CN108300890A - 一种碲铍铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碲铍铜合金，其成分包括：铍Be 0.2～2.1wt.％，碲Te 0.1～0.7wt.％，其他元素：钴Co、镍Ni、铅Pb、稀土元素及杂质元素，其中铅Pb≤0.6wt.％，其他元素总和≤4wt.％，其余为Cu；制备方法为a.按照重量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造得到锭坯；b.将步骤a得到的锭坯依次通过均匀化热处理、热加工工艺、冷加工工艺及退火、固溶、时效热处理，制得碲铍铜合金。本发明通过在铍铜合金中添加碲，使其与铜基体形成化合物Cu2Te，碲铍铜合金具备比铍铜合金更优异的热加工性能，同时兼有铍铜合金的物理、力学与耐腐蚀性能，且碲的添加能在环保的前提下提高铍铜合金的切削性能。

Description

一种碲铍铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金的制备方法，尤其是一种易切削碲铍铜合金及其制备方法。
背景技术
铍铜是以铍为基本合金元素的铜基合金材料，属于时效析出强化的铜基合金。该材料经固溶和时效热处理后，具有高的强度、硬度和弹性极限、弹性滞后小、稳定性好，并且具有耐疲劳、耐腐蚀、耐磨、耐低温、无磁性、高导电导热性、冲击时不产生火花等一系列优良的综合性能，被誉为“有色弹性材料之王”，被广泛应用于电子、电气、通讯、仪器、仪表、电讯、轻工、机械、化工、煤炭等领域。铍铜合金分为两大类，第一类为铍含量为1.6～2.1％的高强铍铜合金，如美国ASTM牌号C17200、C17300，第二类为铍含量为0.2～0.7％的高导电铍铜合金，如美国ASTM牌号C17500、C17510等。
铍铜合金是电子元器件的常用原材料，为满足电子元器件小型化要求，其尺寸精度要求控制到微米级，这对铍铜合金的车削加工性能提出了以下要求：
1.车削力不能导致小微尺寸零件变形；
2.材料的车削能力能够满足高速自动机床车削速度的要求，并尽可能提高车削效率。
3.在满足车削要求的同时，材料本身固有的力学性能不能改变。
为达到上述要求，常用的方法是在铍铜合金中添加铅，但铅的添加存在以下弊端：
1.含铅铜合金在生产和使用过程中会造成环境污染，在饮用水中的杂质及有机酸等的作用下合金中的铅会缓慢析出，危害人体健康，这限制了含铅铍铜合金在家电、儿童玩具、电子元器件、汽车等零配件中的使用。例如，欧盟正在逐步限制铅在铜合金中的使用，但是目前尚无一种不含铅的优秀车削性能的铍铜合金来替代含铅铍铜合金的市场需求(本发明解决了这个问题)；
2.铅既不固溶于铜，也不与铜形成金属间化合物，铅的熔点低(327℃)，含铅的铍铜合金易在热加工过程中造成开裂，因此含铅铍铜合金热加工性能较差。
近几年，有为改善铜合金切削加工性能而添加铋的文献报道，但铋的添加能极大降低铜合金塑性，在塑性加工过程中容易造成开裂，从而不能加工成型；铋的添加可造成材料在使用过程中疲劳开裂或应力腐蚀开裂，因此铋作为一种对铜合金性能严重危害的杂质元素在冶炼和加工中必须进行严格的控制，这些原因限制了铋在铜合金中的实际运用。
综上所述，研究出一种不含铅与铋同时满足车削要求的铍铜合金是解决铍铜合金电子元器件小型化的关键问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出一种易切削碲铍铜合金及其制备方法。
技术方案：为了实现以上目的，本发明提出一种碲铍铜合金及其制备方法，其成分包括：铍Be 0.2～2.1wt.％，碲Te 0.1～0.7wt.％，其他元素：钴Co、镍Ni、铅Pb、稀土元素及杂质元素，其中铅Pb≤0.6wt.％，其他元素总和≤4wt.％，其余为Cu。
所述碲铍铜合金的制备方法为：
a.按照重量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造得到锭坯；
熔炼过程中投料顺序依次为：阴极铜，铜-镍中间合金和/或铜-钴中间合金和/或稀土中间合金，铜铍中间合金，纯碲或铜碲中间合金，熔炼的温度为1100～1300℃，熔化后，保温10-30min，经过除气、除杂工序后，静置5-20min，然后进行非真空或真空浇铸与半连续或连续铸造；
b.将步骤a得到的锭坯依次进行：为实现成分均匀化目的的扩散退火、热加工、冷加工和退火、固溶、时效热处理工艺，加工制得碲铍铜合金的棒、线、管材料；
c.或者，将步骤a得到的锭坯依次进行：为实现成分均匀化目的的扩散退火、直接进行冷加工和退火、固溶、时效热处理工艺加工制得碲铍铜合金的棒、线、管材料。
步骤a所述的熔炼为采用真空或非真空感应电炉熔炼。
步骤b所述的热加工工艺为挤压、轧制、锻造。
步骤b所述的冷加工工艺为轧制、拉拔、旋锻。
