CN111118335A

CN111118335A - 一种钛青铜合金材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111118335A
Application number: CN202010053601.4A
Authority: CN
Inventors: 杨庆来; 韩亮; 尹占品; 段红珍; 韩占起; 张金萍
Original assignee: Hebei Botou Safety Tools Group Co ltd
Current assignee: Hebei Botou Safety Tools Group Co ltd
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2040-01-17
Also published as: CN111118335B; WO2021143257A1

Abstract

本发明涉及一种钛青铜合金材料，其包括如下质量百分比的组分：钛5~7%、铝0.8~1.5%、银0.1~0.3%、铁0.2~0.4%、稀土0.03~0.08%以及余量的铜。本发明还涉及上述钛青铜合金材料的制备方法及其应用。本发明的钛青铜合金材料制造的工器件，没有气孔、砂眼、裂痕、金相组织均匀、金相颗粒在65微米以下，具有高强度、高扭矩、高塑性、无磁性、无火花，可制备特殊场合使用的工具及零配件，撞击性接触头等，还可以制作无磁手动工具、无火花手动工具以及自动化碰撞工具，适用于能源、化工、石油、天然气、航海、航天、制药、采矿等现代化工业。

Description

一种钛青铜合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于防爆合金材料领域，具体涉及一种钛青铜合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

在生产、贮存、运输易燃易爆物质的场所应该使用防爆工具，以避免工具在撞击、摩擦等情况下产生火花，从而引起周围介质的燃烧或爆炸，制作防爆工具的材料应具备防爆性能（符合GB/T 10686-2013标准），同时还应具备工具所应有的机械性能。

目前，国内外最常用制作防爆工具的材料是铍青铜合金，其抗拉强度σ_b≥1117~1326N/mm²，硬度HV 300~390，硬态延伸率δ₁₀≥2%，无磁性，防爆性能达ExIIC级，在实验室通过浓度21%氢气（H₂）环境试验。

但是，含铍（Be）元素矿石储存量极少，且价格昂贵，这就造成用铍青铜制造防爆工具成本很高。

另一种制作防爆工具的材料是铝青铜合金，其抗拉强度σ_b≥782~989N/mm²，硬度HV240~300，硬态延伸率δ₁₀≥5%，低磁，该材料制造的防爆工具属于ExIIB级，在实验室通过浓度7.8%的乙稀（C₂H₄）环境试验，在强磁和易燃易爆环境中不能代替铍青铜产品使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种防爆性能可靠且绿色环保的钛青铜合金材料及其制备方法和应用。

本发明采用如下技术方案：

一种钛青铜合金材料，其包括如下质量百分比的组分：钛5~7%、铝0.8~1.5%、银0.1~0.3%、铁0.2~0.4%、稀土0.03~0.08%以及余量的铜。

其中，所述稀土为轻稀土，优选为轻稀土镧La。

一种上述钛青铜合金材料的制备方法，其通过如下方法制备：

（1）将含铜量99.9%的电解铜板和海绵钛，浸入C₂H₂O₄中，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时；

（2）经三道逆流漂洗后，进入烘干炉在200~300℃烘干；

（3）将铜、钛按比例放入中频感应电炉冶炼，炉温提升至900~1000℃时，按比例将银、铝、铁、稀土放入电炉共熔，达到1300~1350℃，合金液体完全熔融，形成钛青铜合金液体；

（4）放入除渣剂二氧化硅进行提渣；

（5）完成提渣后，开始浇铸成2~3kg的球状合金锭；

（6）出炉后的球状合金锭在常温下存放45-60天，得到初级合金锭。

进一步的，其还包括如下步骤：

（7）将初级合金锭浸入C₂H₂O₄中，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时；

（8）经三道逆流漂洗后，进入烘干炉在200~300℃烘干；

（9）放入真空中频冶炼炉，炉温提升至1400℃时，恒温10分钟，待合金液体温度降至1250~1300℃，浇铸到型腔内，30~45分钟取出，得到钛青铜合金材料坯件。

制备方法中，所述步骤（1）中的电解铜板为100mm×100mm的方板。

制备方法中，所述步骤（2）和步骤（8）中采用清水进行逆流漂洗。

一种上述制备方法制得的钛青铜合金材料坯件在制造防爆工具中的应用。

应用一，钛青铜合金材料坯件浸入C₂H₂O₄中清洗，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干，然后放入透热炉，加热到850℃，恒温控制0.5~1小时，随炉降至680℃时，采取热变形锻压，制作船运配件、手拉葫芦吊钩、敲击类工具、撬棍工具。

