cu块上表面覆盖住即可），然后升温至1200℃使Cu熔化，待Cu完全融化后将称取好的Ni块和Si块加入熔融的Cu液后，再将温度升高到1500±20℃，保温10min。

步骤3，浇注

将步骤2得到的合金熔体浇入石墨铸型中，待Cu-Ni-Si合金凝固后脱模，并立即水淬冷却至室温，从而得到Cu-Ni-Si合金铸锭，浇注前模具预热温度为400±20℃。

步骤4，固溶处理

将合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为850—1000℃，处理时间为0.5—4h，随后取出试样水淬至室温。固溶处理的作用是：使凝固过程中得到的析出相完全固溶，便于后续得到细小而分布均匀的沉淀相。

步骤5，热机械处理

将步骤4制备好的合金铸锭在氩气氛保护炉中加热至1000℃，随后将合金铸锭从炉中取出后，在温度为800—950℃的条件下进行分级轧制，最终轧制比为9：1—25：1，轧制完后水淬至室温。热机械处理的作用是：破碎晶界上的网状结构，提高电导率。

步骤6，时效处理

将轧制好的合金在热处理炉中进行时效处理，时效温度为450—550℃，时效时间为8—16h，时效过程结束后取出空冷至室温，即得。时效处理的作用是：使固溶态的原子能充分地以沉淀相形式析出，提高合金的强度和电导率。

实施例1

预制备Ni和Si总含量为3wt.%，其余为Cu，其中Ni/Si原子比为3:1的Cu-Ni-Si合金，其操作步骤为：

按预制备Cu-Ni-Si合金成分的重量百分比称取单质的Ni、Si和Cu块, 并对它们进行前处理，即先用浓度为5%稀盐酸溶液清洗去除表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干；将称好的铜块放入中频感应加热炉中，先在100℃下预热5min，再将石墨粉添加到Cu块表面，然后升温至1200℃使Cu熔化，待Cu完全融化后将称取好的Ni块和Si块加入熔融的Cu液后，迅速将温度升高到1500±20℃，保温10min；随后将合金熔体浇入石墨铸型中，待合金凝固后脱模，并立即水淬至室温，得到Cu-Ni-Si合金铸锭，浇注前模具预热温度为400±20℃；将得到的合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为850℃，处理时间为0.5h，随后水淬至室温；将固溶处理后的铸锭放入氩气氛保护炉中加热至1000℃，随后将铸锭从炉中取出，在温度为800—950℃的范围内进行分级轧制，轧制比为9：1，轧制完后水淬至室温；最后将轧制后的合金放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为550℃，时效时间为8h，时效过程结束后将合金从炉中取出空冷至室温，即得。

经测试，所制备的Cu-Ni-Si合金的电导率可达57.2IACS%，抗拉强度可达528.6MPa。 

如图2所示，为该实施例制得的Cu-Ni-Si合金的1000倍显微组织图，图中基体为富Cu相α-Cu(Ni,Si)相，均匀分布的黑色针状相为δ-Ni₂Si相。

实施例2

预制备Ni和Si总含量为5wt.%，其余为Cu，其中Ni/Si原子比为2:1的Cu-Ni-Si合金，其操作步骤为：

按预制备Cu-Ni-Si合金成分的重量百分比称取单质的Ni、Si和Cu块, 并对它们进行前处理：用浓度为5%稀盐酸溶液清洗去除表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干；将称好的铜块放入中频感应加热炉中，先在100℃下预热5min，再将石墨粉添加到Cu块表面，然后升温至1200℃使Cu熔化，待Cu完全融化后将称取好的Ni块和Si块加入熔融的Cu液后，迅速将温度升高到1500±20℃，保温10min；随后将合金熔体浇入石墨铸型中，待合金凝固脱模后立即水淬冷却至室温，得到Cu-Ni-Si合金铸锭，浇注前模具预热温度为400±20℃；将得到的合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为850℃，处理时间为2h，随后水淬至室温；将固溶处理后的铸锭放入氩气氛保护炉中加热至1000℃，随后将铸锭从炉中取出，在温度为800—950℃的范围内进行分级轧制，轧制比为25：1，轧制完后水淬至室温；最后将轧制后的合金放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为8h，时效过程结束后将合金从炉中取出空冷至室温，即得。

