[发明专利]一种高强度高弹性Cu‑Ni‑Mn合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金及其制备方法，属于铜合金材料技术领域。 

背景技术

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、成本低等性能特点。Cu-Ni-Mn合金是析出强化型合金，其热处理敏感性较低，固溶加热后在空气中冷却即可。在时效处里过程中，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。有研究表明，Cu-Ni-Mn合金的时效过程存在一个临界温度，低于这一温度时，更容易在晶界上优先形成析出相，高于这一温度时则更易获得均匀分布的析出相。对于这种合金的时效强化效应和工艺，已有很多研究见诸报道。但是，对于析出相的组成、形成过程、强化机理等方面，仍然没有明确和统一的认识。 

发明内容

本发明基于Cu-Ni-Mn合金的成分特点，在大量基础研究的指导下，通过采用微合金化并控制Ni/Mn比的方法，改善Cu-Ni-Mn合金的时效析出相的析出形式、分布规律，并且细化析出相，从而获得更高强度的合金。同时，本发明中还描述了基于冷轧+时效的进一步提高合金强度的工艺方法。 

本发明提供了一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金及其制备方法，具体涉及通过添加Zr、Co等微合金元素，控制Ni/Mn比为0.8-1.2，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，并且结合冷变形+时效工艺，获得一种高强度高弹性的Cu-Ni-Mn合金。 

一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金，该合金的主要成分为：Cu元素为46-73wt%，Ni元素为13-26wt%，Mn元素为13-26wt%，Zr元素为0.5-1.0wt%，Co元素为0.5-1.0wt%，其中Ni/Mn（重量比）为0.8-1.2。 

经过冷变形及时效处理后，该合金的屈服强度可达1000-1200MPa，拉伸强度可达1100-1500MPa，弹性模量可达132-140GPa。 

本发明还提供了上述高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，通过添加Zr、Co微合金元素，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，获得高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金。 

一种高强度高弹性Cu-Ni-Mn合金的制备方法，其具体工艺步骤包括： 

（1）坯料熔铸：以纯度大于99.9%的纯镍、纯锆、纯钴、纯锰金属为原料，按照主要成分：Cu元素为46-73wt%，Ni元素为13-26wt%，Mn元素为13-26wt%，Zr元素为0.5-1.0wt%，Co元素为0.5-1.0wt%，Ni/Mn为0.8-1.2，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，在金属模中浇铸成合金坯料； 

（2）变形工艺：将合金坯料进行总变形量为80-90%的热轧变形；热轧后的合金再进行固溶处理； 

（3）固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行冷轧变形，总变形量为70-80%，获得厚度为1-3mm的冷轧合金板； 

（4）时效热处理：将固溶处理并且冷轧后的合金板加热到400-450℃，保温5-10h，空冷至室温。 

步骤（1）中，进行熔炼时，需要在1250-1300℃下保温15-20min，以确保其中的溶质原子充分溶解并且扩散均匀；合金坯料的厚度为50mm，宽为80-100mm。 

步骤（2）中，首先将合金坯料加热到650-700℃下保温2-4h，使各溶质元素充分扩散均匀，随后在该温度下进行总变形量为80-90%的热轧变形；固溶处理为将热轧后的合金再加热到600-650℃，保温2h，空冷至室温。 

步骤（3）中，固溶处理后的合金经过表面清理，在室温下进行8-10道次的冷轧变形。 

本发明的优点： 

1）采用控制Ni/Mn比例以及添加Zr、Co微量元素，控制Ni/Mn比为0.8-1.2，细化时效析出相，改善合金时效析出相的分布，减少晶界上的不连续析出相，从而提高合金的强度； 

2）由于本发明中所涉及的Cu-Ni-Mn合金溶质元素含量较高，本发明还提供了冷变形+时效的制备方法，以进一步改善析出相的分布，缩短时效处理的时间；