应用二，钛青铜合金材料坯件机加工制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到830℃，恒温0.5~1小时，随炉降至630℃时，做锻压变形加工，通过整形加工制作、固熔时效处理、机械臂抛光、280~320目玻璃丸喷砂，得到钳子类、活扳手类、呆扳手类或双头梅花类工具。

应用三，将钛青铜合金材料坯件机加工制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到800℃，恒温0.5~1小时，随炉降至600℃，做变形加工，锻压成厚度5~10mm的板材，每块条板保持宽度60-200mm以内，通过压延变形加工制备刀具、剪具或切断具。

应用四，青铜合金材料坯件机加工制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到780℃恒温0.5~1小时，随炉降至580℃，做变形压延加工，压延形成厚度0.5~2.5mm的板材，一般宽度在200~400mm之间，再通过模压变形处理，制成锨、铲、刀、刃具。

应用五，青铜合金材料坯件浸入C₂H₂O₄中清洗，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干，放入密闭式真空中频电炉，加温到900℃开始融化，提温到1350~1400℃，恒温控制10分钟，待钛青铜液体自动下降至1200~1250℃时，通过拉力槽注入拉伸机模具内，缓慢拉动8~15分钟，得到拉伸棒料，用于制造撬棍、扁铲、錾子、听针、钎子、冲子、螺丝刀。

应用六，铜合金材料坯件浸入C₂H₂O₄中清洗，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干，放入密闭式真空中频电炉，加温到900℃开始融化，提温到1300~1350℃，恒温控制10分钟，待钛青铜液体自动下降至1200~1250℃时，利用自动液压模锻一次成型技术，得到锤类、镐类或斧类工具。

本发明的有益效果在于：本发明的钛青铜合金（简称钛铜，titanium copper）是一种中间合金，经熔融法制备，含有89~93%铜（Cu），其余为钛（Ti）、铝（Al）、银（Ag）、铁（Fe）、稀土，钛铜合金是一种性能高度可靠且绿色环保的合金材料，特别是在合金制造过程的最后阶段，通过变型加工和适当温度固熔时效处理，使材料更有韧性和强度，同时保持了原有铜的导电率及延伸率。其所制造的工器件，没有气孔、砂眼、裂痕、金相组织均匀、金相颗粒在65微米以下，扭矩、抗拉强度、硬度、延伸率、导热比原中频电炉一次砂型浇铸成型工艺提升3~10%。

本发明的材料不降低纯铜传导性能及导电率，初熔采用中频感应电炉冶炼方式，形成2~3kg球体合金，自然存放45~60天；重熔采用真空中频电炉进行精炼，通过机械臂热模变形浇铸加工，再通过固熔时效处理形成理想的工器件。所得工器件具有高强度、高扭矩、高塑性、无磁性、无火花，可制备特殊场合使用的泵阀、弹簧、连接器，航天、航空、航海防腐工具及零配件，撞击性接触头等，还可以制作无磁手动工具，无火花手动工具，以及自动化碰撞工具，适用于能源、化工、石油、天然气、航海、航天、制药、采矿等现代化工业发展中，是一种有极具利用价值的新型合金材料，市场前景广阔。

具体实施方式

下面结合本发明的几个具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

实施例1

组分质量百分比为：钛5%、铝0.8%、银0.1%、铁0.2%、稀土0.03%以及铜93.87%。

（1）将含铜量99.9%的电解铜板（100mm×100mm）和海绵钛，浸入C₂H₂O₄中，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，消除原材料表面污垢和杂质；

（2）经三道逆流漂洗（漂洗液为清水）后，进入烘干炉在200~300℃烘干；

（3）将铜、钛按比例放入中频感应电炉冶炼，炉温提升至900~1000℃时，开始熔化，按比例将银、铝、铁、稀土放入电炉共熔，达到1300~1350℃，合金液体完全熔融，形成钛青铜合金液体；

（4）放入除渣剂二氧化硅进行提渣；

（5）完成提渣后，开始浇铸成2~3kg的球状合金锭；

（6）出炉后的球状合金锭在常温下存放45~60天，金相组织会进一步细化，达到合金稳定状态，增强合金强度，得到初级合金锭；

（7）将初级合金锭浸入C₂H₂O₄中，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，消除原材料表面污垢和杂质；

（8）经三道逆流漂洗后，进入烘干炉在200~300℃烘干；

（9）放入真空中频冶炼炉，炉温提升至1400℃时，恒温10分钟，待合金液体温度降至1250~1300℃，外用机械臂自动浇铸到1250~1300℃的高温精铸型腔内，30~45分钟取出，得到钛青铜合金材料坯件。

