CN107739875A - 一种阻燃高强高导Cu‑Li‑Al铜锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在1200‑1300度之间阻燃高强高导Cu‑Li‑Al铜锂合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:0.5‑1.5wt.%,Al:1.0‑2.0wt.%,Ca:1.0‑2.0wt.%,Sr:0.5‑0.8wt.%,Mn:0.1‑0.4wt.%,Nb:0.2‑0.6wt.%,Pr:0.1‑0.3wt.%,In:0.2‑0.4wt.%，B:0.1‑0.3wt.%，余量为铜。本专利提供的高强高导铜锂合金可以在大气环境下进行冶炼。通过新颖的材料学设计，合理的筛选出合金元素。通过在铜锂熔体表面形成一层结构致密持久的保护膜，有效地防止在大气状态下熔炼铜锂合金发生燃烧现象。该材料具有高的抗拉强度800‑900MPa，且导电率(%IACS)可以维持在94‑96(传统铜合金小于80)。该合金在大气下感应熔炼，冶炼加工方法简单，生产成本比较低。在保证导电性的同时，也使得合金的强度和使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

Description

一种阻燃高强高导Cu-Li-Al铜锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铜锂合金。

背景技术

铜合金拥有一系列良好的综合性能:较高的导电性能、良好的耐腐蚀性、高弹性模量、高强度、良好的工艺性能、耐海洋污染能力。有的铜合金还有较好的切削性能、耐磨性能。因此广泛应用在许多行业，如船舶配件、阀杆和海底管道等。铜及铜合金在电工及电子等工业部门中占有较重要的地位。由于集成电路、大规模集成电路等的出现，对导电材料铜合金的要求不再仅是其导电性这单一性能，而是要求其性能显著多样化。高强高导铜合金便是这类具有优良综合物理性能和力学性能的代表。它既具有高的强度和良好的塑性，又继承了纯铜的优良导电性能，是制备电阻焊电极、缝焊滚轮、焊炬喷嘴、电气工程开关触桥、发电机的集电环、电枢、转子、电动工具转向器、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、电车及电力火车架空导线等的优良材料。

近几十年高速铁路机车的研制，以及铁路提速成为热点，传统的高强高导铜合金已逐渐不能满足这种要求，目前使用较多的为铜银合金，铜银合金存在成本高、软化温度低、强度有限等系列缺点，因此开发新型的高强、高导、高耐磨、高软化温度的铜锂合金已成为必然。目前国际上铜锂合金主要分为两大类：一类是添加微量锂的铜锂合金，主要用为高强、高导电高耐磨合金；另一类则是添加高含量锂的铜锂合金，主要利用锂对中子的屏蔽效应，用作核反应堆的屏蔽材料。铜锂系合金作为高强高导电材料具有广泛的应用前景。

铜锂合金最大的特点是在冶炼过程中因为铜锂合金熔体容易氧化燃烧，生成疏松的氧化膜和氮化膜。这种不致密的熔体表面化合物膜不能阻止氧气和氮气向熔体表面的扩散，导致了铜锂合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，目前在铜锂合金的冶炼中一般采用氩气保护的方法来进行合金制备，而且冶炼温度在1200度左右。在如此高的温度下，锂由于蒸气压过大导致在冶炼过程中挥发过度，最后合金中剩余的锂含量过低。一般而言，采用氩气保护的方法熔炼的铜锂合金，最终锂的收得率只有10-50wt.%左右。而且该方法不同程度地存在着铸件易产生熔剂夹杂、设备复杂及生产成本高等缺点。因而在急需大规模使用铜锂合金的工业和国防领域，一直存在着现有产量少，工艺繁琐，成本高等急需克服的现状。

寻求更好的冶炼方法成为铜锂合金应用研究和产业化中的关键问题之一。通过合金化的方法达到防止在冶炼过程中铜锂合金熔体的氧化，是解决铜锂合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止锂在熔炼过程中挥发的机理是在合金中添加合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，在合金表面形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化的目的。与氩气保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，提高合金的力学性能与抗腐蚀性能，降低对大气的污染。但是，作为一种结构材料，只具有熔炼时的阻燃和防止锂在熔炼过程中挥发性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终铜锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用铜锂合金的力学性能水平。因而如何在铜锂合金中平衡各种合金元素的含量，制备出在大气环境下阻燃和防止锂在熔炼过程中挥发的铜锂合金，且具备优异的力学性能，是当前铜锂合金一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在1200-1300度大气条件下进行熔炼的高强高导Cu-Li-Al铜锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有铜锂合金的力学性能，和良好的室温塑性和抗氧化性能。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有在1200-1300度之间熔炼的高强高导Cu-Li-Al铜锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 0.5-1.5wt.%,Al:1.0-2.0wt.%,Ca:1.0-2.0wt.%,Sr:0.5-0.8wt.%,Mn:0.1-0.4wt.%, Nb: 0.2-0.6wt.%, Pr:0.1-0.3wt.%,In: 0.2-0.4wt.%，B: 0.1-0.3wt.%，余量为铜。该铜锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在2.0-5.0wt.%左右。

