CN107760915A

CN107760915A - 一种替代铍青铜的Cu‑Li‑Ge铜锂合金

Info

Publication number: CN107760915A
Application number: CN201711114215.6A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2018-03-06

Abstract

一种替代铍青铜的Cu‑Li‑Ge铜锂合金，按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:0.2‑1.6wt.%,Ge:2.0‑3.0wt.%,Sr:2.0‑3.0wt.%,Ce:0.2‑0.4wt.%,Ho:0.2‑0.3wt.%,Pr:0.2‑0.4wt.%，V:0.6‑0.8wt.%，S:0.8‑2.6wt.%,余量为铜。该材料具有优异的力学性能和导电性能。弹性模量：125‑138GPa；屈服强度：950‑1080MPa；抗拉强度：1100‑1200MPa；延伸率：4‑10%；导电率（%IACS）:50‑80,而传统铍青铜为18‑25。

Description

一种替代铍青铜的Cu-Li-Ge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

铍是钢灰色金属，比常用的铝和钛都轻，但强度是钢的4倍。现在有许多超音速飞机的制动装置是用铍来制造的，因为它有极好的吸热、散热的性能，刹车时产生的热量很快就会散失。铜比钢铁要软得多，弹性和抵抗腐蚀的能力也不强。但是铜合金中加进1-3.5wt.％的铍后，铜合金的性能发生了显著的变化。铍青铜是铜合金中性能最优良的弹性合金之一，具有良好的导热、导电、无磁性、弹性滞后小。铍青铜合金用于制造在高温下工作的弹簧，此种弹簧在红热状态下仍保持良好的弹性和韧性，可以压缩几亿次以上。铍青铜可以制作电子接插件触点、开关触点、关键零部件如膜盘、膜片、波纹管、弹簧垫圈、微电机电刷及整流子、电插接件、钟表零件、音频元件等，广泛应用于仪表、仪器、计算机、汽车、家电等工业中。铍青铜易于焊接和钎焊，在大气、淡水和海水中耐腐蚀性极好，被用来制造深海探测器和海底电缆。含镍的铍青铜有一个非常可贵的特点，就是受到撞击的时候不会产生火花。这个特点对制作军工、石油、矿山专用的工具至关重要。

但由于铍对人的健康和环境具有严重的损害作用，且铍青铜合金的热处理工艺复杂和实际生产难度大，使其只应用于特殊领域。国外己经开发的新型无铍弹性铜合金的导电率太低，均没能超过50%IACS，不能满足现代元器件对导电率的要求。锂作为合金化元素加入铜合金中可以大大提高铜合金的弹性性能和耐高温软化性能。开发新型高强、高导、高耐磨、高软化温度的铜锂合金已成为必然。

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10-30wt.%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。因此使铜锂合金的研制、开发与应用受到了限制。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，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，是当前铜锂合金的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-Ge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-Ge铜锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 0.2-1.6wt.%, Ge: 2.0-3.0wt.%,Sr: 2.0-3.0wt.%,Ce: 0.2-0.4wt.%,Ho: 0.2-0.3wt.%, Pr: 0.2-0.4wt.%，V: 0.6-0.8wt.%，S: 0.8-2.6wt.%,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分钟浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造，铸锭下移速度为8-12m/min。将铸锭在室温下进行变形处理，每道次的轧下量为10-20%；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：620度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理740度，5.6小时；真空时效处理250度，2.9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大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进。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-Ge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，有效阻挡大气侵入合金液内。

（3）该高强高导Cu-Li-Ge铜锂合金在加入锂后，由于锂具有优异的脱氧除气作用，从而使晶粒得到细化。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Cu-Li-Ge铜锂合金在时效后具有优异的力学性能和导电性能。弹性模量：125-138GPa；屈服强度：950-1080MPa；抗拉强度：1100-1200MPa；延伸率：4-10%；导电率（%IACS）:50-80,而传统铍青铜为18-25。弹性滞后小，并具有优异的耐腐蚀性能：在海水中的腐蚀速度小于1.1×10^-2mm/年。可以在海水中服役40年以上，是海底电缆构体不可替代的材料。