实施例2

同实施例1，区别在于：组分质量百分比为：钛7%、铝1.5%、银0.3%、铁0.4%、稀土0.08%以及铜90.72%。

实施例3

同实施例1，区别在于：组分质量百分比为：钛6%、铝1%、银0.2%、铁0.3%、稀土0.05%以及铜92.45%。

应用例1 精细变形加工

将实施例1~3制备得到的钛青铜合金材料坯件在变型加工压延成厚度0.5mm~1.5mm、2mm~5mm的板材，可用于制作锨、铲、刀、容器件等，比原铝青铜产品强度提升5~10%；坯件变型加工锻压厚度10mm~25mm板材，可制作活扳手类、钳子类、双呆扳手类、双梅扳手类等工具，比原铝青铜产品强度提升4~7%；本发明二次精炼坯件变型加工锻压成厚度25mm以上的工器件，如锤类、敲击类、船用器具、吊勾类、橇棍类等，比原铝青铜产品强度提升3~5%。

固熔时效处理

本发明通过变形加工得到的工器件，根据市场需求，满足产品机械性能，可做固熔处理，采用真空中频电炉，炉温控制在800~900℃，视工件大小，保温1~3小时，取出油冷；然后采用真空时效炉进行时效处理，炉温控制在400~500℃，视工件大小保温8~20小时，取出空冷，可实现理想的机械性能。

应用例2

将实施例1~3制备得到的钛青铜合金材料坯件，浸入环保型清洗剂（C₂H₂O₄）容器中清洗，温度提升至50~60℃，进行1~2小时的清洗，消除原材料表面污垢和杂质，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干。然后放入透热炉，加热到850℃，恒温控制0.5~1小时，随炉降至680℃时，采取热变形锻压，可制作船运配件、手拉葫芦吊钩、敲击类工具、撬棍工具类等，使用性能完全达到铍青铜防爆工具效果，不产生火花，避免爆炸事故发生，确保国家财产和人身安全。

应用例3

将实施例1~3制备得到的钛青铜合金材料坯件，通过机加工去除铸坯表皮，形成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到830℃，恒温0.5~1小时，随炉降至630℃时，做锻压变形加工，通过整形加工制作、固熔时效处理、机械臂抛光、280~320目玻璃丸喷砂，得到理想的钳子类、活扳手类、呆扳手类、双头梅花类等工具，使用性能完全达到铍青铜防爆工具效果，不产生火花，避免爆炸事故发生，确保国家财产和人身安全。

应用例4

将实施例1~3制备得到的钛青铜合金材料坯件，通过机加工去除铸坯表皮，制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到800℃，恒温0.5~1小时，随炉降至600℃，可做变形加工，锻压成厚度5~10mm的板材，每块条板保持宽度60~200mm以内，通过压延变形加工可制备刀具、剪具、切断具等，通过整形处理、固熔时效处理、电解抛光，工器件硬度达HV367~436，在易燃易爆的工作环境中，本材料制造的产品，在剪切、冲撞击、摩擦等作业中不产生火花，避免爆炸事故发生，确保国家财产和人身安全。

应用例5

将实施例1~3制备得到的钛青铜合金材料坯件，通过机加工去除铸坯表皮，制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到780℃恒温0.5~1小时，随炉降至580℃，可做变形压延加工，压延形成厚度0.5~2.5mm的板材，一般宽度在200-400mm之间，再通过模压变形处理，制成锨、铲、刀、刃具等，工器件硬度可达HV 350~430，在易燃易爆环境中，使用本材料制作的产品进行挖掘、铲出、砍切、削皮等作业时，具备足够的强度，不产生火花，避免爆炸事故发生，确保国家财产和人身安全。

应用例6

将实施例1~3制备得到的钛青铜合金材料坯件，浸入环保型清洗剂（C₂H₂O₄）容器中清洗，温度提升至50-60℃，进行1~2小时的清洗，消除原材料表面污垢和杂质，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干。然后放入密闭式真空中频电炉，放入20%回炉料，加温到900℃开始融化，提温到1350~1400℃，恒温控制10分钟，待钛青铜液体自动下降至1200~1250℃时，通过拉力槽注入拉伸机模具内，缓慢拉动8~15分钟，可得到理想的拉伸棒料，用于制造撬棍、扁铲、錾子、听针、钎子、冲子、螺丝刀等，消除了原铸造产品中的气孔、砂眼、裂纹、缩松等缺陷，密度提高3~5%、强度提高5~8%，本产品在船运、石油化工、天然气等易燃易爆场，可达铍青铜同类产品效果，避免爆炸事故发生，确保国家财产和人身安全。

