CN114686721A - 一种高强度铜合金棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度铜合金棒材，其特征在于：该铜合金的质量百分比组成为Sn：3.5～4.5wt％；Al：2.0～2.5wt％；Zn：16～20wt％；Fe：0.1～0.2wt％；Co：0.3～0.5wt％；余量为Cu及不可避免的杂质。本发明通过控制铜合金中Sn、Al、Zn、Fe、Co的添加含量，实现了铜合金棒材的抗拉强度≥850MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa，延伸率≥5％，抗高温软化温度≥500℃的综合性能，主要应用于汽车零配件、继电器、模具配件等领域。

Description

一种高强度铜合金棒材及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种高强度铜合金棒材及其制备方法。

背景技术

目前铜合金体系中，黄铜与锡磷青铜因具备加工性能优异、产品用途广泛、生产可操作性高等优点，在当前铜加工工业领域占据极大的产量占比。

其中黄铜因加入锌元素，提高了材料的机械强度、硬度，同时锌具备脱气作用，在熔炼铸造过程中能够挥发带走熔体中的气体，减小偏析倾向和增加熔体流动性，有效改善了合金的可铸性。然而黄铜也存在一定局限性，在热加工条件下性能优异，但冷加工塑性较差。且合金在一定热处理条件下强度衰减明显，抗高温软化性较差。

锡磷青铜因含锡元素，具有比黄铜更高的强度、硬度和弹性。但锡青铜热加工性能较差，采用热加工经济效益差，一般采用水平连铸、后道拉伸、退火的加工工艺生产制备。较比于挤压制品，水平连铸青铜产品易保留铸态组织，组织性能均匀性较差。

目前高强度铜合金是我国战略型新兴产业，是载人航天、探月工程、核心电子器件、雷达系统、电器工程等所必需的结构功能材料。一般要求材料强度超过800MPa以上，并且具备优异的抗高温软化性能。本发明对比锡青铜和普通黄铜的特性，在锡青铜基础上进行成分优化调整，拟开发一款力学性能与抗高温软化性能优于锡青铜与黄铜的高强度铜合金棒材，并兼具良好的冷、热加工性能。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种强度、抗高温软化温度高且易规模化稳定生产的高强度铜合金棒材。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高强度铜合金棒材，其特征在于：该铜合金的质量百分比组成为Sn：3.5～4.5wt％；Al：2.0～2.5wt％；Zn：16～20wt％；Fe：0.1～0.2wt％；Co：0.3～0.5wt％；余量为Cu及不可避免的杂质。

合金中添加适量Sn元素，能够大幅度提高合金强度和耐磨性能，同时协同Zn元素的添加，使合金兼具良好的冷热加工性能。

加入适量Al元素，能够形成γ硬质相和少量Cu-Al₂O₃强化相，且上述强化相弥散分布于基体中能够显著提高合金强度。

Zn元素的加入同时也能够有效改善合金熔铸性能，避免铸锭出现裂纹，缩松等质量缺陷。微量Fe元素的加入能够有效细化晶粒，起到一定细晶强化作用，同时间接增加了单位面积晶粒间晶界的数量，有利于提高晶界处强化相的分布量。

Co元素的加入能够起到一定时效强化作用，促进气团位错形成以提高材料强度，在一定大加工率的冷加工条件下强化效果尤为显著。同时Co元素能够协同Sn元素形成强化型含钴δ相，δ相在一定加工条件下能够从基体中析出分布于基体中，以提高合金的力学性能和抗高温软化性能。

作为优选，该铜合金的微观组织中含有α相、γ相、δ相以及Cu-Al₂O₃相；其中，α相的面积占比为90％以上。铜合金基体以α相为主，使材料具备与锡青铜相近的优异加工塑性。δ相作为主要强化相，起到提高材料强度与抗高温软化性能的作用。γ相在一定程度上能够改善合金热加工性能，而Cu-Al₂O₃相能够起到一定弥散强化作用。