（5）该高强高导Cu-Li-Ge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。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和高温下力学性能有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

具体实施方式

实施例1

一种具有1240度熔炼阻燃高强高导Cu-Li-Ge铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:0.9wt.%,Ge:2.4wt.%,Sr: 2.3wt.%,Ce:0.3wt.%,Ho:0.2wt.%,Pr:0.3wt.%，V:0.7wt.%，S: 1.3wt.%,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1240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1240度保温10分钟浇铸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12%。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：620度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理740度，5.6小时；真空时效处理250度，2.9小时。该合金在1240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2.6wt.%左右。该Cu-Li-Ge铜锂合金在时效后具有优异的力学性能和导电性能。弹性模量：129GPa；屈服强度：1020MPa；抗拉强度：1158MPa；延伸率：6.3%；导电率（%IACS）:59,而传统铍青铜为18-25。弹性滞后小，并具有优异的耐腐蚀性能：在海水中的腐蚀速度小于1.1×10^-2mm/年。可以在海水中服役40年以上，是海底电缆构体不可替代的材料。

实施例2

一种具有1250度熔炼阻燃高强高导Cu-Li-Ge铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:1.3wt.%,Ge:2.6wt.%,Sr: 2.1wt.%,Ce:0.3wt.%,Ho:0.2wt.%,Pr:0.2wt.%，V:0.7wt.%，S: 1.3wt.%,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分钟浇铸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12%。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：620度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理740度，5.6小时；真空时效处理250度，2.9小时。该合金在1250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3.7wt.%左右。该Cu-Li-Ge铜锂合金在时效后具有优异的力学性能和导电性能。弹性模量：132GPa；屈服强度：984MPa；抗拉强度：1148MPa；延伸率：4.9%；导电率（%IACS）:63,而传统铍青铜为18-25。弹性滞后小，并具有优异的耐腐蚀性能：在海水中的腐蚀速度小于1.1×10^-2mm/年。可以在海水中服役40年以上，是海底电缆构体不可替代的材料。

实施例3

一种具有1270度熔炼阻燃高强高导Cu-Li-Ge铜锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li:0.6wt.%,Ge:2.4wt.%,Sr: 2.5wt.%,Ce:0.3wt.%,Ho:0.2wt.%,Pr:0.3wt.%，V:0.6wt.%，S: 1.3wt.%,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1270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1270度保温10分钟浇铸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12%。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：620度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理740度，5.6小时；真空时效处理250度，2.9小时。该合金在1270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4.2wt.%左右。该Cu-Li-Ge铜锂合金在时效后具有优异的力学性能和导电性能。弹性模量：129GPa；屈服强度：1020MPa；抗拉强度：1168MPa；延伸率：7.3%；导电率（%IACS）:63,而传统铍青铜为18-25。弹性滞后小，并具有优异的耐腐蚀性能：在海水中的腐蚀速度小于1.1×10^-2mm/年。可以在海水中服役40年以上，是海底电缆构体不可替代的材料。

Claims

1.一种替代铍青铜的Cu-Li-Ge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:0.2-1.6wt.%,Ge:2.0-3.0wt.%,Sr: 2.0-3.0wt.%,Ce: 0.2-0.4wt.%,Ho: 0.2-0.3wt.%,Pr: 0.2-0.4wt.%，V: 0.6-0.8wt.%，S: 0.8-2.6wt.%,余量为铜。

2.根据权利要求1所述替代铍青铜的Cu-Li-Ge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8-12m/min。

3.根据权利要求1所述替代铍青铜的Cu-Li-Ge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10-20%；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：620度，3.8个小时；轧制后的最终热处理工艺为：真空固溶处理740度，5.6小时；真空时效处理250度，2.9小时。