步骤c具体为将步骤a得到的锭坯在进行均匀化扩散退火后直接进行冷加工，加工流程中加入退火、固溶、时效热处理等工艺。
所述冷加工包括轧制、拉拔、旋锻等工艺；
步骤a所述的熔炼，在真空熔炼条件下，可以一次性投料或分两次投料。
所述的分两次投料具体为第一次加入阴极铜、铜-镍中间合金和/或铜-钴中间合金和/或稀土中间合金等，第二次加铜铍中间合金和纯碲。
所添加元素的作用：
碲：可以与铜基体形成第二相Cu2Te；
(1)此种较软的第二相弥散分布于晶间或晶内，使得切屑易断，从而达到改善材料切削性能的目的；
(2)Cu2Te的高温稳定性好，熔点高(1140℃)，使得易切削碲铍铜合金可以进行如热挤压、热轧、热锻等热加工。
碲(Te)改善车削性能的旁例补充说明：
碲铜，一种碲(Te)与纯铜的合金材料，美国ASTM标准牌号为C14500，碲铜(C14500)合金具有极好的易切削性能和优良的导电、导热性能，以及抗腐蚀性能；是高铜合金中切削性能最好的铜合金材料；而且冷热加工性能较好，可锻造、铸造、挤压拉制、冲制模压、镦煅。
其他元素的作用也可进一步补充说明：其他元素的作用Co、Ni、Ti、稀土元素的含量及作用是常规的铍铜合金添加范围，是为了保持因为加入碲元素提高的车削性能、抗高温软化性能、塑性热加工性能之外的其他基本性能的物理、机械性能的而加入的。具体来说Co、Ni、Ti作用是细化晶粒、阻碍加热过程中的晶粒长大、延缓固溶体分解、抑制晶界反应、减少硬脆γ相、提高时效硬化效果。以镧、铈、镨为主的稀土元素的作用是多方面的，对提高抗氧化性、提高导电率、细化晶粒和提高机械性能指标有益。以上各元素累计及铅、硫、铋、硅等杂质元素的重量总和≤4wt.％(其中铅Pb≤0.6wt.％)。
有益效果：
本发明提供的一种碲铍铜合金及其制备方法，具备以下优点：
1.易于切削：碲的添加可以与铜基体形成Cu2Te，这种第二相较软，且弥散分布于铜基体中，使得切屑易断，从而提高材料切削性能；以易车削黄铜HPb62-3(美国C36000)的车削指数为100，碲铍铜的易车削等级可以达到65-85，普通铍铜的车削等级为12-25。
易车削等级检测方法是依据《易切削铜合金棒》GB-T 26306-2010的附录A(资料性附录车削性检测方法)，以下同。
2.热加工稳定性好：碲与铜形成的化合物Cu2Te高温稳定性好、熔点高(1140℃)，使得易切削碲铍铜合金可以进行如热挤压、热轧、热锻等热加工，而含铅铍铜合金易在热加工过程中开裂，因此碲铍铜合金比含铅铍铜合金热加工性优异；
3.提高高温软化温度，本发明的碲铍铜合金比传统高铍铍铜合金(铍含量1.7％-2.1％)的高温软化温度提高75℃±10℃，比传统低铍合金(铍含量0.2％-0.6％)的高温软化温度提高90℃±10℃，扩大了铍铜材料运用的工况范围。
4.碲的添加能提高铍铜合金的耐腐蚀性能。
5.环境负担小：避免现有含铅铍铜中铅元素对环境的危害。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐明本发明。
实施例
实施例1
挤压法制备碲铍铜管材
(1)按照表1重量百分比进行配料，投料顺序依次为阴极铜CATH-1、铜铍中间合金(含铍4％)、纯碲、铜镍中间合金(含镍10％)、铜钴中间合金(含钴10％)，采用750Kg工频有芯炉非真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1170℃，熔化后，保温15min，通入氩气除杂质及气体，经过除气除杂后，静置15min，后用液压式半连续铸造机铸造Φ155圆锭，铸造温度1100℃，氩气保护，铸造速度150～250mm/min，冷却水压0.3MPa，锯切定尺Φ155×330；
(2)采用910℃温度对圆锭进行热挤压，挤压比为53∶1，挤压机为2150T双动卧式挤压机，挤压外径Φ71，壁厚3.5的管坯；
(3)经过多道次的拉伸加工和固溶热处理，得到外径Φ49壁厚2.75管，状态为TD04，然后经过480℃/2h时效热处理，两辊矫直机矫直、锯切定尺得到TH04状态，外径Φ45，壁厚2.7，长度2500的碲铍铜管。
关于所制备的碲铍铜管(TH04)的切削性能数据见表3所示。
关于所制备的C17510管的切削性能数据见表3所示。
表1碲铍铜管成分
Be Co Ni Te Fe Al Si 余量
0.4 0.2 1.8 0.35 0.05 0.1 0.08 Cu
表2力学性能(TH04)
抗拉强度 720MPa
维氏硬度 235
导电率IACS 58％
表3切削指数(相对HPb62-3)
碲铍铜管(TH04) C17510管(对比组)
68～79％ 27％
实施例2
连铸法制备碲铍铜棒材