作为优选，Co、Sn元素含量比值控制在7wt％～15wt％。Co、Sn元素含量比值在7％～15％范围时，上述性能强化效果尤为显著。

作为优选，所述δ相的面积占比为0.5～2.0％。本发明合金中δ相主要由Sn、Co、Cu元素组成，δ相中Sn、Co、Cu元素含量占比分别在65％、20％、15％左右。若低于0.5％，对于合金强化效果不明显，若高于2.0％，会使材料脆化，降低合金的加工塑性。

作为优选，所述α相的平均晶粒度为5～15μm，δ相平均尺寸为0.1～1.0μm，Cu-Al₂O₃相平均尺寸为20～80nm。

作为优选，该铜合金棒材的抗拉强度≥850MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa，延伸率≥5％。

作为优选，该铜合金棒材的抗高温软化温度≥500℃。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种高强度铜合金棒材的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种高强度铜合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

1)熔炼；

2)铸造：采用半连续铸造，铸造温度控制在1150～1180℃，冷却循环水进水温度控制在5～25℃，出水温度控制在15～40℃，初始拉铸速度为20～50mm/min，拉铸炉料总量0.1～0.15wt％时，提高拉铸速度至70～100mm/min，直至拉铸结束；

3)均匀化：加热炉内初始温度控制在400℃以下，升温速率为10～20℃/min，升温至650～750℃后保温3～10h；

4)挤压：采用水封挤压方式，挤压加热温度范围750～800℃，保温时间1～3h，挤压比35～100：1，循环冷却水温度控制在10～40℃；

5)第一道拉伸：将挤压毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在10～25％；

6)扒皮拉伸：将拉伸后毛进行扒皮拉伸；

7)第二道拉伸：将扒皮后毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在10～30％；

8)退火：将拉伸后毛坯进行热处理，温度范围：360～390℃，保温时间1～3h；

9)成品拉伸：将退火后坯料进行成品拉伸，拉伸加工率控制在20～50％。

步骤2)中，先低速铸造，后高速铸造，能够避免铸造时间过长导致Zn元素挥发而影响合金成分，同时保证铸锭致密性良好，无伴生低熔点物，氧化物等夹杂物形成。

步骤3)中，均匀化改善因Sn元素的添加而造成的反偏析问题。控制初始温度、升温速度、保温温度和保温时间，能够使铸锭中心-边缘Sn含量偏差由0.8～1.2％以上降低至0.3％以内。同时也有效控制铸态组织中δ相尺寸范围在1～3μm范围，不但有利于提高合金强度，同时也避免因温度过高、保温时间过长造成δ相聚集融合长大而恶化材料的加工性能。

步骤4)中，挤压工艺采用水封挤压方式主要为保留合金高温相，达到一定固溶强化的目的，同时也有效减少工序，后续无需进行固溶处理。控制挤压温度和保温时间能够在保证挤压顺利进行同时，提高挤压坯料的组织均匀性，避免晶粒粗大和形成长条状铸态α相。挤压坯组织性能：α相晶粒度控制在10～18μm，α相比例90～95％，β相比例4～8％，其他强化相比例1～2％，能够保证材料具备良好加工塑性，延伸率达到25％以上。

步骤5)中，第一道拉伸主要为后道次扒皮工序做铺垫，控制加工率在10～25％，使材料发生一定的加工硬化，保证后道扒皮工序能够顺利进行，避免出现因塑性偏高造成扒皮不均匀现象。同时加工率不宜偏大，防止材料硬度过高使扒皮模具发热严重，从而造成模具损坏。

步骤6)中，扒皮工序主要为消除挤压后坯料表面形成的少量起皮和缺陷，也间接清除表面高Sn偏析层。同时提高了坯料表面光洁度，有助于第二道拉伸能够顺利进行。

步骤7)中，对材料进行退火处理一方面能够改善材料加工塑性，同时在一定温度条件下，使部分含Co强化相析出，提高材料强度。控制温度上限和保温时间，避免出现过时效以及晶粒长大和组织均匀性降低的现象，实现良好细晶强化和时效强化的目的。

