CN111979446A - 一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法，该合金的成分包括：铍、碲、钴、镍、硼、铜，以及镧、铈、镨为主的稀土元素，该制备方法的具体步骤包括：按照重量百分比进行配料、投料、熔炼及通过连续挤压机对水平连铸卷线进行连续挤压得到热加工塑性变形金相组织，然后依次进行固溶、拉拔、时效热处理工艺，加工制得碲铍铜合金的棒线材，在合金中加入硼元素有强烈的脱氧作用和细化晶粒的作用，将棒线材通过连续挤压机进行热挤压工序后，使线材实现动态的再结晶，使碲元素不仅分布在原来的晶界上，还会从晶界上进入晶粒内部，弥散度进一步破碎，使弥散分布更好，车削性能从原来的62～76％提到至70～80％。

Description

一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料加工工艺领域，具体是一种用于制造棒线材的碲铍铜合 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：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种用于制造棒线材的碲 铍铜合金及其制备方法，。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的铍Be1.85～2.wt.％，碲 Te0.35～0.4wt.％，其他元素：钴Co、镍Ni、硼B、镧、铈、镨为主的稀土元 素及杂质元素，其中硼B0.02wt.％～0.03wt.％，其他元素总和≤0.4wt.％， 其余为铜Cu。

一种用于制造棒线材的碲铍铜合金的制备方法，该制备方法的具体步骤如 下：

步骤一、按照重量百分比进行配料、投料、熔炼及水平连铸得到锭坯；

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，纯碲或铜硼中间合金，熔炼的温度为1100～ 1200℃，熔化后，保温10min～30min，经过除气、除杂工序后，静置5-20min， 然后进行半连续或连续水平连铸；

步骤二、在400℃预热后，通过连续挤压机对水平连铸卷线进行连续挤压得 到热加工塑性变形金相组织，然后依次进行固溶、拉拔、时效热处理工艺，加工 制得碲铍铜合金的棒线材。

作为本发明的进一步优选，步骤一中所述的熔炼为采用真空或非真空感应电 炉熔炼。

作为本发明的进一步优选，步骤一中电炉内熔炼温度为1170℃～1270℃。

作为本发明的进一步优选，步骤一种所述的熔炼为在真空熔炼条件下一次性 投料或分两次投料。

作为本发明的进一步优选，步骤二中所述的固溶热处理的温度为890℃

～950℃，时间为0.5h～2h，通过固溶热处理来改善构件的塑性和任性。

作为本发明的进一步优选，步骤二中所述的时效热处理的温度为100℃

～150℃，保持5h～20h，通过时效退火来消除残余应力，稳定构件的组织和尺寸。

碲(Te)改善车削性能的旁例补充说明：

碲元素加入铜内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、水平连铸、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、B、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、B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。以上各元素累计及硫、铋、硅等杂质元素的 重量总和≤0.4wt.％。

有益效果：本发明所述的一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法， 与现有技术相比，具有以下优点：

1、铍铜合金中增加的硼元素有强烈的脱氧作用和细化晶粒的作用，氧化硼 为分散成渣状，其会在液态合金金属中上浮，因此，硼元素降低了铜液里的氧含 量，从而实现铍元素形成氧化铍的量降低，硼元素的添加能提高高碲铍铜合金的 抗疲劳性能；

2、将棒线材通过连续挤压机进行热挤压工序后，使线材实现动态的再结晶， 使碲元素不仅分布在原来的晶界上，还会从晶界上进入晶粒内部，弥散度进一步 破碎，使弥散分布更好；

3、通过连续挤压后车削性能提高，从而将原来含量在0.1％～0.7％的碲元素 降低使用至0.05％～0.5％，车削性能从原来的62～～76％提到至70～80％。

4、碲的添加能提高碲铍铜合金的耐腐蚀性能，在保证线材性能的情况下减 少昂贵的碲元素的使用量来降低成本。

5、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。

6、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连续挤压加工，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；

7、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。

8、不添加铅元素，使环境负担小，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。

本发明所述的一种用于制造棒线材的碲铍铜合金，该合金的成分包括：铍、 碲、硼、钴、镍、硫、铋、硅、以及镧、铈、镨为主的稀土元素。

一种用于制造棒线材的碲铍铜合金的制备方法，该制备方法的具体步骤包 括：按照重量百分比进行配料、投料、熔炼及水平连铸得到锭坯，然后对铍锭进 行扩散退火、连续挤压接近成品规格、退火、固溶、时效热处理工艺，加工制得 碲铍铜合金的棒线材。

