CN107119205A - 一种替代铍青铜的铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种替代铍青铜的铜合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种替代铍青铜的铜合金材料，其由以下重量百分数的组分组成：镍3‑8％，锡0.5‑1.5％，铝8‑14％，锰0.05‑1％，镀镍碳化硅0.1‑0.5％，铁0.1‑0.5％，磷0.05‑0.5％，余量为铜。本发明还公开了一种替代铍青铜的铜合金材料的制备方法。本发明将铜镍合金材料与铝锡合金材料完全融合，形成相应的多元合金相，使该合金相达到替代铍‑铜合金中的铍元素所需的强度；并且在合金中添加锰、碳化硅、磷等其他微量元素，利用多个微量元素的作用结合相应的轧制及盐水淬火工艺，从而使替代铍青铜的铜合金材料的屈服强度大于1000MPa。因此本发明在实现替代有毒的铍元素的同时，又提高了替代铍青铜的铜合金材料的性能，从而实现完全替代铍青铜的目标。

Description

一种替代铍青铜的铜合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铜合金技术领域，特别涉及一种替代铍青铜的铜合金材料及其制备方法。
背景技术
铜铍合金熔合而成的铍青铜具有优越的性能，比如其屈服强度能高于 965MPa，因此被广泛应用于航空航天领域的衬套等高端产品零部件。然而，因为铍具有一定的毒性，人体一旦吸入相应计量的其粉尘，将会引起致命性的肺部疾病，因此美国职业安全与健康管理局呼吁减少铍的使用量。工业生产当中，现有的几种材料如铝青铜的屈服强度为431MPa，铜- 镍-锡合金屈服强度为724MPa，这些材料的性能都不能够达到铍青铜的程度，应此一直不能够作为铍青铜的替代材料。因此，可完全替代铍青铜的材料将是未来的一种趋势并能够在市场中占据优势。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种替代铍青铜的铜合金材料及其制备方法，解决市场对铍青铜替代材料的需求，进而解决因为铍的使用而对人体产生的危害。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种替代铍青铜的铜合金材料，由以下重量百分数的组分组成：镍 3-8％，锡0.5-1.5％，铝8-14％，锰0.05-1％，镀镍碳化硅0.1-0.5％，铁 0.1-0.5％，磷0.05-0.5％，余量为铜。
进一步地，一种替代铍青铜的铜合金材料，由以下重量百分数的组分组成：镍3％，锡0.5％，铝8％，锰0.05％，镀镍碳化硅0.1％，铁0.1％，磷0.05％，余量为铜。
进一步地，一种替代铍青铜的铜合金材料，由以下重量百分数的组分组成：镍8％，锡1.5％，铝14％，锰1％，镀镍碳化硅0.5％，铁0.5％，磷0.5％，余量为铜。
进一步地，一种替代铍青铜的铜合金材料，由以下重量百分数的组分组成：镍5％，锡1％，铝11％，锰0.45％，镀镍碳化硅0.3％，铁0.3％，磷0.25％，余量为铜。
进一步地，锰、磷、铁和镀镍碳化硅都弥散均布在铜合金材料中并呈颗粒状，颗粒的粒径为100μm-150μm。
进一步地，一种上述的铜合金材料的制备方法，包括：
(1)按照所需配比制备铜镍合金溶液，并在1000℃-1050℃将铜镍合金溶液保温0.5-1小时；
(2)按照所需配比制备铝锡合金溶液，并在700℃-750℃将铝锡合金溶液保温0.5-1小时；
(3)将保温完成的铝锡合金溶液添加到保温完成的铜镍合金中，进行搅拌之后升温至1200℃-1250℃；
(4)按照所需配比将粒径均为100μm-150μm的锰、磷、铁和镀镍碳化硅粉末颗粒混合均匀后添加到(3)得到的混合好的合金溶液中，进行搅拌使其完全均匀分散到混合好的合金溶液中，然后在1200℃-1250℃保温0.5-1小时；
(5)对(4)得到的混有粉末颗粒的合金溶液进行成分检验，以确定其中各组份在所需范围之内；
