CN107805733B - 一种多元高导铍青铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多元高导铍青铜合金及其制备方法，属于铜基合金材料技术领域。本发明的多元高导铍青铜合金的制备方法，包括以下步骤：1)对铍青铜合金铸坯进行塑性加工，控制塑性加工的变形量为85～95％，得到塑性加工料；2)将步骤1)得到的塑性加工料进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理过程中，塑性加工料从出炉到下水的时间不超过5s。采用本发明的制备方法得到的多元高导铍青铜合金，具有优良力学性能和导电导热性能的多元高导铍青铜合金，其导电率≥70％IACS，导热率≥270W·(m·K)^‑1，室温抗拉强度≥550MPa，延伸率≥4％。

Description

一种多元高导铍青铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多元高导铍青铜合金及其制备方法，属于铜基合金材料技术领域。

背景技术

铍青铜作为典型的时效析出强化型铜合金，是双辊连续铸轧铝板坯用辊套和航空航天级高端电连接器用接插件的首选材料，要求其兼具优良的电学性能、热学性能和一定的力学性能。目前，国内外开发的铍青铜主要集中在Be含量1.6-2.0wt.％的高强铍青铜，强度硬度高，但导电导热性能差(导电率≤30％IACS，导热率≤130W·(m·K)^-1)，不能满足上述工况要求。同时，由于Be元素及其氧化物有毒，污染环境，要求Be含量越低越好，降低Be含量会导致强度硬度大幅下降，而导电导热性能显著提高。因此，在最大限度降低Be含量满足铸轧辊和接插件材料基本力学性能的前提下，如何开发出具有更高导电导热性能的新型低铍高导铍青铜合金，对于满足上述要求良好热/电传导性能的领域应用具有重要意义。

现有技术中，申请公布号为CN102876918A的中国发明专利申请公开了一种高拉速连铸机结晶器铜板母材Cu-Co-Be合金及其制备工艺，该高拉速连铸结晶器铜板母材Cu-Co-Be合金，含有1.4～1.6％质量的金属钴，0.2～0.3％质量的金属铍，98.1～98.4％质量的金属铜；该高拉速连铸结晶器铜板材Cu-Co-Be合金的制备工艺：将经过真空熔炼和真空浇注得到Cu-Co-Be合金的铸坯确定锻造变形方向后进行热锻，然后进行冷轧得到Cu-Co-Be合金板材，再将得到的Cu-Co-Be合金板材依次进行固溶处理和时效处理，即得。上述制备工艺得到的高拉速连铸机结晶器铜板母材Cu-Co-Be合金强度高、硬度高、耐磨性能优越，但是导电率低，难以满足性能需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多元高导铍青铜合金的制备方法，制得的合金材料同时具有较高强度的同时还具有良好的导电性能。

本发明还提供了一种采用上述制备方法得到的多元高铍青铜合金。

为了实现以上目的，本发明的多元高导铍青铜合金的制备方法所采用的技术方案是：

一种多元高导铍青铜合金的制备方法，包括以下步骤：

1)对铍青铜合金铸坯进行塑性加工，控制塑性加工的变形量为85～95％，得到塑性加工料；所述铍青铜合金铸坯由以下质量百分比的组分组成：Be 0.2～0.6％，Co 0.2～1.5％，余量为Cu和不可避免的杂质；

2)将步骤1)得到的塑性加工料进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理过程中，塑性加工料从出炉到下水的时间不超过5s。

本发明的多元高导铍青铜合金的制备方法，通过控制塑性加工时的变形量以及固溶处理过程中出炉到下水的时间，在最大降低铍含量的同时，制备出具有优良力学性能和导电导热性能的多元高导铍青铜合金，其导电率≥70％IACS，导热率≥270W·(m·K)^-1，室温抗拉强度≥550MPa，延伸率≥4％。采用本发明方法制得的多元高导铍青铜合金尤其适合铝板坯高效连铸铸轧辊、高端连接器接插件等领域使用。

通过对铍青铜合金铸坯进行大变形量(85～95％)的塑性加工，可以将铸态粗大的树枝状晶粒打碎变成细小的等轴晶粒，增加的大量晶界可有效阻碍位错运动，进而实现细晶强化，提高合金力学性能。同时，在后续固溶处理过程中，高温下使得添加的合金元素(Be、Co)溶解到铜基体中，从出炉到入水，通过尽可能缩短转移时间(5秒内)，来减少转移过程中温度的降低，从而保证溶解在铜基体中的合金元素不会发生析出，形成过饱和固溶体微观组织，为后续时效过程中元素的大量充分析出做好组织准备。但是为了便于对固溶处理的控制，通常也会选择塑性加工料从出炉到下水的时间为3～5s。

