CN111187941B - 高强高韧铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有色金属材料制备技术领域，公开了一种高强高韧铜合金材料及其制备方法，所述铜合金材料所含化学元素按质量分数占比为：Al:8‑10％，Mn:10‑11％，余量为Cu。本发明提供的高强高韧铜合金材料制备方法能够增强合金塑性，与常用的高强铜合金相比，本发明铜合金材料成本低，更耐蚀，塑性好且不含对环境有害元素，抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥10.5％，抗软化温度超过350℃。基于这些特点，本发明提供的高强高韧铜合金材料可应用于对强度和塑性要求较高且在腐蚀和高温环境中工作的零部件，如化工设备用承力件、耐磨件、高强弹簧垫片、接触弹簧，腐蚀环境中的仪器仪表元件。

Description

高强高韧铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属材料制备领域，具体的是一种高强高韧铜合金材料及其制备方法。

背景技术

CuAlMn合金由于具有高强、耐蚀、无磁性的特点，一直是工业重载装备中很重要的结构材料，其主要应用于齿轮、阀条、轴瓦等要求耐磨耐蚀的高工作应力环境，以及腐蚀环境下弹性接触片、弹簧垫片、弹性储能器件等缓冲、储能场合。随着工业生产中对有关装备和仪器使用要求的日益提高和使用环境逐渐苛刻，对于这类CuAlMn合金提出了更高的性能要求，包括更高的强度和塑性。

目前常用的的铝青铜类高强铜合金成分范围是6-8％Al，Mn含量小于5％，合金抗拉强度约800MPa，延伸率10-12％。随着现代工业对这类承力构件使用要求的逐渐提高，提升合金强度成为改进这类合金的一个重要发展方向。通过提高Al、Mn元素含量来提高合金强度，如果不辅以相应的制备工艺改进，就会降低合金塑性，从而导致合金零部件在齿轮、轴承等高疲劳应力工作环境中容易发生疲劳断裂。

其它的结构件常用的铜合金有Cu-Be合金和Cu-Ni合金。Cu-Be合金典型性能是抗拉强度950-1000MPa，延伸率9％-12％，广泛用于做弹簧材料。但由于合金中含有Be，所以合金不仅成本高，而且在生产和使用过程中会产生有毒释放物，目前在很多场合下铍青铜正逐渐被其它的环境友好型高强铜合金所替代。此外，Cu-Be合金的耐热性不高，超过200℃就有加速失效的可能。Cu-Ni系合金中的弹性铜合金有Cu-Ni-Sn、Cu-Ni-Mn合金，这类合金的抗拉强度约800MPa-950MPa，延伸率约4％-12％。这类合金中由于含Ni、Sn等金属，因此不仅成本高，而且在熔炼铸造时容易吸气，给最终产品性能带来不良影响。

发明内容

鉴于以上所述情况，开发一种成本低廉、强度≥1000MPa，延伸率≥10％的环保型耐磨耐蚀铜合金，以满足合金使用于工业装备中高机械性能、低成本、环保无害、易制备的要求，就成为现代工业装备制造中的一项迫切需求。本发明主要通过对铜合金进行成分改进和相应的工艺匹配设计，实现提高铜合金强度的同时，不降低合金塑性，从而实现高强高韧铜合金的制备。

本发明的目的主要通过以下技术方案来实现：

本发明一方面提供一种高强高韧铜合金材料，所述铜合金材料所含化学元素按质量分数配比为：Al：8％～10％，Mn：10％～11％，余量为Cu。

通过选择Al与Mn的元素含量配比，能够使合金成品组织有单一的亚稳态β相组织，从而保证合金具有高的强度。此外，通过元素配比选择可保证β相具有高的热稳定性，这样不仅合金热加工后空冷即可得到亚稳的β相，为简化生产工艺奠定组织基础，而且β在后续温加工时不易发生时效分解，从而为临界温加工产生形变诱导α相析出创造条件，最终使合金具有高强度的同时还具有良好的塑性。

根据本发明，所述铜合金的金相组织为纤维状加工变形组织和晶内弥散分布的α相，其中α的重量分数为3％-5％，其余为基体β相。

本发明另一方面提供了一种高强高韧铜合金材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：1)按照合金元素配方进行配料；2)按合金元素配方投料进行熔炼得到合金元素熔液并铸造；3)然后进行热轧；和/或，热挤压；4)然后进行加热；5)然后进行热轧；和/或，热挤压；6)最后进行临界温加工。