上述铜锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1200-1300度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1200-1300度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为7-10m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为5-10%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：650度，2.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，4.0小时；真空时效处理250度，1.6小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 本发明专利针对目前高温下铜锂合金在熔炼时需要进行氩气保护熔炼的现状提供了一种新颖的保护解决方案。通过优选合金中的主要和次要添加元素，从而有效地防止在熔炼状态下铜锂合金发生燃烧和过量蒸发现象。通过优选的合金化办法，不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的阻燃效果和提高锂收得率，最终产品中锂的含量占初始锂加入量的80-90wt.%左右。

（2） 合金熔炼时，熔体具有静态(熔体的保温和静置)和动态（熔体的搅拌）两种形式。本专利提出的Cu-Li-Al铜锂合金在静态下具有极其优异的阻燃性能，可以达到在1200-1300温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在动态过程中，例如对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，仍能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。所得合金表面氧化膜和氮化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡氮气和氧气侵入合金液内。

（3） 该高强高导Cu-Li-Al铜锂合金在加入锂后，锂具有优异的脱氧除气作用。此外，该合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。

（4） 该高强高导Cu-Li-Al铜锂合金在1200-1300度之间进行搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且该铜锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于5.0wt.%左右。该材料具有高的抗拉强度800-900MPa，且导电率(%IACS)可以维持在94-96(传统材料小于80)。

（5） 冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。在保证具备阻燃性的同时，也使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

具体实施方式

实施例1

一种具有1220度熔炼阻燃高强高导Cu-Li-Al铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.8wt.%,Al:1.4wt.%,Ca:1.6wt.%,Sr:0.5wt.%,Mn:0.2wt.%,Nb:0.4wt.%,Pr:0.2wt.%,In:0.3wt.%，B: 0.2wt.%，余量为铜。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1220度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1220度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为6%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：650度，2.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，4.0小时；真空时效处理250度，1.6小时。该合金在1220度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在2.4wt.%左右。该材料具有高的抗拉强度820MPa，且导电率(%IACS)可以维持在94。

实施例2

一种具有1250度熔炼阻燃高强高导Cu-Li-Al铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为： Li:1.3wt.%,Al:1.2wt.%,Ca:1.9wt.%,Sr:0.6wt.%,Mn:0.3wt.%,Nb:0.2wt.%,Pr:0.2wt.%,In:0.3wt.%，B: 0.2wt.%，余量为铜。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1250度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1250度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为9m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为8%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：650度，2.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，4.0小时；真空时效处理250度，1.6小时。该合金在1220度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在3.6wt.%左右。该材料具有高的抗拉强度825MPa，且导电率(%IACS)可以维持在95。

实施例3

一种具有1280度熔炼阻燃高强高导Cu-Li-Al铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.2wt.%,Al:1.5wt.%,Ca:1.6wt.%,Sr:0.7wt.%,Mn:0.3wt.%,Nb:0.4wt.%,Pr:0.2wt.%,In: 0.3wt.%，B: 0.2wt.%，余量为铜。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚。感应加热到1280度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右。将合金液体在1280度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为7%。每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：650度，2.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，4.0小时；真空时效处理250度，1.6小时。该合金在1280度和5个小时内之间进行大气环境下搅拌，精炼等熔体处理而不发生明显烧损现象，且材料由于蒸发和形成炉渣的原因而导致的原材料损耗率能控制在4.1wt.%左右。该材料具有高的抗拉强度830MPa，且导电率(%IACS)可以维持在96。

Claims (3)

1.一种阻燃高强高导Cu-Li-Al铜锂合金，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为： Li:0.5-1.5wt.%,Al:1.0-2.0wt.%,Ca:1.0-2.0wt.%,Sr:0.5-0.8wt.%,Mn:0.1-0.4wt.%,Nb:0.2-0.6wt.%,Pr:0.1-0.3wt.%,In:0.2-0.4wt.%，B: 0.1-0.3wt.%，余量为铜。

2.根据权利要求1所述阻燃高强高导Cu-Li-Al铜锂合金，其特征在于合金的制备方法包含如下步骤：将如上配比的原料加入到大气环境下的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到1200-1300度，形成合金溶液，并利用电磁效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在1200-1300度保温10分钟浇到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为7-10m/min。

3.根据权利要求1所述阻燃高强高导Cu-Li-Al铜锂合金，其特征在于包含如下加工步骤：将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为5-10%；每3道次轧制需要进行一次中间热处理来消除加工硬化，工艺为：650度，2.5个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理780度，4.0小时；真空时效处理250度，1.6小时。