所述塑性加工为锻压或挤压。所述塑性加工采用立式挤压机、卧式挤压机或自由锻压机进行加工。

所述杂质成分中Al、Si、Fe、Sn的总质量百分比≤0.05％。

所述铍青铜合金铸坯的制备方法，包括以下步骤：将电解铜板、纯钴片、Cu-3.3Be中间合金熔化，然后在1150～1250℃熔炼30～50min，再将熔液在1200～1300℃进行浇注，冷却，即得。

熔炼过程中，采用木炭对熔融液面进行覆盖，并加入磷铜脱氧剂脱氧。在加热熔炼过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔炼过程在微氧化气氛下进行。

所述磷铜脱氧剂的加入质量为熔液质量的0.2～0.5％。

熔炼过程中采用石墨棒搅拌，用扒渣棒扒渣。待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置1～3分钟，将熔液直接浇注到金属铸型中。

上述铍青铜合金铸坯的制备方法能够将多元铍青铜合金的成分的波动控制在±0.02％以内。

所述塑性加工的温度为850～950℃，保温时间为0.5～1.5h。所述变形量是指断面面积的变化率，即将坯料从直径较大D变形为直径较小d时，所产生的断面缩减率：(D²-d²)/D²×100％。

所述固溶处理的加热温度为890～970℃，保温时间为0.5～2h。固溶处理的加热、保温过程在加热炉中进行。保温结束后，迅速将塑性加工料从加热炉中转移至水中进行冷却。优选的，步骤2)中塑性加工料从出炉到下水的时间不超过3s。

所述时效处理的温度为400～500℃，时间为0.5～10h。

本发明的多元高导铍青铜合金的制备方法，还包括在进行塑性加工前对铍青铜合金铸坯进行圆周的机加工和底部端面的机加工，并将机加工后的铍青铜铸坯的顶部冒口去除。去除的长度为机加工后铍青铜铸坯总长度的1/5～1/3。圆周的机加工量为单边2～5mm，端面的机加工量为2～4mm。

本发明的多元高导铍青铜合金所采用的技术方案为：

一种上述的制备方法得到的多元高导铍青铜合金。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

具体实施方式中的多元高导铍青铜合金的制备方法的加工工艺路线为：熔铸→机加工→塑性加工→固溶处理→时效处理。

实施例1

本实施例的多元高导铍青铜合金的制备方法，包括以下步骤：

1)熔铸制备铍青铜合金铸坯，所述铍青铜合金由以下质量百分比的组分组成：Be0.2％，Co 0.8％，杂质成分Al、Si、Fe、Sn的总质量百分比≤0.05％，余量为Cu：

a)选用电解铜板(Cu≥99.95％)、Cu-3.3Be中间合金、纯钴片(Co≥99.8％)为原材料，经裁剪、烘干和表面除油处理后，按照成分组成进行配料；

b)依次将电解铜板、纯钴片、Cu-3.3Be中间合金加入熔炼炉中熔化，然后在1150℃熔炼50分钟，得到熔液；在加热熔炼过程中加入木炭使熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，待原材料全部熔化并呈液态翻滚时，采用磷铜脱氧剂进行脱氧，脱氧剂的用量为熔液总重的0.2％；熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

c)将熔液升温至1200℃，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置1分钟，再将1200℃的熔液直接浇注到金属铸型中，冷却，取出，得到铍青铜合金铸坯；

2)机加工

将步骤1)制备得到的铍青铜合金铸坯在普通车床上进行圆周的机加工和底部端面的机加工，圆周的机加工量为单边2mm，端面的机加工量为2mm；随后，将圆周和底部端面的机加工后的铸坯放到锯床上锯切去掉铸坯顶部冒口，锯掉的长度为铸坯总高度的1/5，得到机加工料；

3)塑性加工

将步骤2)得到的机加工料通过卧式挤压机进行塑性加工，得到塑性加工料；塑性加工的温度控制在850℃，加热保温时间为1.5小时，塑性加工产生的塑性变形的变形量控制在85％；

4)固溶处理

将步骤3)得到的塑性加工料进行固溶处理：将塑性加工料在气体保护管式加热炉中进行加热，加热温度为950℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为1小时，然后将塑性加工料快速从管式加热炉中取出，并迅速放入流动的自来水中进行冷却，转移时间控制在4s之内，完成固溶热处理；

5)时效处理

将固溶处理后的塑性加工料在气体保护管式炉中进行加热，加热温度为480℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为4h，然后将塑性加工料从加热炉中取出，放在空气中冷却至室温，即得。

本实施例的多元高导铍青铜合金采用上述方法制备得到。

本实施例的多元高导铍青铜合金的成分波动控制在±0.02％以内，导电率为71.6％IACS，导热率为283.6W·(m·K)^-1，室温抗拉强度为580.2MPa，延伸率为4.6％。