优选地，所述步骤2)的熔炼工序中，熔料步骤包括：

2.1)熔化铜，使用木炭将熔液液面完全覆盖；

2.2)使用铜箔将电解锰包裹后压入熔液液面下，使电解锰在液面下完全熔融以防止锰的氧化；

2.3)将铝加入熔液中同时搅拌熔体。

优选地，所述步骤3)和步骤5)的热轧条件包括：

热轧加热温度为750℃-850℃，加热温度视铸锭厚度与终轧厚度而定，热轧加热时间1-2小时。

进一步地，所述步骤3)和步骤5)的热轧工序中，热轧过程中不需要中间退火，分多道次连续轧至最终所需厚度，确保终轧温度不低于500℃；热轧总加工率≥80％，道次压下量约30％-40％，热轧后空冷不需水淬。

优选地，所述步骤3)和步骤5)的热挤压的条件包括：挤压加热温度为720℃～800℃，挤压筒预热温度580℃-600℃，挤压后的样品空冷不需水淬。

优选地，所述步骤6)的临界温加工处理方式包括温轧临界加工或者温拉拔临界加工。

其中，所述温轧临界加工条件包括：温轧温度为340℃～350℃，压下量为10％～15％，单道次温轧，温轧后空冷。

所述温拉拔临界加工条件包括：温拉拔温度340℃～350℃，拉拔变形量10％～15％，模具300℃～320℃预热，拉拔后空冷。

本发明提供的高强高韧铜合金材料及其制备方法具有以下优点：

(1)与现有的高强铜合金相比，本发明的铜合金不含有Ni、Sn这类价格昂贵的金属，合金中所含的Al、Mn价格都非常低廉，因此合金的原料成本很低；

(2)合金中不含有Be等有毒物质，属于环保型铜合金；

(3)通过控制合金中Al与Mn元素的含量配比，使合金成品组织由非常稳定的亚稳态β相组成，所以合金强度很高；通过热加工后对亚稳态合金进行临界温加工，保证合金不发生时效分解而是产生形变诱导α相析出，且α相析出在晶内而非晶界，从而使合金成品强度不降低的同时具有高塑性；

(4)合金中含有较高含量的Al，Al在熔炼时可以在熔液表面形成一层氧化膜，保护熔体不吸气，使得合金熔炼在大气环境下即可进行，易于生产；

(5)合金的基体组织β相稳定性很高，热加工后不需淬火即可保留过饱和固溶体组织，省去了合金制备过程中的固溶工序，进一步降低了生产成本；

本发明铜合金材料的最终金相组织为纤维状加工变形组织和晶内弥散分布的α相，这种复合组织可以在保证合金具有高强基体的前提下，还保留了能够松弛应力集中的软态α相，所以使合金具有良好的塑性。合金在350℃长期保温机械性能不降低，因此可用于使用温度较高的场合。而且由于原料价格低，生产工艺简单，在相关的工业应用中有很高的推广价值。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的高强高韧铜合金成品板材的侧面扫描电镜图。

具体实施方式

本发明提供了一种高强高韧铜合金，优选所述合金各组分的重量比为：Al:8-10％，Mn:10-11％，余量为Cu。

根据本发明的优选实施方式，所述高强高韧铜合金材料的抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥10.5％，抗软化温度超过350℃。基于这些特点，本发明提供的铜合金可应用于对强度和塑性要求较高且在腐蚀和高温环境中工作的零部件，如化工设备用承力件、耐磨件、高强弹簧垫片、接触弹簧，腐蚀环境中的仪器仪表元件。

根据本发明的优选实施方式，所述铜合金的金相组织为纤维状加工变形组织和晶内弥散分布的α相，其中α的重量分数为3％-5％，其余为基体β相。

通过选择Al与Mn的元素含量配比，能够使合金成品组织有单一的亚稳态β相组织，从而保证合金具有高的强度。此外，通过元素配比选择可保证β相具有高的热稳定性，这样不仅合金热加工后空冷即可得到亚稳的β相，为简化生产工艺奠定组织基础，而且β在后续温加工时不易发生时效分解，从而为临界温加工产生形变诱导α相析出创造条件，最终使铜合金具有高强度的同时还具有良好的塑性。

