CN107779652A

CN107779652A - 具有优异压铸性能的铜铪合金及其加工工艺

Info

Publication number: CN107779652A
Application number: CN201711386102.1A
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: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-03-09

Abstract

本发明公开了一种具有优异压铸性能的铜铪合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的化学成分为：Hf:0.5‑0.9wt.%,Li:0.4‑0.6wt.%,Ba:0.8‑1.2wt.%,Y:0.4‑0.8wt.%,Sn:0.9‑1.2wt.%,Ge:0.4‑0.5wt.%,Ho:0.4‑0.7wt.%，B:0.2‑0.6wt.%，余量为铜。相对于传统铜合金，该材料具有优异的铸造性能和导电性能。

Description

具有优异压铸性能的铜铪合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铜合金。

背景技术

铜及铜合金由于具有一系列的优良性能:电导率与热导率高、耐腐蚀性能强、加工成型性能好、强度适中等，在国民经济的各个部门获得了广泛的应用，成为仅次于钢铁、铝的第三大金属。与其它金属相比，铜及铜合金的主要特点是导电和导热性好，在大气、海水和许多介质中抗蚀性好，并有高的强度、耐蚀性和优良的塑性，适于用各种塑性加工和铸造方法生产各种产品，易于压力加工成线、棒、板、带、管等各种半成品和零件。由于优异的导热、导电性能，铜广泛的在航空、航天、电子及日用生活领域用作各种导线电缆、电气开关、接头端子等导电器材和冷凝器、散热器、热交换器、结晶器等热交换器材。是航天航空、能源、造船、石油化工、海洋工程和机械制造等工业部门不可缺少的关键材料。

铜合金中加进适量的铪和钡后性能发生了显著的变化。铜铪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。铜铪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。铜铪易于焊接和钎焊，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。铜铪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。

人们不断追求合金成本，材料性能和加工性能的最佳组合的来满足日益提升的要求。目前，在欧美、日本等发达国家已经通过几十年的努力对铜合金材料进行了多方位的创新。我国所需要的高端铜合金也多从德国，瑞典等发达国家进口。国外己经开发的新型铜合金材料的力学和其它性能还不能令人满意，不能完全满足现代工业的要求。开发具备特殊性能铜合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成铜基复合材料。铪和钡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铸造性能。由于铪和钡具有化学性质活泼、在空气中易燃烧等特点，因此直接在铜及铜合金的熔炼过程中加入非常困难，烧损率太大，这是限制铪和钡在铜及铜合金中广泛应用的重要因素之一。

含铪和钡铜合金最大的特点是在冶炼过程中因为合金熔体中的铪和钡容易氧化燃烧，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，导致了铜合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，目前在含铪和钡铜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，铪和钡由于蒸气压过大导致在冶炼过程中挥发过度，最后合金中剩余的铪和钡含量过低。一般而言，采用氩气保护的方法熔炼的含铪和钡铜合金，最终铪和钡的收得率只有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。因此使含铪和钡铜合金的研制、开发与应用受到了限制。在急需大规模使用含铪和钡铜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含铪和钡铜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含铪和钡铜合金熔体的氧化，是解决含铪和钡铜合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止铪和钡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铪和钡在熔炼过程中挥发性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终含铪和钡铜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合金的力学性能水平。因而如何在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铪和钡在熔炼过程中挥发的铜合金，且具备优异的力学性能，是当前含铪和钡铜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具有优异压铸性能的铜铪合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有现有铜合金的力学性能，优异的铸造性能和高的导电性能。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度之间熔炼的具有优异压铸性能的铜铪合金及其加工工艺。按重量百分比计，合金的组成为：Hf:0.5-0.9wt.%, Li:0.4-0.6wt.%,Ba:0.8-1.2wt.%,Y:0.4-0.8wt.%,Sn:0.9-1.2wt.%,Ge:0.4-0.5wt.%,Ho:0.4-0.7wt.%，B:0.2-0.6wt.%，余量为铜。该铜铪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1.0-3.0wt.%左右。

上述铜铪合金的制备方法，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10-14m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铜合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理670度，4.6小时；真空时效处理250度，2.8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铪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铪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合金收得率。

（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。本专利提出的铜铪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。且该铜铪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3.0wt.%左右。

（3）该铜铪合金在加入钡后，使晶粒得到细化。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。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）该铜铪合金加工性能十分优良，切削速度可以是铸铁的3-5倍，刀具寿命得到延长，且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为1mm的铸件，可铸出直径为0.3mm左右的小孔。

（5）该铜铪合金在时效后具有优异的力学性。弹性模量：130-140GPa；屈服强度：900-1030MPa；抗拉强度：1100-1200MPa；延伸率：4-10%。且导电率(%IACS)可以维持在98-105(传统材料小于80)。

具体实施方式

实施例1

一种1240度熔炼具有优异压铸性能的铜铪合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Hf:0.8wt.%,Li: 0.5wt.%,Ba:0.9wt.%,Y:0.6wt.%,Sn:1.0wt.%,Ge:0.4wt.%,Ho:0.6wt.%，B:0.5wt.%，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10m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铜合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理670度，4.6小时；真空时效处理250度，2.8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2.4wt.%左右。该铜铪合金在时效后具有优异的力学性。弹性模量：138GPa；屈服强度：960MPa；抗拉强度：1149MPa；延伸率：5.2%。且导电率(%IACS)可以维持在102(传统材料小于80)。

实施例2

一种1250度熔炼具有优异压铸性能的铜铪合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Hf:0.8wt.%,Li: 0.5wt.%,Ba:1.1wt.%,Y:0.6wt.%,Sn:1.0wt.%,Ge:0.4wt.%,Ho:0.6wt.%，B:0.5wt.%，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12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铜合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理670度，4.6小时；真空时效处理250度，2.8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2.6wt.%左右。该铜铪合金在时效后具有优异的力学性。弹性模量：136GPa；屈服强度：973MPa；抗拉强度：1168MPa；延伸率：5.2%。且导电率(%IACS)可以维持在102(传统材料小于80)。

实施例3

一种1270度熔炼具有优异压铸性能的铜铪合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Hf:0.6wt.%,Li: 0.5wt.%,Ba:0.9wt.%,Y:0.7wt.%,Sn:0.9wt.%,Ge:0.4wt.%,Ho:0.6wt.%，B:0.5wt.%，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12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铜合金铸件。这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理670度，4.6小时；真空时效处理250度，2.8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2.9wt.%左右。该铜铪合金在时效后具有优异的力学性。弹性模量：135GPa；屈服强度：943MPa；抗拉强度：1146MPa；延伸率：6.3%。且导电率(%IACS)可以维持在101(传统材料小于80)。

Claims

1.一种具有优异压铸性能的铜铪合金及其加工工艺，其特征在于按重量百分比计，合金的化学成分为：Hf: 0.5-0.9wt.%, Li: 0.4-0.6wt.%,Ba:0.8-1.2wt.%,Y:0.4-0.8wt.%,Sn:0.9-1.2wt.%,Ge:0.4-0.5wt.%,Ho:0.4-0.7wt.%，B:0.2-0.6wt.%，余量为铜。

2.根据权利要求1所述具有优异压铸性能的铜铪合金，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10-14m/min。

3.根据权利要求1所述具有优异压铸性能的铜铪合金，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铜合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理670度，4.6小时；真空时效处理250度，2.8小时。