CN113174509B - 一种高强度铍铜合金棒及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度铍铜合金棒，具体涉及铍铜合金技术领域，包括如下元素：Be、Si、Ni、Co、Zr、Ti、V、稀土元素，余量为Cu和不可避免的杂质。本发明生产的高强度铍铜合金棒加入镍、钴、锆、钛、钒和稀土元素，镍和钴的加入能够细化合金材料内部的晶粒，提高内部组织的均匀性，使得铍铜合金材料具有良好的力学性能，锆能够提高铍铜合金的软化温度，细化再结晶晶粒，钛能够有效增强铍铜合金的强度，钒能够净化变质、细化晶粒，能够提高铍铜合金棒的耐磨性能，而稀土元素能够细化晶粒，使得晶粒均匀，能够有效提高皮铜合金棒的强度和耐腐蚀性能，本发明能够提高铍铜合金棒的实用性，使得铍铜合金棒能够满足人们的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高强度铍铜 合金棒及其制备工艺。
背景技术
铍铜合金是以铍为主要合金元素的铜合金，又称之为铍青铜。它是铜合 金中性能最好的高级弹性材料，具有很高的强度、弹性、硬度、疲劳强度， 弹性滞后小、耐蚀、耐磨、耐寒、高导电、无磁性、冲击不产生火花等一系 列优良的物理、化学和力学性能。铍铜合金经过淬火调质后，具有高的强度， 弹性，耐磨性，耐疲劳性和耐热性，同时铍铜合金还具有很高的导电性，导 热性，耐寒性和无磁性，碰击时无火花，易于焊接和钎焊，在大气，淡水和海水中耐腐蚀性极好。腐蚀后，强度、延伸率均无变化，故在海水中可保持40 年以上，是海底电缆中继器构造体不可替代的材料。而且广泛应用于航空航 天、电子电气、石油化工、日用五金等领域。
铍的价格昂贵且为剧毒物质，低铍铜合金的铍含量为0.2％-0.7％，具有 良好的导电性能及一定的强度而被广泛应用，且铍含量较TBe2等高强度含铍 铜合金低，具有成本优势并有利于环保。随着TBe0.3-1.5、TBe0.4-1.8等低 铍铜合金新增到国标中，低铍铜合金受到越来越多的关注。目前，国产低铍 铜合金的时效后抗拉强度约为650-750MPa，电导率为45-60％IACS，由于合金 中杂质元素等含量较高，电导率一般偏下限。国际知名厂商如NGK所产低铍铜 合金材料的抗拉强度为700-950MPa，电导率为50-60％IACS；高强度铍铜合金 中的铍含量为1.6％-2.1％，时效后抗拉强度最高可超过1400MPa，但电导率 仅为22％IACS。对于铜合金本身，任何提高其强度的方法都会导致电导率降 低，因此铜合金的高强度和高导电率是一对矛盾，不可兼得。
低铍铜合金在导电性能上具有较高的优势，随着铍铜合金中铍含量的逐 渐增加，铍铜合金的强度越高，但是铍的价格昂贵，而且为剧毒物质，所以 铍铜合金材料中铍的含量较低时，铍铜合金材料的强度不足，不能满足人们 的使用需求。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种高强度铍铜合 金棒及其制备工艺，本发明所要解决的问题是：如何提高铍铜合金棒的强度， 降低铍含量的使用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度铍铜合金棒， 包括按重量百分数计的如下元素：Be：1-1.6％、Si:0.1-0.5％、Ni：0.5-1％、 Co：0.1-0.5％、Zr:0.05-0.15％、Ti:0.005-0.045％、V：0.05-0.15％、稀土元 素：0.05-0.15％，余量为Cu和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，包括按重量百分数计的如下元素：Be： 1.2-1.4％、Si:0.2-0.4％、Ni：0.7-0.8％、Co：0.2-0.4％、Zr:0.08-0.12％、 Ti:0.02-0.03％、V：0.08-0.12％、稀土元素：0.08-0.12％，余量为Cu和不可 避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，包括按重量百分数计的如下元素：Be： 1.3％、Si:0.3％、Ni：0.75％、Co：0.3％、Zr:0.1％、Ti:0.025％、V：0.1％、稀 土元素：0.1％，余量为Cu和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，所述不可避免的杂质含量低于0.005％，所 述稀土元素为镧、钐和铈的混合物，且所述镧、钐、铈的质量比为(3-6)： (1-2)：(0.5-1)。