有鉴于此，本发明提供了一种高强高韧铜合金的制备方法，所述制备方法保证β相具有高的热稳定性，合金热加工后空冷不仅可得到亚稳的β相，能够为简化生产工艺奠定组织基础，而且β在后续温加工时不易发生时效分解，从而为临界温加工产生形变诱导α相析出创造条件，最终使合金具有高强度的同时还具有良好的塑性。

所述高强高韧铜合金的制备方法包括以下步骤：

1)按合金元素配方进行配料；2)按合金元素配方投料进行熔炼得到合金元素熔液并铸造；3)然后进行热轧；和/或，热挤压；4)然后进行加热；5)然后进行热轧；和/或，热挤压；6)最后进行临界温加工。

根据本发明的优选实施方式，优选所述步骤2)的熔炼工序包括：先熔化铜，待铜都熔化后，用木炭完全覆盖熔液液面。然后加电解锰，电解锰要用铜箔包裹，然后分批加入熔液中。电解锰加入后要将电解锰包压入液面下，使电解锰在液面下完全熔融，防止锰的氧化。之后加铝，加入铝后搅拌熔体防止局部过热。

根据本发明的优选实施方式，优选所述步骤3)和步骤5)的热轧工序条件包括：

热轧加热温度为750℃～850℃，热轧加热时间为1～2小时，分多道次连续轧至最终所需厚度，终轧温度不低于500℃；热轧总加工率≥80％，道次压下量约30％-40％，热轧后空冷不需水淬，所述热轧过程中不需要中间退火。

根据本发明的优选实施方式，优选所述步骤3)和步骤5)的热挤压工序中，挤压加热温度为720℃-800℃，挤压筒预热温度580-600℃，挤压后的样品空冷不需水淬。

根据本发明，所述步骤6)的临界温加工处理方式包括温轧临界加工或者温拉拔临界加工。

根据本发明的优选实施方式，所述温轧临界加工条件包括：温轧温度为340℃～360℃，压下量为10％～15％，单道次温轧，温轧后空冷。

根据本发明的优选实施方式，所述温拉拔临界加工条件包括：温拉拔温度340℃～350℃，拉拔变形量10％～15％，模具300℃～320℃预热，拉拔后空冷。

通过本发明制备方法的铜合金材料的基体组织β相稳定性很高，热加工后不需淬火即可保留过饱和固溶体组织，省去了合金制备过程中的固溶工序，进一步降低了生产成本。

本发明铜合金的最终金相组织为纤维状加工变形组织+晶内弥散分布的α相，这种复合组织可以在保证合金具有高强基体的前提下，还保留了能够松弛应力集中的软态α相，所以通过所述制备方法制备的铜合金具有良好的塑性。通过临界温加工工艺增强了铜合金材料的塑性，与常用的高强铜合金相比，本发明的铜合金材料成本低，更耐蚀，塑性好且不含对环境有害元素。合金的抗拉强度≥1050MPa，延伸率≥10.5％，合金的抗软化温度超过350℃。基于这些特点，本发明铜铝锰合金可应用于对强度和塑性要求较高且在腐蚀和高温环境中工作的零部件，如化工设备用承力件、耐磨件、高强弹簧垫片、接触弹簧，腐蚀环境中的仪器仪表元件等。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明合金配料成分为：Al:8％，Mn:10％，余量为Cu。

合金的具体生产工艺为：配料→熔炼并铸造→热轧加热→热轧→临界温轧。

熔炼：先熔化铜，待铜都熔化后，用木炭完全覆盖熔液液面。然后加电解锰，电解锰要用铜箔包裹，然后分批加入熔液中。电解锰加入后要将电解锰包压入液面下，使电解锰在液面下完全熔融，防止锰的氧化。之后加铝，加入铝后搅拌熔体防止局部过热；进行铸造。

热轧：热轧加热温度为800℃，热轧加热时间2小时。分多道次连续轧至最终厚度，热轧加热温度的选择以确保终轧温度550℃为准。热轧过程中不需要中间退火，热轧总的加工率80％，道次压下量约30％。热轧后空冷。