(6)采用连续铸造的方式将经(5)检验合格的混有粉末颗粒的合金溶液铸造成铜合金锭，并在600℃-650℃下对铜合金锭回火处理1.5-2小时；
(7)将铜合金锭轧制成需要的规格，并在400℃-450℃对轧制完成后的铜合金材料回火处理1.5-2小时，然后将处理完成后的铜合金材料放入浓度为5％-15％的盐水中冷却，制得替代铍青铜的铜合金材料。
进一步地，制备铜镍合金溶液的方法为：按照配比将电解铜﹑镍﹑锡置于工频电炉内，加热至1100℃-1150℃，熔炼2.5-3小时，得到完全熔化的铜镍合金溶液。
进一步地，制备铝锡合金溶液的方法为：按照配比将铝锭﹑锡置于工频电炉内，加热至750℃-800℃，熔炼1.5-2小时，得到完全熔化的铝锡合金溶液。
进一步地采用石墨棒进行(3)中的搅拌和(4)中的搅拌。
进一步地，采用六辊轧机进行(7)中的轧制。
由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益技术效果：
本发明将铜镍合金材料与铝锡合金材料完全融合，形成相应的多元合金相，使该合金相达到替代铍-铜合金中的铍元素所需的强度；并且在合金中添加锰、碳化硅、磷等其他微量元素，利用多个微量元素的作用结合相应的轧制及盐水淬火工艺，从而使替代铍青铜的铜合金材料的屈服强度大于1000MPa。因此本发明在实现替代有毒的铍元素的同时，又提高了替代铍青铜的铜合金材料的性能，从而实现完全替代铍青铜的目标。
具体实施方式
为了本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，为本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种替代铍青铜的铜合金材料，由以下重量百分数的组分组成：镍 3％，锡0.5％，铝8％，锰0.05％，镀镍碳化硅0.1％，铁0.1％，磷0.05％，余量为铜。其中锰、磷、铁和镀镍碳化硅都弥散均布在铜合金材料中并呈颗粒状，颗粒的粒径为100μm-150μm。
在本实施例中上述替代铍青铜的铜合金材料通过以下方法制得：
(1)制备铜镍合金溶液：按照配比将电解铜﹑镍﹑锡置于工频电炉内，加热至1100℃，熔炼3小时，得到完全熔化的铜镍合金溶液，并在 1000℃将铜镍合金溶液保温1小时；
(2)制备铝锡合金溶液：按照配比将铝锭﹑锡置于工频电炉内，加热至750℃，熔炼2小时，得到完全熔化的铝锡合金溶液，并在700℃将铝锡合金溶液保温1小时；
(3)将保温完成的铝锡合金溶液添加到保温完成的铜镍合金中，用石墨棒进行搅拌之后升温至1200℃；
(4)按照所需配比将粒径均为100μm-150μm的锰、磷、铁和镀镍碳化硅粉末颗粒混合均匀后添加到步骤(3)得到的混合好的合金溶液中，用石墨棒进行搅拌使其完全均匀分散到混合好的合金溶液中，然后在 1200℃保温1小时，该保温过程也在工频电炉中进行；
(5)从工频电炉中取出步骤(4)得到的混有粉末颗粒的合金溶液的样品，用德国进口斯派克直读光谱仪对其进行成分检验，以确定其中各组分在所需范围之内；
(6)采用连续铸造的方式将经步骤(5)检验合格的混有粉末颗粒的合金溶液铸造成铜合金锭，并在600℃下对该铜合金锭回火处理2小时，该回火处理在厢式退火炉中进行；
(7)用六辊轧机将铜合金锭轧制成需要的规格，并在400℃对轧制完成后的铜合金材料回火处理2小时，该回火处理也在厢式退火炉中进行，然后将处理完成后的铜合金材料放入浓度为5％的盐水中冷却，制得替代铍青铜的铜合金材料。
按照相关需求，对冷却完成后的替代铍青铜的铜合金材料进行探伤机矫直，并按照需要的长度切割并包装入库。
在上述方法中，步骤(4)中的锰、铁和磷是采用研磨的方式进行粉末化处理后制得的，镀镍碳化硅颗粒是将碳化硅粉末化处理后再经镀镍处理后制得的。
实施例2
一种替代铍青铜的铜合金材料，由以下重量百分数的组分组成：镍 8％，锡1.5％，铝14％，锰1％，镀镍碳化硅0.5％，铁0.5％，磷0.5％，余量为铜。其中锰、磷、铁和镀镍碳化硅都弥散均布在铜合金材料中并呈颗粒状，颗粒的粒径为100μm-150μm。
