一种易切削铜镍硅棒材及其制备方法与流程

1.本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种易切削铜镍硅棒材及其制备方法。


背景技术：

2.高强度高导电铜合金是未来应用于高新领域的重要材料，高强度、高导电铜合金设计的基本原理是在铜基体中加入低固溶度的合金元素，通过高温固溶处理，合金元素在铜基体中形成过饱和固溶体。经过后续时效处理后，过饱和固溶体分解，固溶的合金元素以沉淀相形式从铜基体中析出，合金的强度和电导率得以提高。
3.其中cu-ni-si系列作为一种析出强化合金，弥散的δ-ni2si粒子可从经固溶、时效合金热处理基体中析出，大幅度提高了材料的强度，并兼具有良好的导电性。目前cu-ni-si系列合金主要牌号有c70250，c70260，c19010，c19005等，其中c70250系列ni、si含量较高，且ni/si质量比控制在4:1左右，因此在相同工艺条件下，c70250系列析出δ-ni2si强化相数量比其他牌号更多，材料抗拉强度最高能够稳定达到800mpa以上。
4.然而cu-ni-si系列合金棒材均存在切削性能差的问题，尤其经过加工硬化和时效强化后，材料强度进一步提高。由于合金组织中不存在易切削相，材料切削阻力极大，且刀具损刀严重，严重降低刀具使用寿命，因此切削加工速率需设定非常慢，影响生产效率。为提高材料切削性能，必须添加一定量易切削元素，但是带来的负面效果就是合金冷热加工性能降低，力学性能降低。若采用现有常规工艺上述负面效果尤为显著，无法同时兼具高强度和易切削性能。因此为实现高强度和易切削性能，必须优化合金成分和调整加工工艺以最大限度降低上述负面效果。
5.针对上述问题，拟在cu-ni-si系列成分基础上开发一款易切削合金铜镍硅棒材，通过优化合金元素组分，在不显著降低合金强度、导电性能前提下促进易切削相的形成，同时优化冷热加工及热处理工艺，使其兼具cu-ni-si系列高强度高导电性能和良好切削加工性能。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种兼顾强度、导电和冷热加工性能的易切削铜镍硅棒材。
7.本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种易切削铜镍硅棒材的制备方法。
8.本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种易切削铜镍硅棒材，其特征在于：该铜镍硅的质量百分比组成为ni：3.5～5.5％，si：0.7～1.5％，te：0.1～1.0％，p：0.01～0.1％，mn：0～0.2％，mg：0.05～0.2％，余量为cu和不可避免的杂质。
9.本发明以cu-ni-si合金系列为基础，其中ni元素与si元素作为主要添加元素，促进δ-ni2si析出强化相的形成以保证材料具备高强度和高导电性能。控制ni含量下限在3.5％以上，一方面ni元素能够固溶于cu基体中，实现良好固溶强化效果，另一方面保证δ-ni2si析出强化相的形成数量，起到良好析出强化效果。控制ni元素上限在5.5％以上，目的
为避免恶化合金的加工性能，若ni含量过高，所需挤压力大幅度提高，挤压后坯料易出现横向裂纹。同时合金固溶工艺难度增大，固溶处理后坯料硬度高，塑性低，无法正常进行后道冷加工处理。si元素添加量与ni含量有关，本发明控制ni/si质量比在4～5范围，以获得最佳的力学性能与导电性能。若si含量过高，一方面使材料脆性增加，降低后道加工塑性，另一方面使合金导电性能降低。
10.te元素的添加目的为改善材料的切削性能，te元素在cu中的溶解度极低，以cu2te相的形式弥散分布于晶界中，应力场强度较低，从而合金保持良好的导电性能。较比于其他易切削pb、bi、s等元素，te元素的加入不会显著降低合金的力学性能与加工塑性。上述pb、bi、s元素虽能够在一定程度上改善材料的切削性能，但是会显著增加材料的脆性，无法获得良好的冷热加工塑性，同时材料强度会随着上述元素添加量增加而出现大幅度下降的问题。为获得良好的力学导电综合性能和切削性能，本发明的te元素的添加量控制在0.1～1.0％范围。