(1)按照表4重量百分比进行配料，原料为阴极铜CATH-1、铜铍中间合金(含铍10％)、铜碲中间合金(含碲10％)、铜镍中间合金(含镍10％)、铜钴中间合金(含钴10％)，采用真空感应电炉进行熔炼，首先加入阴极铜CATH-1、铜碲中间合金(含碲10％)、铜镍中间合金(含镍10％)、铜钴中间合金(含钴10％)，熔化后使用真空加料装置加入铜碲中间合金(含碲10％)、铜铍中间合金(含铍10％)，熔化后升温至1270℃，高温除渣，然后低功率降温至1120℃，保温20min，以上过程保持连续抽真空，真空度保持在8×10-3Pa，后采用非真空水平连续铸造，得到Φ22×coil坯料；
(2)将坯料通过轧线机，在790℃温度下热轧变形至Φ14，然后经过多道次固溶热处理和拉伸加工处理后，得到Φ7.2×coil棒，矫直定尺Φ7.2×2500；
(3)最后，通过无芯磨床加工至Φ7±0.01×2500，状态TD04，或进一步进行315℃/2h时效热处理得到TH04状态。
本产品可主要用于车削加工射频同轴连接器的内导体原件的原料，可以满足其微小尺寸的加工过程中对尺寸精度保证(因为减少了车削力，避免了零件变形)，和加工效率的要求。
关于所制备的碲铍铜管(TH04)的切削性能数据见表6所示。
关于所制备的C17200棒的切削性能数据见表6所示。
表4碲铍铜管成分及对比组C17300成分
表5力学性能
状态 TD04 TH04
抗拉强度 780MPa 1275
屈服强度 730MPa 1140
维氏硬度 245 415
表6切削性能(相对HPb59-1)
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做出的等同变换或修饰，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碲铍铜合金，其成分包括：铍Be 0.2～2.1wt.％，碲Te 0.1～0.7wt.％，其他元素：钴Co、镍Ni、铅Pb、稀土元素及杂质元素，其中铅Pb≤0.6wt.％，其他元素总和≤4wt.％，其余为Cu。
2.根据权利要求1所述的一种碲铍铜合金，其特征在于：所述碲铍铜合金的制备方法为：
a.按照重量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造得到锭坯；
熔炼过程中投料顺序依次为：阴极铜，铜-镍中间合金和/或铜-钴中间合金和/或稀土中间合金，铜铍中间合金，纯碲或铜碲中间合金，熔炼的温度为1100～1300℃，熔化后，保温10-30min，经过除气、除杂工序后，静置5-20min，然后进行非真空或真空浇铸与半连续或连续铸造；
b.将步骤a得到的锭坯依次进行：为实现成分均匀化目的的扩散退火、热加工、冷加工和退火、固溶、时效热处理工艺，加工制得碲铍铜合金的棒、线、管材料；
c.或者，将步骤a得到的锭坯依次进行：为实现成分均匀化目的的扩散退火、直接进行冷加工和退火、固溶、时效热处理工艺加工制得碲铍铜合金的棒、线、管材料。
3.根据权利要求2所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：步骤a所述的熔炼为采用真空或非真空感应电炉熔炼。
4.根据权利要求2所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：步骤b所述的热加工工艺为挤压、轧制、锻造。
5.根据权利要求2所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：步骤b所述的冷加工工艺为轧制、拉拔、旋锻。
6.根据权利要求2所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：步骤c具体为将步骤a得到的锭坯在进行均匀化扩散退火后直接进行冷加工，冷加工流程中加入退火、固溶、时效热处理工艺。
7.根据权利要求6所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：所述的冷加工包括轧制、拉拔、旋锻工艺。
8.根据权利要求2所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：步骤a所述的熔炼，在真空熔炼条件下，可以一次性投料或分两次投料。
9.根据权利要求7所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：所述的一次投料为一次性投入阴极铜、铜-镍中间合金和/或铜-钴中间合金和/或稀土中间合金，铜铍中间合金和纯碲。
10.根据权利要求7所述的一种碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：所述的分两次投料具体为第一次加入阴极铜、铜-镍中间合金和/或铜-钴中间合金和/或稀土中间合金等，第二次加铜铍中间合金和纯碲。
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