在本实施例中上述替代铍青铜的铜合金材料通过以下方法制得：
(1)制备铜镍合金溶液：按照配比将电解铜﹑镍﹑锡置于工频电炉内，加热至1150℃，熔炼3小时，得到完全熔化的铜镍合金溶液，并在 1050℃将铜镍合金溶液保温0.5小时；
(2)制备铝锡合金溶液：按照配比将铝锭﹑锡置于工频电炉内，加热至800℃，熔炼2小时，得到完全熔化的铝锡合金溶液，并在700℃将铝锡合金溶液保温1小时；
(3)将保温完成的铝锡合金溶液添加到保温完成的铜镍合金中，用石墨棒进行搅拌之后升温至1200℃；
(4)按照所需配比将粒径均为100μm-150μm的锰、磷、铁和镀镍碳化硅粉末颗粒混合均匀后添加到步骤(3)得到的混合好的合金溶液中，用石墨棒进行搅拌使其完全均匀分散到混合好的合金溶液中，然后在 1200℃保温45分钟，该保温过程也在工频电炉中进行；
(5)从工频电炉中取出步骤(4)得到的混有粉末颗粒的合金溶液的样品，用德国进口斯派克直读光谱仪对其进行成分检验，以确定其中各组分在所需范围之内；
(6)采用连续铸造的方式将经步骤(5)检验合格的混有粉末颗粒的合金溶液铸造成铜合金锭，并在650℃下对该铜合金锭回火处理2小时，该回火处理在厢式退火炉中进行；
(7)用六辊轧机将铜合金锭轧制成需要的规格，并在450℃对轧制完成后的铜合金材料回火处理2小时，该回火处理也在厢式退火炉中进行，然后将处理完成后的铜合金材料放入浓度为10％的盐水中冷却，制得替代铍青铜的铜合金材料。
按照相关需求，对冷却完成后的替代铍青铜的铜合金材料进行探伤机矫直，并按照需要的长度切割并包装入库。
在上述方法中，步骤(4)中的锰、铁和磷是采用研磨的方式进行粉末化处理后制得的，镀镍碳化硅颗粒是将碳化硅粉末化处理后再经镀镍处理后制得的。
实施例3
一种替代铍青铜的铜合金材料，由以下重量百分数的组分组成：镍 5％，锡1％，铝11％，锰0.45％，镀镍碳化硅0.3％，铁0.3％，磷0.25％，余量为铜。其中锰、磷、铁和镀镍碳化硅都弥散均布在铜合金材料中并呈颗粒状，颗粒的粒径为100μm-150μm。
在本实施例中上述替代铍青铜的铜合金材料通过以下方法制得：
(1)制备铜镍合金溶液：按照配比将电解铜﹑镍﹑锡置于工频电炉内，加热至1150℃，熔炼2.5小时，得到完全熔化的铜镍合金溶液，并在 1050℃将铜镍合金溶液保温0.5小时；
(2)制备铝锡合金溶液：按照配比将铝锭﹑锡置于工频电炉内，加热至800℃，熔炼1.5小时，得到完全熔化的铝锡合金溶液，并在750℃将铝锡合金溶液保温0.5小时；
(3)将保温完成的铝锡合金溶液添加到保温完成的铜镍合金中，用石墨棒进行搅拌之后升温至1250℃；
(4)按照所需配比将粒径均为100μm-150μm的锰、磷、铁和镀镍碳化硅粉末颗粒混合均匀后添加到步骤(3)得到的混合好的合金溶液中，用石墨棒进行搅拌使其完全均匀分散到混合好的合金溶液中，然后在 1250℃保温0.5小时，该保温过程也在工频电炉中进行；
(5)从工频电炉中取出步骤(4)得到的混有粉末颗粒的合金溶液的样品，用德国进口斯派克直读光谱仪对其进行成分检验，以确定其中各组分在所需范围之内；
(6)采用连续铸造的方式将经步骤(5)检验合格的混有粉末颗粒的合金溶液铸造成铜合金锭，并在650℃下对该铜合金锭回火处理1.5小时，该回火处理在厢式退火炉中进行；
(7)用六辊轧机将铜合金锭轧制成需要的规格，并在450℃对轧制完成后的铜合金材料回火处理1.5小时，该回火处理也在厢式退火炉中进行，然后将处理完成后的铜合金材料放入浓度为15％的盐水中冷却，制得替代铍青铜的铜合金材料。
按照相关需求，对冷却完成后的替代铍青铜的铜合金材料进行探伤机矫直，并按照需要的长度切割并包装入库。
在上述方法中，步骤(4)中的锰、铁和磷是采用研磨的方式进行粉末化处理后制得的，镀镍碳化硅颗粒是将碳化硅粉末化处理后再经镀镍处理后制得的。
本发明的替代铍青铜的铜合金材料与铍青铜的力学性能对比结果如下表所示：
表1本发明的铜合金材料与铍青铜的力学性能对比结果
屈服强度/MPa
实施例1 1010
实施例2 1020
实施例3 1000
铍青铜 965