本发明还提供一种高强度铍铜合金棒的制备工艺，具体制备步骤如下：
步骤一：熔炼，按照上述重量百分比分别称取原料，将称取的原料依次 投入到真空熔炼炉中，在真空熔炼炉中以1200-1300℃条件下熔炼40-60分钟， 熔炼完成后在惰性气体的作用下将熔炼液导入到精炼炉中进行精炼；
步骤二：浇注锻造，精炼完成后降温至1050-1150℃条件下进行浇注，浇 注完成后冷却脱模得到铸棒，将得到的铸棒经过铣面加工后加热至750-820 ℃，然后放入锻压机中进行锻造；
步骤三：热轧，将锻造后的铸件进行轧制，轧制时先对铸件进行初轧， 初轧时的温度为800-850，初轧完成后进行精轧，精轧时的温度为700-780 ℃；
步骤四：固溶处理，将轧制后的铸件加热至760-800℃条件下进行保温 2-4h，保温完成后进行淬火处理；
步骤五：将淬火处理完成的工件放入均质炉中进行均质化处理，均质化 处理后进行时效处理，时效处理完成后得到高强度铍铜合金棒。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一称取的Si、Ni、Co、Zr、Ti和 V分别以Cu-Si中间合金、Cu-Ni中间合金、Cu-Co中间合金、Cu-Zr中间合 金、Cu-Ti中间合金和Cu-V中间合金的形式加入。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一中原料投入熔炼炉的顺序依次 为铜、镍、钴、铬、锆、硅、钛、钒、铍和稀土元素，所述稀土元素加入前 先混合均匀，所述步骤一中精炼时的温度为1350-1450℃，精炼时间为10-18 分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中初轧时有效轧制道次数为3-7， 精轧时有效轧制道次数为2-6。
在一个优选的实施方式中，所述步骤四中淬火处理时温度为500-600 ℃，淬火处理时间为10-15分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤五中均质化处理时温度为500-600 ℃，均质化处理的时间为3-4h，所述时效处理的温度为260-300℃，处理时 间为10-15h，时效处理后进行空冷至室温。
本发明的技术效果和优点：
1、采用本发明的原料配方所制备出的高强度铍铜合金棒，铍铜合金中控 制铍元素含量为1-1.6％，并在铍铜合金材料中加入镍、钴、锆、钛、钒和稀 土元素，镍和钴的加入能够细化合金材料内部的晶粒，提高内部组织的均匀 性，使得铍铜合金材料具有良好的力学性能，而且镍能够抑制合金材料淬火 时的相变，抑制再结晶过程，锆能够提高铍铜合金的软化温度，细化再结晶 晶粒，钛能够有效增强铍铜合金的强度，钒能够净化变质、细化晶粒，能够 提高铍铜合金棒的耐磨性能，而稀土元素能够细化晶粒，使得晶粒均匀，能 够有效提高皮铜合金棒的强度和耐腐蚀性能，本发明能够在保证铍含量较低 的情况下提高铍铜合金棒的强度，提高铍铜合金棒的实用性，使得铍铜合金 棒能够满足人们的使用需求；
2、本发明通过熔炼的方法将Cu-Si中间合金、Cu-Ni中间合金、Cu-Co 中间合金、Cu-Zr中间合金、Cu-Ti中间合金和Cu-V中间合金加入到铍铜合 金中，对铍铜合金进行改性，并将得到的铸件进行热轧、固溶处理、淬火处 理、均质化处理和时效处理，能够有效提高铍铜合金棒的强度。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种高强度铍铜合金棒，包括按重量百分数计的如下元素： Be：1％、Si:0.1％、Ni：0.5％、Co：0.1％、Zr:0.05％、Ti:0.005％、V：0.05％、 稀土元素：0.05％，余量为Cu和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，所述不可避免的杂质含量低于0.005％，所 述稀土元素为镧、钐和铈的混合物，且所述镧、钐、铈的质量比为4：1.5： 0.8。