实施例2

本实施例的多元高导铍青铜合金的制备方法，包括以下步骤：

1)熔铸制备铍青铜合金铸坯，所述铍青铜合金由以下质量百分比的组分组成：Be0.4％，Co 0.9％，杂质成分Al、Si、Fe、Sn的总质量百分比≤0.05％，余量为Cu：

a)选用电解铜板(Cu≥99.95％)、Cu-3.3Be中间合金、纯钴片(Co≥99.8％)为原材料，经裁剪、烘干和表面除油处理后，按照成分组成进行配料；

b)依次将电解铜板、纯钴片、Cu-3.3Be中间合金加入熔炼炉中熔化，然后在1200℃熔炼40分钟，得到熔液；在加热熔化过程中加入木炭使熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，待原材料全部熔化并呈液态翻滚时，采用磷铜脱氧剂进行脱氧，脱氧剂的用量为熔液总重的0.35％；熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

c)将熔液升温至1250℃，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置1分钟，再将1250℃的熔液直接浇注到金属铸型中，冷却，取出，得到铍青铜合金铸坯；

2)机加工

将步骤1)制备得到的铍青铜合金铸坯在普通车床上进行圆周的机加工和底部端面的机加工，圆周的机加工量为单边4mm，端面的机加工量为3mm；随后，将圆周和底部端面的机加工后的铸坯放到锯床上锯切去掉铸坯顶部冒口，锯掉的长度为铸坯总高度的1/4，得到机加工料；

3)塑性加工

将步骤2)得到的机加工料通过立式挤压机进行塑性加工，得到塑性加工料；塑性加工的温度控制在950℃，加热保温时间为0.5h，塑性加工产生的塑性变形的变形量控制在90％；

4)固溶处理

将步骤3)得到的塑性加工料进行固溶处理：将塑性加工料在气体保护管式加热炉中进行加热，加热温度为890℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为2h，然后将塑性加工料快速从管式加热炉中取出，并迅速放入流动的自来水中进行冷却，转移时间控制在5s之内，完成固溶热处理；

5)时效处理

将固溶处理后的塑性加工料在气体保护管式炉中进行加热，加热温度为400℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为10h，然后将塑性加工料从加热炉中取出，放在空气中冷却至室温，即得。

本实施例的多元高导铍青铜合金采用上述方法制备得到。

本实施例的多元高导铍青铜合金的成分波动控制在±0.02％以内，导电率为71.2％IACS，导热率为281.9W·(m·K)^-1，室温抗拉强度为591MPa，延伸率为4.5％。

实施例3

本实施例的多元高导铍青铜合金的制备方法，包括以下步骤：

1)熔铸制备铍青铜合金铸坯，所述铍青铜合金由以下质量百分比的组分组成：Be0.6％，Co 1.5％，杂质成分Al、Si、Fe、Sn的总质量百分比≤0.05％，余量为Cu：

a)选用电解铜板(Cu≥99.95％)、Cu-3.3Be中间合金、纯钴片(Co≥99.8％)为原材料，经裁剪、烘干和表面除油处理后，按照成分组成进行配料；

b)依次将电解铜板、纯钴片、Cu-3.3Be中间合金加入熔炼炉中熔化，然后在1250℃熔炼30分钟，得到熔液；在加热熔化过程中加入木炭使熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，待原材料全部熔化并呈液态翻滚时，采用磷铜脱氧剂进行脱氧，脱氧剂的用量为熔液总重的0.5％；熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

c)将熔液升温至1300℃，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置3分钟，再将1300℃的熔液直接浇注到金属铸型中，冷却，取出，得到铍青铜合金铸坯；

2)机加工

将步骤1)制备得到的铍青铜合金铸坯在普通车床上进行圆周的机加工和底部端面的机加工，圆周的机加工量为单边5mm，端面的机加工量为4mm；随后，将圆周和底部端面的机加工后的铸坯放到锯床上锯切去掉铸坯顶部冒口，锯掉的长度为铸坯总高度的1/3，得到机加工料；

3)塑性加工

将步骤2)得到的机加工料通过立式挤压机进行塑性加工，得到塑性加工料；塑性加工的温度控制在900℃，加热保温时间为1h，塑性加工产生的塑性变形的变形量控制在95％；

4)固溶处理

将步骤3)得到的塑性加工料进行固溶处理：将塑性加工料在气体保护管式加热炉中进行加热，加热温度为970℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为0.5h，然后将塑性加工料快速从管式加热炉中取出，并迅速放入流动的自来水中进行冷却，转移时间控制在5s之内，完成固溶热处理；

5)时效处理

将固溶处理后的塑性加工料在气体保护管式炉中进行加热，加热温度为500℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为0.5h，然后将塑性加工料从加热炉中取出，放在空气中冷却至室温，即得。