应用例7

将实施例1~3制备得到的钛青铜合金材料坯件，浸入环保型清洗剂（C₂H₂O₄）容器中清洗，温度提升至50-60℃，进行1~2小时的清洗，消除原材料表面污垢和杂质，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干。然后放入密闭式真空中频电炉，放入20%回炉料，加温到900~1000℃开始融化，提温到1300~1350℃，恒温控制10分钟，待钛青铜液体自动下降至1200~1250℃时，利用自动液压模锻一次成型技术，就可得到理想的产品件，比如锤类、镐类、斧类等，本制造工艺，消除了原铸造产品中的气孔、砂眼、裂纹、缩松等缺陷，比铝青铜同类产品密度提高3~5%，弹性提高5~8%，去消了原铸造产品所用的水冒口，提高材料利用率20~30%，大幅度降低了铸造成本。本产品用于航运、石油、化工、天然气等易燃易爆场所，不会产生火花，避免爆炸事故发生，确保国家财产和人身安全。

效果例

对应用例2~7的各产品技术参数进行检测，结果如表1所示。

表1 钛青铜各类产品技术参数机械性能

。

本发明的钛青铜合金是对于石油、天然气、采矿等能源企业所用安全工具的一种提升，又能扩展到现代工业科技其它领域，材料防爆性能通过浓度21%氢气环境试验达ExIIC级，在强磁和易燃易爆环境中可代替铍青铜使用，消除爆炸隐患，确保国家财产和人身安全。钛青铜合金材料成本低，在初期生产和后期制备中无污染，是一种绿色环保清洁材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钛青铜合金材料，其特征在于，其包括如下质量百分比的组分：钛5~7%、铝0.8~1.5%、银0.1~0.3%、铁0.2~0.4%、稀土0.03~0.08%以及余量的铜。

2.一种权利要求1所述的钛青铜合金材料的制备方法，其特征在于，其通过如下方法制备：

（2）经三道逆流漂洗后，进入烘干炉在200~300℃烘干；

（4）放入除渣剂二氧化硅进行提渣；

（5）完成提渣后，开始浇铸成2~3kg的球状合金锭；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，其还包括如下步骤：

（8）经三道逆流漂洗后，进入烘干炉在200~300℃烘干；

（9）放入真空中频冶炼炉，炉温提升至1400℃时，恒温10分钟，待合金液体温度降至1250~1300，浇铸到型腔内，30~45分钟取出，得到钛青铜合金材料坯件。

4.一种如权利要求1~3任一项得到的钛青铜合金材料在制造防爆工具中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，钛青铜合金材料坯件浸入C₂H₂O₄中清洗，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干，然后放入透热炉，加热到850℃，恒温控制0.5~1小时，随炉降至680℃时，采取热变形锻压，制作船运配件、手拉葫芦吊钩、敲击类工具、撬棍工具。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，钛青铜合金材料坯件机加工制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到830℃，恒温0.5~1小时，随炉降至630℃时，做锻压变形加工，通过整形加工制作、固熔时效处理、机械臂抛光、280~320目玻璃丸喷砂，得到钳子类、活扳手类、呆扳手类或双头梅花类工具。

7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，将钛青铜合金材料坯件机加工制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到800℃，恒温0.5~1小时，随炉降至600℃，做变形加工，锻压成厚度5~10mm的板材，每块条板保持宽度60-200mm以内，通过压延变形加工制备刀具、剪具或切断具。

8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，将钛青铜合金材料坯件机加工制成适用的工具件模型，然后放入透热炉，加热到780℃恒温0.5~1小时，随炉降至580℃，做变形压延加工，压延形成厚度0.5~2.5mm的板材，一般宽度在200~400mm之间，再通过模压变形处理，制成锨、铲、刀、刃具。

9.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，钛青铜合金材料坯件浸入C₂H₂O₄中清洗，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干，放入密闭式真空中频电炉，加温到900℃开始融化，提温到1350~1400℃，恒温控制10分钟，待钛青铜液体自动下降至1200~1250℃时，通过拉力槽注入拉伸机模具内，缓慢拉动8~15分钟，得到拉伸棒料，用于制造撬棍、扁铲、錾子、听针、钎子、冲子、螺丝刀。

10.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，钛青铜合金材料坯件浸入C₂H₂O₄中清洗，温度提升至50~60℃，清洗1~2小时，经三道逆流漂洗后，进入烘干炉提温200~300℃烘干，放入密闭式真空中频电炉，加温到900℃开始融化，提温到1300~1350℃，恒温控制10分钟，待钛青铜液体自动下降至1200~1250℃时，利用自动液压模锻一次成型技术，得到锤类、镐类或斧类工具。