经测试，所制备的Cu-Ni-Si合金的电导率可达44.8IACS%，抗拉强度可达678.6MPa。

如图3所示，为该实施例制得的Cu-Ni-Si合金的100倍显微组织图，图中基体为富Cu相α-Cu(Ni,Si)相，黑色线条状或短棒状为Ni₃Si相。

实施例3

预制备Ni和Si总含量为10wt.%，其余为Cu，其中Ni/Si原子比为3:1的Cu-Ni-Si合金，其操作步骤为：

按预制备Cu-Ni-Si合金成分的重量百分比称取单质的Ni、Si和Cu块, 并对它们进行前处理，即先用浓度为5%稀盐酸溶液清洗去除表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干；将称好的铜块放入中频感应加热炉中，先在100℃下预热5min，再将石墨粉添加到Cu块表面，然后升温至1200℃使Cu熔化，待Cu完全融化后将称取好的Ni块和Si块加入熔融的Cu液后，迅速将温度升高到1500±20℃，保温10min；随后将合金熔体浇入石墨铸型中，待合金凝固脱模后立即水淬至室温，得到Cu-Ni-Si合金铸锭，浇注前模具预热温度为400±20℃；将得到的合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为850℃，处理时间为1h，随后水淬至室温；将固溶处理后的铸锭放入氩气氛保护炉中加热至1000℃，随后将铸锭从炉中取出，在温度为800—950℃的范围内进行分级轧制，轧制比为16：1，轧制完后水淬至室温；最后将轧制后的合金放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为16h，时效过程结束后将合金从炉中取出空冷至室温，即得。

经测试，所制备的Cu-Ni-Si合金的电导率可达31.5IACS%，抗拉强度可达728.4MPa。

如图4所示，为该实施例制得的Cu-Ni-Si合金的1000倍显微组织图，图中基体为富Cu相α-Cu(Ni,Si)相，银灰色板条状相为Ni₃Si相，均匀分布的颗粒状相为δ-Ni₂Si相。

实施例4

预制备Ni和Si总含量为10wt.%，其余为Cu，其中Ni/Si原子比为2.5:1的Cu-Ni-Si合金，其操作步骤为：

按预制备Cu-Ni-Si合金成分的重量百分比称取单质的Ni、Si和Cu块, 并对它们进行前处理，即先用浓度为5%稀盐酸溶液清洗去除表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干；将称好的铜块放入中频感应加热炉中，先在100℃下预热5min，再将石墨粉添加到Cu块表面，然后升温至1200℃使Cu熔化，待Cu完全融化后将称取好的Ni块和Si块加入熔融的Cu液后，迅速将温度升高到1500±20℃，保温10min；随后将合金熔体浇入石墨铸型中，待合金凝固脱模后立即水淬至室温，得到Cu-Ni-Si合金铸锭，浇注前模具预热温度为400±20℃；将得到的合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为1000℃，处理时间为2h，随后水淬至室温；将固溶处理后的铸锭放入氩气氛保护炉中加热至1000℃，随后将铸锭从炉中取出，在温度为800—950℃的范围内进行分级轧制，轧制比为16：1，轧制完后水淬至室温；最后将轧制后的合金放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为500℃，时效时间为10h，时效过程结束后将合金从炉中取出空冷至室温，即得。

经测试，所制备的Cu-Ni-Si合金的电导率可达42.7IACS%，抗拉强度可达694.1MPa。

如图5所示，为该实施例制得的Cu-Ni-Si合金的500倍显微组织图，图中基体为富Cu相α-Cu(Ni,Si)相，银灰色针状或球形相为Ni₃Si相，均匀分布的黑色颗粒状相为δ-Ni₂Si相。

实施例5

预制备Ni和Si总含量为20wt.%，其余为Cu，其中Ni/Si原子比为3:1的Cu-Ni-Si合金，其操作步骤为：

按预制备Cu-Ni-Si合金成分的重量百分比称取单质的Ni、Si和Cu块, 并对它们进行前处理，即先用浓度为5%稀盐酸溶液清洗去除表面氧化物，然后用酒精清洗、烘干；将称好的铜块放入中频感应加热炉中，先在100℃下预热5min，再将石墨粉添加到Cu块表面，然后升温至1200℃使Cu熔化，待Cu完全融化后将称取好的Ni块和Si块加入熔融的Cu液后，迅速将温度升高到1500±20℃，保温10min；随后将合金熔体浇入石墨铸型中，待合金凝固脱模后立即水淬至室温，得到Cu-Ni-Si合金铸锭，浇注前模具预热温度为400±20℃；将得到的合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，固溶温度为900℃，处理时间为4h，随后水淬至室温；将固溶处理后的铸锭放入氩气氛保护炉中加热至1000℃，随后将铸锭从炉中取出，在温度为800—950℃的范围内进行分级轧制，轧制比为16：1，轧制完后水淬至室温；最后将轧制后的合金放入热处理炉中进行时效处理，时效温度为500℃，时效时间为8h，时效过程结束后将合金从炉中取出空冷至室温，即得。

经测试，所制备的Cu-Ni-Si合金的电导率可达25.4IACS%，抗拉强度可达807.4MPa。

如图6所示，为该实施例制得的Cu-Ni-Si合金的200倍显微组织图，图中基体为富Cu相α-Cu(Ni,Si)相，银灰色颗粒状或短棒状相为Ni₃Si相，均匀分布的细小的颗粒状相为δ-Ni₂Si相。