本发明还提供一种高强度铍铜合金棒的制备工艺，具体制备步骤如下：
步骤一：熔炼，按照上述重量百分比分别称取原料，将称取的原料依次 投入到真空熔炼炉中，在真空熔炼炉中以1250℃条件下熔炼50分钟，熔炼完 成后在惰性气体的作用下将熔炼液导入到精炼炉中进行精炼；
步骤二：浇注锻造，精炼完成后降温至1100℃条件下进行浇注，浇注完 成后冷却脱模得到铸棒，将得到的铸棒经过铣面加工后加热至780℃，然后放 入锻压机中进行锻造；
步骤三：热轧，将锻造后的铸件进行轧制，轧制时先对铸件进行初轧， 初轧时的温度为825，初轧完成后进行精轧，精轧时的温度为740℃；
步骤四：固溶处理，将轧制后的铸件加热至780℃条件下进行保温3h， 保温完成后进行淬火处理；
步骤五：将淬火处理完成的工件放入均质炉中进行均质化处理，均质化 处理后进行时效处理，时效处理完成后得到高强度铍铜合金棒。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一称取的Si、Ni、Co、Zr、Ti和 V分别以Cu-Si中间合金、Cu-Ni中间合金、Cu-Co中间合金、Cu-Zr中间合 金、Cu-Ti中间合金和Cu-V中间合金的形式加入。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一中原料投入熔炼炉的顺序依次 为铜、镍、钴、铬、锆、硅、钛、钒、铍和稀土元素，所述稀土元素加入前 先混合均匀，所述步骤一中精炼时的温度为1400℃，精炼时间为15分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中初轧时有效轧制道次数为5， 精轧时有效轧制道次数为4。
在一个优选的实施方式中，所述步骤四中淬火处理时温度为550℃，淬 火处理时间为12分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤五中均质化处理时温度为550℃， 均质化处理的时间为3.5h，所述时效处理的温度为280℃，处理时间为13h， 时效处理后进行空冷至室温。
实施例2：
与实施例1不同的是，所述高强度铍铜合金棒包括按重量百分数计的如 下元素：Be：1.3％、Si:0.3％、Ni：0.75％、Co：0.3％、Zr:0.1％、Ti:0.025％、 V：0.1％、稀土元素：0.1％，余量为Cu和不可避免的杂质。
实施例3：
与实施例1-2均不同的是，所述高强度铍铜合金棒包括按重量百分数计 的如下元素：Be：1.6％、Si:0.5％、Ni：1％、Co：0.5％、Zr:0.15％、 Ti:0.045％、V：0.15％、稀土元素：0.15％，余量为Cu和不可避免的杂质。
实施例4：
一种高强度铍铜合金棒，包括按重量百分数计的如下元素：Be：1％、 Si:0.1％、Ni：0.5％、Co：0.1％、Zr:0.05％、Ti:0.005％、稀土元素：0.05％， 余量为Cu和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，所述不可避免的杂质含量低于0.005％，所 述稀土元素为镧、钐和铈的混合物，且所述镧、钐、铈的质量比为4：1.5： 0.8。
本发明还提供一种高强度铍铜合金棒的制备工艺，具体制备步骤如下：
步骤一：熔炼，按照上述重量百分比分别称取原料，将称取的原料依次 投入到真空熔炼炉中，在真空熔炼炉中以1250℃条件下熔炼50分钟，熔炼完 成后在惰性气体的作用下将熔炼液导入到精炼炉中进行精炼；
步骤二：浇注锻造，精炼完成后降温至1100℃条件下进行浇注，浇注完 成后冷却脱模得到铸棒，将得到的铸棒经过铣面加工后加热至780℃，然后放 入锻压机中进行锻造；
步骤三：热轧，将锻造后的铸件进行轧制，轧制时先对铸件进行初轧， 初轧时的温度为825，初轧完成后进行精轧，精轧时的温度为740℃；
步骤四：固溶处理，将轧制后的铸件加热至780℃条件下进行保温3h， 保温完成后进行淬火处理；