本实施例的多元高导铍青铜合金采用上述方法制备得到。

本实施例的多元高导铍青铜合金的成分波动控制在±0.02％以内，导电率为71.1％IACS，导热率为280.7W·(m·K)^-1，室温抗拉强度为602MPa，延伸率为4.4％。

实施例4

本实施例的多元高导铍青铜合金的制备方法，包括以下步骤：

1)熔铸制备铍青铜合金铸坯，所述铍青铜合金由以下质量百分比的组分组成：Be0.5％，Co 0.2％，杂质成分Al、Si、Fe、Sn的总质量百分比≤0.05％，余量为Cu：

a)选用电解铜板(Cu≥99.95％)、Cu-3.3Be中间合金、纯钴片(Co≥99.8％)为原材料，经裁剪、烘干和表面除油处理后，按照成分组成进行配料；

b)依次将电解铜板、纯钴片、Cu-3.3Be中间合金加入熔炼炉中熔化，然后在1230℃熔炼35分钟，得到熔液；在加热熔化过程中加入木炭使熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，待原材料全部熔化并呈液态翻滚时，采用磷铜脱氧剂进行脱氧，脱氧剂的用量为熔液总重的0.4％；熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

c)将熔液升温至1300℃，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置2分钟，再将1300℃的熔液直接浇注到金属铸型中，冷却，取出，得到铍青铜合金铸坯；

2)机加工

将步骤1)制备得到的铍青铜合金铸坯在普通车床上进行圆周的机加工和底部端面的机加工，圆周的机加工量为单边3mm，端面的机加工量为3mm；随后，将圆周和底部端面的机加工后的铸坯放到锯床上锯切去掉铸坯顶部冒口，锯掉的长度为铸坯总高度的1/4，得到机加工料；

3)塑性加工

将步骤2)得到的机加工料通过立式挤压机进行塑性加工，得到塑性加工料；塑性加工的温度控制在880℃，加热保温时间为1.2h，塑性加工产生的塑性变形的变形量控制在92％；

4)固溶处理

将步骤3)得到的塑性加工料进行固溶处理：将塑性加工料在气体保护管式加热炉中进行加热，加热温度为920℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为1.5h，然后将塑性加工料快速从管式加热炉中取出，并迅速放入流动的自来水中进行冷却，转移时间控制在5s之内，完成固溶热处理；

5)时效处理

将固溶处理后的塑性加工料在气体保护管式炉中进行加热，加热温度为440℃，加热方式为随炉升温，加热保温时间为7h，然后将塑性加工料从加热炉中取出，放在空气中冷却至室温，即得。

本实施例的多元高导铍青铜合金采用上述方法制备得到。

本实施例的多元高导铍青铜合金的成分波动控制在±0.02％以内，导电率为72.3％IACS，导热率为284.7W·(m·K)^-1，室温抗拉强度为577.6MPa，延伸率为4.8％。

Claims (10)

1.一种多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）对铍青铜合金铸坯进行塑性加工，控制塑性加工的变形量为85~95%，得到塑性加工料；所述铍青铜合金铸坯由以下质量百分比的组分组成：Be 0.2~0.6%，Co 0.2~1.5%，余量为Cu和不可避免的杂质；所述杂质成分中Al、Si、Fe、Sn的总质量百分比≤0.05%；

2）将步骤1）得到的塑性加工料进行固溶处理和时效处理，即得；固溶处理过程中，塑性加工料从出炉到下水的时间不超过5s；

所述多元高导铍青铜合金的导电率≥70%IACS，导热率≥270W•(m•K)^-1，室温抗拉强度≥550MPa，延伸率≥4%；

所述变形量为断面面积的变化率，所述断面面积的变化率为将坯料从直径较大D变形为直径较小d时，所产生的断面缩减率：（D²-d²）/D²×100%。

2.根据权利要求1所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：所述铍青铜合金铸坯的制备方法，包括以下步骤：将电解铜板、纯钴片、Cu-3.3Be中间合金熔化，然后在1150~1250℃熔炼30~50min，再将熔液在1200~1300℃进行浇注，冷却，即得。

3.根据权利要求2所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：熔炼过程中，采用木炭对熔融液面进行覆盖，并加入磷铜脱氧剂脱氧。

4.根据权利要求3所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：所述磷铜脱氧剂的加入质量为熔液质量的0.2~0.5%。

5.根据权利要求1所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：所述塑性加工为锻压或挤压。

6.根据权利要求1所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：所述塑性加工的温度为850~950℃，保温时间为0.5~1.5h。

7.根据权利要求1所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的加热温度为890~970℃，保温时间为0.5~2h。

8.根据权利要求1所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：塑性加工料从出炉到下水的时间不超过3s。

9.根据权利要求1所述的多元高导铍青铜合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理的温度为400~500℃，时间为0.5~10h。

10.一种采用如权利要求1所述的制备方法得到的多元高导铍青铜合金。