11.p元素的添加主要为促进nip化合物形成，nip化合物作为析出相能够进一步提高材料强度。同时需严格控制p含量范围，若p含量过高，则显著降低材料导电性能和加工塑性，因此本发明p元素的添加量控制在0.01～0.1％范围。
12.mn元素的添加目的为提高材料的疲劳强度，以进一步提高材料的使用寿命。若mn元素添加过高，熔炼过程中铜水粘稠度增加，流动性变差，易形成氧化铜渣。因此本发明mn元素的添加量控制在0～0.2％范围，优选0.01～0.2％。
13.mg元素的添加目的为提高铸锭品质，由于本发明合金铸造温度高，铜水在凝固过程中易吸气而形成疏松、气孔等缺陷。通过mg元素的添加后上述问题能够得以有效改善。同时添加微量mg元素也有利于提升材料的切削加工性能，本发明控制mg元素的添加量控制在0.05～0.2％范围。
14.作为优选，该铜镍硅的微观组织中含有基体相和第二相，第二相包括δ-ni2si相、nip相和cu2te相，δ-ni2si相平均尺寸范围：0.01～0.5μm，面积占比为0.5～5％，nip相平均尺寸范围：0.05～1μm，面积占比为0.1～2％，cu2te相平均尺寸范围：5～10μm，面积占比5～20％。在所添加元素含量一定前提下，析出相尺寸越小，析出相分布量越多，力学性能、导电性能和切削效果提升更为显著。反之，析出相尺寸越大，分布量越少，上述性能提升不显著。δ-ni2si相和nip同属为强化相，若面积占比小，强化效果不显著，若面积增加，合金冷变形塑性变差，易发生拉伸变形开裂，无法正常加工。cu2te相属于易切削相，若面积占比小，切削性能无法满足要求。若面积占比过大，合金热加工塑性变差，则无法通过正常挤压加工工艺制备。
15.本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种易切削铜镍硅棒材的制备方法，其特征在于：工艺流程包括熔炼
→
铸造
→
挤压
→
中间拉伸
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时效
→
成品拉伸；所述铸造温度：1200～1300℃，拉铸速度：20～50mm/min，铸锭出结晶器温度为600～800℃。
16.由于本发明合金在铜基体的基础上同时添加ni、si、mn、te、p等元素，导热性能一般，合金在凝固过程中凝固结晶速率较慢，铸锭外层凝固后，中心部位仍可能是液态，且ni、si元素添加量较大，因此，合金在铸造过程中极易产生铸造应力，易在铸锭出现横向中心外延裂纹，在ni、si成分基础上增加te元素后，形成脆性相且易聚集形成大面积脆性区域，材料出现脆裂倾向增大，导致铸锭出现裂纹，冷隔现象概率大幅度增加，再辅助增加mn元素
后，进一步降低合金导热性能，在凝固过程中结晶速率进一步降低，极易出现外部凝固中心仍是液态，该现象易造成合金形成应力裂纹，导致铸造性能进一步恶化，，大大增加了铸造难度。
17.铸造温度范围在1200～1300℃，铸造温度低于1200℃，铸造过程伴随铜水热量损失，易出现引流管铜水凝固堵塞现象，导致无法正常铸造。若铸造温度高于1300℃，温度过高易造成铜水吸气而铸造得到的铸锭出现气孔、缩松等缺陷。
18.拉铸速度：20～50mm/min，若拉铸速度过快，易导致铜水凝固不充分而出现漏铜现象，速度过慢则影响生产效率，同时速度过慢结晶器中凝固截面上移，增加铸锭与结晶器之间的摩擦阻力，从而降低铸锭表面质量。
19.铸锭出结晶器温度为600～800℃，若引出温度低于600℃，铸锭截面易出现由芯部外延横向裂纹。若引出温度高于800℃，铜水凝固不充分则易出现拉漏现象。
20.作为优选，所述铸造过程中，结晶器的冷却水压力：0.4～1.0mpa，进水温度：10～30℃，出水温度：20～45℃。
21.作为优选，所述挤压工艺为：铸锭加热温度850～950℃，保温时间1～4h，挤压比30～100，挤压速度：5～15mm/s，挤压坯在线固溶，固溶温度为750～950℃，冷却速度为200～600℃/s。