步骤五：将淬火处理完成的工件放入均质炉中进行均质化处理，均质化 处理后进行时效处理，时效处理完成后得到高强度铍铜合金棒。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一称取的Si、Ni、Co、Zr和V分 别以Cu-Si中间合金、Cu-Ni中间合金、Cu-Co中间合金、Cu-Zr中间合金和 Cu-V中间合金的形式加入。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一中原料投入熔炼炉的顺序依次 为铜、镍、钴、铬、锆、硅、钛、铍和稀土元素，所述稀土元素加入前先混 合均匀，所述步骤一中精炼时的温度为1400℃，精炼时间为15分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中初轧时有效轧制道次数为5， 精轧时有效轧制道次数为4。
在一个优选的实施方式中，所述步骤四中淬火处理时温度为550℃，淬 火处理时间为12分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤五中均质化处理时温度为550℃， 均质化处理的时间为3.5h，所述时效处理的温度为280℃，处理时间为13h， 时效处理后进行空冷至室温。
实施例5：
一种高强度铍铜合金棒，包括按重量百分数计的如下元素：Be：1％、 Si:0.1％、Ni：0.5％、Co：0.1％、Zr:0.05％、Ti:0.005％、V：0.05％，余量为Cu 和不可避免的杂质。
在一个优选的实施方式中，所述不可避免的杂质含量低于0.005％。
本发明还提供一种高强度铍铜合金棒的制备工艺，具体制备步骤如下：
步骤一：熔炼，按照上述重量百分比分别称取原料，将称取的原料依次 投入到真空熔炼炉中，在真空熔炼炉中以1250℃条件下熔炼50分钟，熔炼完 成后在惰性气体的作用下将熔炼液导入到精炼炉中进行精炼；
步骤二：浇注锻造，精炼完成后降温至1100℃条件下进行浇注，浇注完 成后冷却脱模得到铸棒，将得到的铸棒经过铣面加工后加热至780℃，然后放 入锻压机中进行锻造；
步骤三：热轧，将锻造后的铸件进行轧制，轧制时先对铸件进行初轧， 初轧时的温度为825，初轧完成后进行精轧，精轧时的温度为740℃；
步骤四：固溶处理，将轧制后的铸件加热至780℃条件下进行保温3h， 保温完成后进行淬火处理；
步骤五：将淬火处理完成的工件放入均质炉中进行均质化处理，均质化 处理后进行时效处理，时效处理完成后得到高强度铍铜合金棒。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一称取的Si、Ni、Co、Zr、Ti和 V分别以Cu-Si中间合金、Cu-Ni中间合金、Cu-Co中间合金、Cu-Zr中间合 金、Cu-Ti中间合金和Cu-V中间合金的形式加入。
在一个优选的实施方式中，所述步骤一中原料投入熔炼炉的顺序依次 为铜、镍、钴、铬、锆、硅、钛、钒和铍，所述步骤一中精炼时的温度为1400 ℃，精炼时间为15分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤三中初轧时有效轧制道次数为5， 精轧时有效轧制道次数为4。
在一个优选的实施方式中，所述步骤四中淬火处理时温度为550℃，淬 火处理时间为12分钟。
在一个优选的实施方式中，所述步骤五中均质化处理时温度为550℃， 均质化处理的时间为3.5h，所述时效处理的温度为280℃，处理时间为13h， 时效处理后进行空冷至室温。
分别选取上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5生产 的铍铜合金棒分别作为实验组1、实验组2、实验组3、实验组4和实验组5， 利用传统的铍铜合金棒作为对照组，分别测试选取的铍铜合金棒在20℃、200 ℃、250℃和300℃条件下的力学性能。测量结果如表一：
表一