临界温轧：温轧温度350℃，压下量10％％，单道次温轧，温轧后空冷。

实施例2

本发明合金配料成分为：Al:10％，Mn:11％，余量为Cu。

合金的具体生产工艺为：配料→熔炼并铸造→热轧加热→热轧→临界温轧。

熔炼：先熔化铜，待铜都熔化后，用木炭完全覆盖熔液液面。然后加电解锰，电解锰要用铜箔包裹，然后分批加入熔液中。电解锰加入后要将电解锰包压入液面下，使电解锰在液面下完全熔融，防止锰的氧化。之后加铝，加入铝后搅拌熔体防止局部过热；进行铸造。

热轧：热轧加热温度为750℃，热轧加热时间1小时。分多道次连续轧至最终厚度，热轧加热温度的选择以确保终轧温度550℃为准。热轧过程中不需要中间退火，热轧总的加工率80％，道次压下量约30％。热轧后空冷。

临界温轧：温轧温度350℃，压下量15％，单道次温轧，温轧后空冷。

实施例3

本发明合金配料成分为：Al:8％，Mn:10％，余量为Cu。

合金的具体生产工艺为：配料→熔炼并铸造→热挤压加热→热挤压→临界温拉拔。

熔炼：先熔化铜，待铜都熔化后，用木炭完全覆盖熔液液面。然后加电解锰，电解锰要用铜箔包裹，然后分批加入熔液中。电解锰加入后要将电解锰包压入液面下，使电解锰在液面下完全熔融，防止锰的氧化。之后加铝，加入铝后搅拌熔体防止局部过热；然后进行铸造。

热挤压：挤压坯锭加热温度780℃，挤压筒预热温度580℃，挤压后出料温度560℃，挤压后空冷。

临界温拉拔：温拉拔温度350℃，拉拔变形量15％，模具300℃预热。温拉拔后空冷。

对比例

本对比例中的高强铜铍合金QBe₂，合金成分为2％Be，0.25％Co，余量为铜，合金熔铸后850℃热轧，热轧后在900℃固溶淬火，淬火后合金冷轧50％，之后在250℃时效4h。最终得到的QBe₂合金的性能参阅表1。

本发明上述各个实施例制备的铜铝锰合金性能参阅表1。

表1为本发明实施例制备的高强高韧CuAlMn合金与常见的高强Cu合金的性能对比。

表1：

本发明实施例提供的高强高韧铜铝锰合金与常见的铜合金QBe₂合金相比较，虽然强度略低，但延伸率显著升高，且本发明高强高韧铜铝锰合金的耐热温度超过350℃，远高于常见铜合金QBe₂的使用上限200℃。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围，为了避免不必要的重复，本发明不再另行说明，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (3)

1.一种高强高韧铜合金材料，其特征在于，所述铜合金材料含化学元素按质量分数配比为：Al：8％～10％，Mn：10％～11％，余量为Cu；所述铜合金材料的金相组织包括纤维状加工变形组织和晶内弥散分布的α相；

其中，α相的重量分数为3％-5％，其余为基体β相。

2.权利要求1所述的高强高韧铜合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)按照合金元素配方进行配料；

2)按合金元素配方投料进行熔炼得到合金元素熔液并铸造；

3)然后进行热轧；和/或，热挤压；

4)然后进行加热；

5)然后进行热轧；和/或，热挤压；

6)最后进行临界温加工；

步骤3)和步骤5)中所述的热轧的条件包括：热轧加热温度为750℃～850℃，热轧加热时间为1～2小时，分多道次连续轧至最终所需厚度，终轧温度不低于500℃；热轧总加工率≥80％，道次压下量为30％-40％，热轧后空冷不需水淬；

步骤3)和步骤5)中所述的热挤压的条件包括：挤压加热温度为720℃～800℃，挤压筒预热温度580-600℃，挤压后的样品空冷不需水淬；

步骤6)中所述的临界温加工处理方式包括温轧临界加工或者温拉拔临界加工；所述温轧临界加工条件包括：温轧温度为340℃～360℃，压下量为10％～15％，单道次温轧，温轧后空冷；所述温拉拔临界加工条件包括：温拉拔温度340℃～350℃，拉拔变形量10％～15％，模具300℃～320℃预热，拉拔后空冷。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述步骤2)的熔炼工序中，熔料步骤包括：

2.1)熔化铜，使用木炭将熔液液面完全覆盖；

2.2)使用铜箔将电解锰包裹后压入熔液液面下，使电解锰在液面下完全熔融以防止锰的氧化；

2.3)将铝加入熔液中同时搅拌熔体。

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