22.铸造后的铸锭存在含te的脆性相，在高温条件下显明显脆性，挤压条件更为苛刻。
23.铸锭加热温度850～950℃，若低于850℃，合金高温挤压变形抗力大，挤压力超过极限，因此无法顺利挤压出料。挤压加热温度上限控制在950℃，避免加热温度过高导致α晶粒和析出相长大，若镍硅析出相长大(＞5μm)且发生聚集，挤压坯塑性急剧恶化，后道拉伸塑性加工时易出现坯料开裂、断裂现象。
24.挤压比30～100，挤压比若小于30，挤压规格增加，无法实现一道次拉伸至所需成品规格，需采用二道次或多道次拉伸、高温软化退火工艺。采用高温软化退火工艺势必造成晶粒长大，无法有效实现δ-ni2si相平均尺寸范围：0.01～0.5μm，面积占比为0.5～5％，nip相平均尺寸范围：0.05～1μm，面积占比为0.1～2％，cu2te相平均尺寸范围：5～10μm，面积占比5～20％的理想组织特征。若挤压比大于100，则挤压规格减小，挤压力大幅度增加，一方面无法正常挤压出料，另一方面坯料表面易出现环形裂纹。
25.挤压速度：5～15mm/s，在挤压温度确定前提下控制挤压速度尤为关键。若挤压速度过高，则挤压后的线坯易出现连续横向裂纹。若挤压速度偏低，挤压时间增加，挤压过程伴随着铸锭温度损失，挤压至末尾阶段时挤压力大幅度增加，影响挤压效率和质量。
26.挤压坯在线固溶，固溶温度为750～950℃，冷却速度为200～600℃/s，挤压坯冷却前温度控制在750～950℃，并控制合理冷却条件，目的为达到良好的固溶效果，避免在时效工艺前造成析出相析出形成，从而大幅度降低坯料冷加工塑性。若挤压坯冷却前温度低于750℃，则会产生一定数量析出相，且随温度降低(在时效温度以上)析出相数量会随之增加，固溶温度高于950℃，α晶粒及其他相进一步长大，组织均匀性降低，同时分布于晶界的cu2te相脆性进一步增加，挤压极易形成开裂。冷却速率低于200℃/s，坯料固溶效果不理想，部分析出相无法有效固溶于铜基体中，合金后道加工塑性变差，无法实现大加工率拉伸冷变形加工，从而间接造成成品强度偏低问题，冷却速度高于600℃/s，一般固溶冷却越快越好，但固溶实际效果存在冷却极限。
27.挤压坯性能：硬度：80～100hv，抗拉强度：320～360mpa，屈服强度：120～160mpa，延伸率：25～40％，导电率：10～12％iacs，基体相(α相)平均晶粒度：40～80μm。
28.作为优选，所述中间拉伸工艺为：拉伸分多道次进行，各道次拉伸加工率控制在5～30％，拉伸总加工率为50～80％。
29.拉伸总加工率控制在50～80％，目的为实现良好的形变强化效果。当挤压坯延伸率达到理想25～40％范围时，材料冷加工塑性加工率可达到80％，若加工率低于50％则形变强化效果不显著，同时α相晶粒破碎不充分，无法实现细晶强化，该工艺加工至成品规格强度无法满足要求。控制单道次加工率在5～30％范围，若单道次加工率大于30％，则易出现拉伸夹头断裂的风险，同时拉伸后棒材表面发烫严重，一方面影响后续拉伸加工，另一方面棒材表面温度升高，部分析出相从固溶态中析出，材料塑性降低，同时组织均匀性变差。
30.作为优选，所述时效工艺为：采用还原性气氛进行保护，时效温度380～450℃，从室温升温到时效温度的时间60～120min，保温时间100～250min。
31.时效温度380～450℃，目的为析出更多δ-ni2si及nip析出强化相。若温度偏低，δ-ni2si相和nip化合物析出量少，合金强度提升不明显。若温度过高，δ-ni2si相和nip化合物聚集长大，强化效果减弱，合金强度降低。
32.从室温升温到时效温度的时间60～120min，升温过慢影响生产效率，升温过快nip化合物和δ-ni2si相易充分长大并发生聚集，时效强化效果减弱，同时析出相大小、分布均匀性变差。
33.保温时间100～250min，保温时间过短则时效不充分，析出相无法全部析出，强化效果减弱。保温时间过长，则发生过时效，合金发生软化，强度降低。