由表一可知，本发明生产的铍铜合金棒传统的铍铜合金棒相比，屈服强 度和抗拉强度均明显增加，而且本发明生产的铍铜合金棒在20-300℃之间随 着温度的增加力学性能降低较少，实施例4和实施例5中分别缺少钒和稀土 元素，而实施例4和实施例5生产的铍铜合金棒力学性能明显不足实施例1 生产的铍铜合金棒，由此证明，本发明生产的铍铜合金棒中加入镍、钴、锆、 钛、钒和稀土元素，镍和钴的加入能够细化合金材料内部的晶粒，提高内部 组织的均匀性，使得铍铜合金材料具有良好的力学性能，而且镍能够抑制合 金材料淬火时的相变，抑制再结晶过程，锆能够提高铍铜合金的软化温度， 细化再结晶晶粒，钛能够有效增强铍铜合金的强度，钒能够净化变质、细化 晶粒，能够提高铍铜合金棒的耐磨性能，而稀土元素能够细化晶粒，使得晶 粒均匀，能够有效提高皮铜合金棒的强度和耐腐蚀性能，本发明能够在保证 铍含量较低的情况下提高铍铜合金棒的强度，提高铍铜合金棒的实用性，使 得铍铜合金棒能够满足人们的使用需求。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高强度铍铜合金棒，其特征在于：包括按重量百分数计的如下元素：Be：1-1.6%、Si:0.1-0.5%、Ni：0.5-1%、Co：0.1-0.5%、Zr:0.05-0.15%、Ti:0.005-0.045%、V：0.05-0.15%、稀土元素：0.05-0.15%，余量为Cu和不可避免的杂质；
所述高强度铍铜合金棒的制备工艺，具体制备步骤如下：
步骤一：熔炼，按照上述重量百分比分别称取原料，将称取的原料依次投入到真空熔炼炉中，在真空熔炼炉中以1200-1300℃条件下熔炼40-60分钟，熔炼完成后在惰性气体的作用下将熔炼液导入到精炼炉中进行精炼；
步骤二：浇注锻造，精炼完成后降温至1050-1150℃条件下进行浇注，浇注完成后冷却脱模得到铸棒，将得到的铸棒经过铣面加工后加热至750-820℃，然后放入锻压机中进行锻造；
步骤三：热轧，将锻造后的铸件进行轧制，轧制时先对铸件进行初轧，初轧时的温度为800-850℃，初轧完成后进行精轧，精轧时的温度为700-780℃；
步骤四：固溶处理，将轧制后的铸件加热至760-800℃条件下进行保温2-4h，保温完成后进行淬火处理；
步骤五：将淬火处理完成的工件放入均质炉中进行均质化处理，均质化处理后进行时效处理，时效处理完成后得到高强度铍铜合金棒；
所述步骤四中淬火处理时温度为500-600℃，淬火处理时间为10-15分钟；
所述步骤五中均质化处理时温度为500-600℃，均质化处理的时间为3-4h，所述时效处理的温度为260-300℃，处理时间为10-15h，时效处理后进行空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铍铜合金棒，其特征在于：包括按重量百分数计的如下元素：Be：1.2-1.4%、Si:0.2-0.4%、Ni：0.7-0.8%、Co：0.2-0.4%、Zr:0.08-0.12%、Ti:0.02-0.03%、V：0.08-0.12%、稀土元素：0.08-0.12%，余量为Cu和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高强度铍铜合金棒，其特征在于：包括按重量百分数计的如下元素：Be：1.3%、Si:0.3%、Ni：0.75%、Co：0.3%、Zr:0.1%、Ti:0.025%、V：0.1%、稀土元素：0.1%，余量为Cu和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高强度铍铜合金棒，其特征在于：所述不可避免的杂质含量低于0.005%，所述稀土元素为镧、钐和铈的混合物，且所述镧、钐、铈的质量比为（3-6）：（1-2）：（0.5-1）。
5.根据权利要求1所述的一种高强度铍铜合金棒，其特征在于：所述步骤一称取的Si、Ni、Co、Zr、Ti和V分别以Cu-Si中间合金、Cu-Ni中间合金、Cu-Co中间合金、Cu-Zr中间合金、Cu-Ti中间合金和Cu-V中间合金的形式加入。
6.根据权利要求1所述的一种高强度铍铜合金棒，其特征在于：所述步骤一中原料投入熔炼炉的顺序依次为铜、镍、钴、铬、锆、硅、钛、钒、铍和稀土元素，所述稀土元素加入前先混合均匀，所述步骤一中精炼时的温度为1350-1450℃，精炼时间为10-18分钟。
7.根据权利要求1所述的一种高强度铍铜合金棒，其特征在于：所述步骤三中初轧时有效轧制道次数为3-7，精轧时有效轧制道次数为2-6。
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