通过表1的数据可以看出，本发明在实现替代有毒的铍元素的同时，又提高了替代铍青铜的铜合金材料的性能，从而实现完全替代铍青铜的目标。
以上所述实施仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种替代铍青铜的铜合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：镍3-8％，锡0.5-1.5％，铝8-14％，锰0.05-1％，镀镍碳化硅0.1-0.5％，铁0.1-0.5％，磷0.05-0.5％，余量为铜。
2.如权利要求1所述的铜合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：镍3％，锡0.5％，铝8％，锰0.05％，镀镍碳化硅0.1％，铁0.1％，磷0.05％，余量为铜。
3.如权利要求1所述的铜合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：镍8％，锡1.5％，铝14％，锰1％，镀镍碳化硅0.5％，铁0.5％，磷0.5％，余量为铜。
4.如权利要求1所述的铜合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：镍5％，锡1％，铝11％，锰0.45％，镀镍碳化硅0.3％，铁0.3％，磷0.25％，余量为铜。
5.如权利要求1-4任一项所述的铜合金材料，其特征在于，所述锰、所述磷、所述铁和所述镀镍碳化硅都弥散均布在所述铜合金材料中并呈颗粒状，所述颗粒的粒径为100μm-150μm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)按照所需配比制备铜镍合金溶液，并在1000℃-1050℃将所述铜镍合金溶液保温0.5-1小时；
(2)按照所需配比制备铝锡合金溶液，并在700℃-750℃将所述铝锡合金溶液保温0.5-1小时；
(3)将保温完成的所述铝锡合金溶液添加到保温完成的所述铜镍合金中，进行搅拌之后升温至1200℃-1250℃；
(4)按照所需配比将粒径均为100μm-150μm的锰、磷、铁和镀镍碳化硅粉末颗粒混合均匀后添加到步骤(3)得到的混合好的合金溶液中，进行搅拌使其完全均匀分散到所述混合好的合金溶液中，然后在1200℃-1250℃保温0.5-1小时；
(5)对步骤(4)得到的混有粉末颗粒的合金溶液进行成分检验，以确定其中各组分在所需范围之内；
(6)采用连续铸造的方式将经步骤(5)检验合格的所述混有粉末颗粒的合金溶液铸造成铜合金锭，并在600℃-650℃下对所述铜合金锭回火处理1.5-2小时；
(7)将所述铜合金锭轧制成需要的规格，并在400℃-450℃对轧制完成后的铜合金材料回火处理1.5-2小时，然后将处理完成后的所述铜合金材料放入浓度为5％-15％的盐水中冷却，制得替代铍青铜的铜合金材料。
7.如权利要求6所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备铜镍合金溶液的方法为：按照配比将电解铜﹑镍置于工频电炉内，加热至1100℃-1150℃，熔炼2.5-3小时，得到完全熔化的铜镍合金溶液。
8.如权利要求6所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于，制备铝锡合金溶液的方法为：按照配比将铝锭﹑锡置于工频电炉内，加热至750℃-800℃，熔炼1.5-2小时，得到完全熔化的铝锡合金溶液。
9.如权利要求6所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于，采用石墨棒进行所述步骤(3)中的搅拌和所述步骤(4)中的搅拌。
10.如权利要求6所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于，采用六辊轧机进行所述步骤(7)中的轧制。
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