34.作为优选，所述成品拉伸加工率为5～20％。加工率低于5％，形变强化效果不明显，无法进一步增加合金强度。加工率高于20％，易造成成品棒材塑性变低，延伸率小于2％，后续矫直塑性差，影响成品直度。直度不良，影响材料切削性能。
35.与现有技术相比，本发明的优点在于：在铜基体中添加ni、si、te、p、mn、mg并控制各自的添加量，基体中含有δ-ni2si强化相、nip强化相，在提高基体强度的同时不降低基体的导电率，基体中含有cu2te切削相，改善基体的切削性，最终实现铜镍硅棒材的抗拉强度≥750mpa，屈服强度≥700mpa，延伸率≥2％，导电率≥25％iacs，硬度hv≥260，切削指数为c36000的80％以上。
附图说明
36.图1为本发明实施例1的金相组织照片。
37.图2为本发明对比例的金相组织照片。
具体实施方式
38.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
39.本发明提供10个实施例和5个对比例，具体成分见表1。
40.实施例包括以下制备步骤：
41.1)熔炼：按所需成分要求进行配比。
42.2)铸造：使用半连续铸造方式拉铸铸锭，铸造温度：1200～1300℃，冷却水压力：
0.4～1.0mpa，进水温度：10～30℃，出水温度：20～45℃，拉铸速度：20～50mm/min，铸锭出结晶器温度为600～800℃，得到规格φ180～200mm铸锭。
43.3)挤压：铸锭加热温度850～950℃，保温时间1～4h，挤压比30～100：1，挤压速度：5～15mm/s，挤压坯在线固溶，固溶温度为750～950℃，冷却速度为200～600℃/s。
44.4)中间拉伸：拉伸分多道次进行，各道次拉伸加工率控制在5～30％，拉伸总加工率为50～80％。
45.5)时效：采用还原性气氛进行保护并通入氨气，时效温度380～450℃，从室温升温到时效温度的时间60～120min，保温时间100～250min。
46.6)成品拉伸：成品拉伸加工率为5～20％，关键工艺参数见表2、表3。
47.对比例1为市购的c70250合金棒材。
48.对比例2与实施例1的不同之处在于：铸锭出结晶器温度为100℃以下。
49.对比例3与实施例1的不同之处在于：拉铸速度60mm/min。
50.对比例4与实施例1的不同之处在于：挤压坯直接冷却到室温，即没有在线固溶处理。
51.对比例5与实施例1的不同之处在于：时效温度500℃。
52.对得到的实施例和对比例进行力学性能和/或微观组织检测，具体检测指标和检测标准如下：
53.1)硬度hv5：gb/t 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法。
54.2)抗拉强度、延伸率：gb/t 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法。
55.3)金相显微测试：ys/t 449-2002铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法。
56.附图1为实施例1的金相组织照片，白色晶粒为α相，晶粒细小，且分布均匀。黑色颗粒质点为cu2te相，分布于晶界中。
57.附图2为对比例1的金相组织照片，α相晶粒粗大，尺寸及分布均匀性一般。
58.4)切削指数：根据ys-t 647-2007《铜锌铋碲合金棒》附录b中切削性能检测方法进行评定，设c36000(hpb63-3)的切削指数为100％。
59.5)导电率：gb/t 351-2019金属材料电阻系数测量方法。
60.6)第二相的尺寸和面积占比通过扫描电子显微镜拍摄和测量。
61.表1本发明实施例的成分/wt％
[0062][0063]
表2本发明实施例的关键工艺参数控制
[0064][0065]
表3本发明实施例的关键工艺参数控制
[0066][0067]
表4本发明实施例的微观组织
[0068][0069]
表5本发明实施例、对比例的性能
[0070]