实施例1

步骤一、按照以下重量百分比配料：1.85wt.％的铍，0.4wt.％的碲， 0.02wt.％的硼，钴、镍、硫、铋、硅，以及镧、铈、镨为主的稀土元素等杂质 元素重量总和为≤0.4wt.％，以及余量铜，投料顺序依次为阴极铜CATH-1、铜 铍中间合金(含铍4wt.％)、纯碲、铜硼中间合金(含硼10wt.％)、铜镍中间 合金(含镍10wt.％)、铜钴中间合金(含钴10wt.％)，采用750Kg工频有芯炉 非真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1100℃，熔化后，保温10min，通入氩气 除杂质及气体，经过除气除杂后，静置5min后水平连铸温度1100℃，氩气保护， 水平连铸速度150mm/min，冷却水压0.3MPa，用水平连铸机水平连铸Φ15卷线；

步骤二、在400℃预热后，通过连续挤压机(conform)对Φ15卷线进行连 续挤压，挤出规格为Φ7的线材，然后依次进行固溶、拉拔、时效热处理工艺， 固溶热处理的温度为890℃，时间为0.5h，时效热处理的温度为100℃，保持5h。

根据上述实施方式得到的棒材力学性能参数如下表：

抗拉强度	720MPa
		维氏硬度	235
导电率IACS	58％

根据上述实施方式得到的棒材的切削性能参数如下表：

本发明	铅铍铜棒(C17300)
		77％	68％

实施例2

步骤一、按照以下重量百分比配料：2wt.％的铍，0.35wt.％的碲，0.03 wt.％的硼，钴、镍、硫、铋、硅、稀土元素等杂质元素重量总和为3wt.％，以 及余量铜，投料顺序依次为阴极铜CATH-1、铜铍中间合金(含铍6wt.％)、纯碲、 铜硼中间合金(含硼10wt.％)、铜镍中间合金(含镍10wt.％)、铜钴中间合金 (含钴10wt.％)，采用采用真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1200℃，熔化 后，保温2min，通入氩气除杂质及气体，经过除气除杂后，静置5min后水平连 铸温度1100℃，氩气保护，水平连铸速度150mm/min，冷却水压0.3MPa，用水平连铸机水平连铸Φ10卷线；

步骤二、在910℃时通过连续挤压机对水平连铸线坯进行连续挤压得到热加 工组织的挤出线材，挤压外径Φ5mm的线材，然后依次进行固溶、拉拔、时效热 处理工艺，固溶热处理的温度为900℃，时间为1h，时效热处理的温度为120℃， 保持10h。

根据上述实施方式得到的棒材力学性能参数如下表：

抗拉强度	720MPa
		维氏硬度	235
导电率IACS	58％

根据上述实施方式得到的棒材的切削性能参数如下表：

本发明	铅铍铜棒(TH04)
		80％	68％

上述实施例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，都应涵盖在本发明的保 护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于制造棒线材的碲铍铜合金，其成分包括：铍Be1.85～2.wt.％，碲Te0.35～0.4wt.％，其他元素：钴Co、镍Ni、硼B、稀土元素及杂质元素，其中硼B0.02wt.％～0.03wt.％，其他元素总和≤0.4wt.％，其余为铜Cu。

2.一种用于制造棒线材的碲铍铜合金的制备方法，其特征在于：该制备方法的具体步骤如下：

步骤一、按照重量百分比进行配料、投料、熔炼及水平连铸得到锭坯；

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，纯碲或铜硼中间合金，熔炼的温度为1100～1200℃，熔化后，保温10min～30min，经过除气、除杂工序后，静置5-20min，然后进行连续水平连铸；

步骤二、在400℃预热后，通过连续挤压机对水平连铸卷线进行连续挤压得到热加工塑性变形金相组织，然后依次进行固溶、拉拔、时效热处理工艺，加工制得碲铍铜合金的棒线材。

3.根据权利要求2所述的一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法，其特征在于：步骤一种所述的熔炼为在真空熔炼条件下一次性投料或分两次投料。

4.根据权利要求2所述的一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法，其特征在于：步骤一中所述的熔炼为采用真空或非真空感应电炉熔炼。

5.根据权利要求4所述的一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法，其特征在于：步骤一中电炉内熔炼温度为1170℃～1270℃。

6.根据权利要求2所述的一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法，其特征在于：步骤二中所述的固溶热处理的温度为890℃～950℃，时间为0.5h～2h。

7.根据权利要求2所述的一种用于制造棒线材的碲铍铜合金及其制备方法，其特征在于：步骤二中所述的时效热处理的温度为100℃～150℃，保持5h～20h。