[发明专利]高强、高延性、高导电的铜镍硅合金棒材及生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜镍硅合金棒材及生产方法。

背景技术

铜镍硅系合金是一类应用较广泛的高强度、中等导电性能的铜合金，目前广泛应用于大规模集成电路引线框架，高速电气化铁路接触网零件、导电电极和模用铜合金等领域。

从高强度和高导电性的角度来看，近年来析出强化型铜合金的用量正在大量增加，逐步取代了固溶强化型铜合金，因这类铜合金的电性能已无法满足要求。通过对经过固溶处理的过饱合固溶体进行时效热处理，可以使微细的析出物弥散分布，合金得到有效强化，同时，铜中的固溶元素减少，导电性提高。因此通过此热处理工艺可使合金兼具高强度、高导电性的综合性能。

在析出强化型铜合金中，Cu-Ni-Si系铜合金是兼具高的强度、导电性、应力松弛特性和弯曲加工性的代表性铜合金，在铜基质中通过使微细的Ni₂Si金属间化合物析出，以强化金属，并对铜的导电性能影响较小。

Cu-Ni-Si系合金在熔铸过程中镍和硅在高温下形成化合物Ni₂Si，Ni₂Si在高温下大量溶解于铜，温度下降时，溶解度减小，室温下几乎为零。Ni₂Si化合物中，镍和硅的重量比大约为4：1，在配比合适时，可全部形成化合物，在随后的热处理过程中，可全部以化合物的形式从固溶体中弥散析出，提高材料的强度及硬度，同时弥散析出的第二相粒子对合金的电性能影响较小，从而使合金在具有较高的强度的同时，仍然具有较高的导电率值。但熔铸过程中未能形成化合物的多余的镍会降低材料的电性能，因此为避免残留多余的镍而必须使镍和硅的重量比小于4。经过大量的生产实践，Ni和Si的重量比控制在3.7～4，可获得最高的导电性能。

已有的铜及铜合金棒材的加工工艺，主要工序为熔铸、加热、挤压、拉伸、热处理。近年来迅速发展并成熟的水平连续铸造工艺应用于铜合金的生产，具有显著的成品率高，操作简便，可实现连续化批量生产的优点，正逐步取代半连续立式浇铸的生产方法。

由于铜镍硅合金中含有高熔点合金元素硅，熔体粘度增大，铜液流动性差，铸造温度不能低于1250℃，但铜镍硅合金具有导热性能差的特性，在较高的铸造温度下由于较大的内应力易产生裂纹缺陷或铸造后锭坯开裂。采用较低的冷却强度和较小的拉铸频率，以保证足够的凝固时间，凝固后的棒坯以较大的牵引长度引出是解决铜镍硅合金铸造性能差的有效方法。

对于需采用淬火时效工艺调整析出相形态的铜合金而言，水封挤压是一种高效节能的加工方法。将变形与固溶过程合二为一，使材料内部组织细密，同时变形促进了第二相的快速溶解。

时效是强化相析出的过程，时效效果及材料的最终性能取决于时效的工艺制度。铜镍硅冷拉棒材应力开裂是高铁用铜镍硅棒材存在的主要质量问题，以时效态供货的棒材可以很好的消除加工过程中产生的残余应力。

中国专利2008-10-22日（公开号：CN 101289716）公开的一种镍硅青铜合金棒材的加工工艺，其中的棒材加工工艺采用：半连续立式浇铸、加热、挤压、拉伸、退火、酸洗、拉伸、光亮退火、精整，制作成铜镍硅合金棒材。其抗拉强度仅为Rm≥240MPa，维氏硬度HV为100～150，延伸率A≥20%，虽延伸率较高，但其强度较低，且存在工艺流程长，成本也较高的不足之处。

中国专利2008-08-25日（公开号：CN 101812612A）公开的一种CY状态的高速电气化铁路用镍硅铜合金棒材或型材，采用熔铸、水封挤压、拉伸、光亮退火的加工艺制成，其力学性能为Rm≥380MPa，维氏硬度HV80～150，延伸率A≥10%，HB≥180。其强度、延性均较低。

在电气化铁路接触网中，用于将接触线吊悬于准确的空中位置，将承力索和其他设备进行可靠的机械和电气连接，需要有大量的铜及铜合金零部件，这些零件与接触线和承力索为同一材质，主要为防止电化学腐蚀，要求材料有较高的机械强度，较好的导电性。目前，我国电气化铁路使用的定位线夹，整体吊悬接触线中心锚结线及承力索中心锚结线夹均采用CuNi₂Si材料。

该合金的主要特点是具有较高的强度，但其一直存在着强度达不到国外同类产品的技术指标及导电率普遍偏低的问题，我国国产接触网零件材料经过淬火时效后 ，材料的强度一般在550MPa，与国外的材料达到的使用指标640MPa还有一定差距，这一方面与材料的热处理工艺有关，同时与材料的微观组织有关。