高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的短流程制备方法与流程

本发明属于铜合金材料
技术领域：
，具体涉及一种高强度高弹性cu-ni-mn合金的短流程制备方法。
背景技术：
：目前，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，加热后在空气中冷却即可完成固溶处理。在时效处理过程中，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。cu-ni-mn合金在大气环境下熔炼容易氧化、吸气，因此传统制备加工工艺比较复杂，一般采用真空熔炼-热轧-热锻-固溶-冷轧-时效的方法进行制备，工艺流程长，制备要求高，生产成本高，难以规模化生产。热冷组合铸型连铸工艺是一种短流程工艺。铸型加热段采用感应加热的方式强制加热，加热温度高于连铸金属熔点；冷却段采用水冷铜套强制冷却。由加热段和冷却段获得足够大的温度梯度，在凝固界面前沿建立很高的轴向温度梯度，既有利于析出气体及夹杂物排入液相，提高管材组织致密度，又可促进晶粒沿轴向生长，获得沿轴向取向的结晶组织，消除冷型连铸时发达的径向柱状晶组织。利用该方法制得的铸锭致密度高、铸锭质量好，少有缩孔、疏松，组织晶粒细小，机械性能高。但如上所述，由于cu-ni-mn合金在大气环境下熔炼容易氧化、吸气，一直难以在非真空条件下采用热冷组合铸型制备cu-ni-mn合金材料。技术实现要素：本发明公开了一种高强度高弹性cu-ni-mn合金的短流程制备方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。本发明的技术方案是：高强度高弹性cu-ni-mn合金的短流程制备方法，该方法通过添加al和/或b元素，减少合金所含碳氧杂质含量，解决cu-ni-mn合金在非真空条件下铸造容易吸氧问题，省去真空铸锭，降低生产成本。二是利用热冷组合铸型连铸工艺进行坯料制备，制得的坯料致密度高、质量好，少有缩孔、疏松；具有柱状晶组织，冷加工性能好，可以省去热加工过程，缩短了生产流程，降低了生产成本。三是利用深冷轧制+时效的工艺方法进一步提高合金强度，将固溶后的合金在-200℃--100℃的温度下进行深冷轧制，细化了晶粒，减少了后续时效所需时间，改善了析出相分布，提升了材料的性能。进一步，该方法具体包括以下步骤：s1)以纯度大于99.9％的铜、镍、锰、铝金属为原料，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，得到合金棒材；s2)将s1)合金棒材先进行固溶处理后，再进行深冷轧制，获得厚度为0.5-2mm的冷轧合金板；s3)将s2)得到的冷轧合金板进行时效热处理，得到高强度高弹性cu-ni-mn合金。进一步，所述s1)中的原料的各个组分质量百分数为：cu45-70％，ni14-26％，mn14-26％，al0.1-5％。进一步，所述s1)还包括b0.001-0.3wt％。进一步，所述s1)中的ni/mn的重量比：0.8-1.2:1。进一步，所述s1)中非真空连铸工艺的工艺为，下拉温度为1230-1400℃，下拉速率为0.5-2mm/s，冷却水为500-700l/h。进一步，所述s2)中深冷轧制的工艺为：在-200--100℃温度下进行深冷轧变形，总变形量为70-90％。进一步，所述s3)中的时效热处理的工艺为：合金板加热到400-450℃，保温0.5-48h,空冷至室温。进一步，所述高强度高弹性cu-ni-mn合金抗拉强度能够达到1000-1500mpa，屈服强度能够达到700-1400mpa。一种高强度高弹性cu-ni-mn合金，所述高强度高弹性cu-ni-mn合金采用如权利要求1-8任意一项所述的方法制备得到。本发明在cu-ni-mn合金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，同时利用连铸技术，缩短了工艺流程，降低了制备条件，解决了该合金制备加工困难，工艺流程长，成本高的问题，具有明显的技术优势。附图说明图1为本发明的高强度高弹性cu-ni-mn合金的短流程制备方法的流程框图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。如图1所示，本发明高强度高弹性cu-ni-mn合金的短流程制备方法，该方法具体包括以下步骤：s1)以铜、镍、锰、铝金属为原料，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，得到合金棒材；s2)将s1)合金棒材先进行固溶处理后，再进行深冷轧制，获得厚度为0.5-2mm的冷轧合金板；s3)将s2)得到的冷轧合金板进行时效热处理，得到高强度高弹性cu-ni-mn合金。所述s1)中原料的各个组分质量百分数为：cu45-70％，ni14-26％，mn14-26％，al0.1-5％，纯度大于99.9％。所述s1)原料中还包括纯度大于99.9％的硼，质量百分数为：0.001-0.3％。所述s1)中的ni/mn的重量比为：0.8-1.2：1。所述s1)中非真空连铸工艺的工艺为，下拉温度为1230-1400℃，下拉速率为0.5-2mm/s，冷却水为500-700l/h。所述s2)中深冷轧制的工艺为：在-200--100℃温度下进行深冷轧变形，总变形量为70-90％。所述深冷方式为：以液氮、液氦作为冷却介质，或者含有液氮、液氦一种或者两种冷却介质。所述s3)中的时效热处理的工艺为：合金板加热到400-450℃，保温0.5-48h,空冷至室温。所述高强度高弹性cu-ni-mn合金抗拉强度能够达到1000-1500mpa，屈服强度能够达到700-1400mpa。一种高强度高弹性cu-ni-mn合金，所述高强度高弹性cu-ni-mn合金采用上述的方法制备得到。实施例1：cu-20ni-20mn合金制备cu-20ni-20mn合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为60wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行10道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表1，合金的力学性能见下表2。表1cu-20ni-20mn合金各元素含量元素种类cunimnco含量余量20200.0690.011表2cu-20ni-20mn合金的力学性能实施例2：cu-20ni-20mn-0.05al合金制备cu-20ni-20mn-0.05al合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为0.05wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行10道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表3，合金的力学性能见下表4。表3cu-20ni-20mn-0.05al合金各元素含量元素种类cunimnalco含量余量20200.050.0410.0068表4cu-20ni-20mn-0.05al合金的力学性能实施例3：cu-20ni-20mn-1al合金制备cu-20ni-20mn-1al合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行10道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表5，合金的力学性能见下表6。表5cu-20ni-20mn-1al合金各元素含量元素种类cunimnalco含量余量202010.0250.0067表6cu-20ni-20mn-1al合金的力学性能实施例4：cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金制备cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％,b元素为0.03wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行10道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表7，合金的力学性能见下表8。表7cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金各元素含量元素种类cunimnalbco含量余量202010.030.0230.048表8cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金的力学性能实施例5：cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金制备cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％,b元素为0.03wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行12道次深冷轧变形，总变形量为85％，获得厚度为0.9mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表9，合金的力学性能见下表10。表9cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金各元素含量元素种类cunimnalbco含量余量202010.030.0230.048表10cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金的力学性能实施例6：cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金制备cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％,b元素为0.03wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行15道次深冷轧变形，总变形量为90％，获得厚度为0.6mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表11，合金的力学性能见下表12。表11cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金各元素含量元素种类cunimnalbco含量余量202010.030.0230.048表12cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金的力学性能实施例7：cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金制备cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％,b元素为0.03wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1340℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行15道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表13，合金的力学性能见下表14。表13cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金各元素含量元素种类cunimnalbco含量余量18.8217.9410.030.0230.048表14cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金的力学性能实施例8：cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金制备cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％,b元素为0.03wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1390℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行15道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表15，合金的力学性能见下表16。表15cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金各元素含量元素种类cunimnalbco含量余量17.8217.7110.030.0230.048表16cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金的力学性能实施例9：cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金制备cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％,b元素为0.03wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-190℃温度下进行15道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到450℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表17，合金的力学性能见下表18。表17cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金各元素含量元素种类cunimnalbco含量余量202010.030.0230.048表18cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金的力学性能实施例10：cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金制备cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金，包括如下步骤：(1)连铸工艺：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯铝、纯硼金属为原料，按照主要成分cu元素为59wt％,ni元素为20wt％,mn元素为20wt％,al元素为1wt％,b元素为0.03wt％，利用热冷组合铸型非真空连铸工艺进行制备，下拉温度为1250℃，下拉速率为1mm/s，冷却水为600l/h，制得直径20mm的棒材。(2)变形工艺：将合金棒材进行固溶处理后，在-100℃温度下进行15道次深冷轧变形，总变形量为75％，获得厚度为1.5mm的冷轧合金板；(3)时效热处理：将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400℃，分别保温0.5h、1h、2h、5h、10h、24h、36h、48h,空冷至室温。合金各元素含量见下表19，合金的力学性能见下表20。表19cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金各元素含量元素种类cunimnalbco含量余量202010.030.0230.048表20cu-20ni-20mn-1al-0.03b合金的力学性能本发明通过添加微量al、b合金元素,降低非真空连铸所得棒材c、o杂质的含量，同时细化时效析出相，提高合金强度。制备时，利用热冷组合铸型非真空连铸技术，近终端一次成型棒材，后将合金棒材进行固溶处理,并通过深冷轧变形获得厚度为0.5-2mm的深冷轧合金板。将固溶处理并且深冷轧后的合金板加热到400-450℃,保温0.5-48h,空冷至室温。该合金的抗拉强度可达1000-1500mpa,屈服强度可达700-1400mpa。以上对本申请实施例所提供的一种高强度高弹性cu-ni-mn合金的短流程制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。当前第1页12