步骤8)中，成品拉伸主要以实现加工硬化为目的，同时较大加工率使得晶粒充分破碎，α相平均晶粒度在5～15μm，达到一定细晶强化目的。其他强化相：含钴、锡的δ相尺寸为0.1～1.0μm，Cu-Al₂O₃相尺寸为20～80nm。控制强化相尺寸大小，使其更好弥散分布，能够进一步显著提高合金成品强度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过控制铜合金中Sn、Al、Zn、Fe、Co的添加含量，实现了铜合金棒材的抗拉强度≥850MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa，延伸率≥5％，抗高温软化温度≥500℃的综合性能，主要应用于汽车零配件、继电器、模具配件等领域。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提供4个实施例和1个对比例，具体成分见表1。

实施例1

高强度铜合金棒材的具体制备步骤为：

1)熔炼：按成分要求配比，使用原料包括电解铜，锡锭，铝锭，锌锭，铜铁中间合金，金属钴。原料依次加入中频炉内升温，初始温度为1250℃，待原料熔化后加入清渣剂。熔体均匀搅拌后最后添加锌锭，并且控制熔炼温度降低至1100℃。

2)铸造：采用半连续铸造，铸造温度控制在1150℃，冷却循环水进水温度控制在15～20℃，出水温度控制在20～30℃，初始拉铸速度为30mm/min，拉铸炉料总量0.1wt％时，提高拉铸速度至90mm/min，直至拉铸结束；最后得到规格φ250mm铸锭，锯切长度500mm。

3)均匀化：加热炉内初始温度控制在200℃，升温速率为15℃/min，升温至680℃后保温6h；

4)挤压：采用水封挤压方式，挤压加热温度范围760℃，保温时间2.5h，挤压比92：1，循环冷却水温度控制在15～20℃；挤压规格φ26mm。

5)第一道拉伸：将挤压毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在15％；加工至规格φ24mm。

6)扒皮拉伸：将拉伸后毛进行扒皮拉伸；扒皮量为1mm，加工至规格φ23mm。

7)第二道拉伸：将扒皮后毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在24％；加工至规格φ20mm。

8)退火：将拉伸后毛坯进行热处理，温度范围：380℃，保温时间2h；完成退火后需进行酸洗处理。

9)成品拉伸：将退火后坯料进行成品拉伸，拉伸加工率控制在36％，最终成品规格为φ16mm。

10)矫直：对成品棒材进行矫直处理，锯切后包装入库。

实施例2

高强度铜合金棒材的具体制备步骤为：

1)熔炼：按成分要求配比，使用原料包括电解铜，锡锭，铝锭，锌锭，铜铁中间合金，金属钴。原料依次加入中频炉内升温，初始温度为1260℃，待原料熔化后加入清渣剂。熔体均匀搅拌后最后添加锌锭，并且控制熔炼温度降低至1085℃。

2)铸造：采用半连续铸造，铸造温度控制在1150℃，冷却循环水进水温度控制在15～20℃，出水温度控制在20～30℃，初始拉铸速度为40mm/min，拉铸炉料总量0.15wt％时，提高拉铸速度至100mm/min，直至拉铸结束；最后得到规格φ250mm铸锭，锯切长度500mm。

3)均匀化：加热炉内初始温度控制在300℃，升温速率为20℃/min，升温至700℃后保温5h；

4)挤压：采用水封挤压方式，挤压加热温度范围780℃，保温时间2h，挤压比92：1，循环冷却水温度控制在15～20℃；挤压规格φ26mm。

5)第一道拉伸：将挤压毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在15％；加工至规格φ24mm。

6)扒皮拉伸：将拉伸后毛进行扒皮拉伸；扒皮量为1mm，加工至规格φ23mm。

7)第二道拉伸：将扒皮后毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在24％；加工至规格φ20mm。

8)退火：将拉伸后毛坯进行热处理，温度范围：370℃，保温时间2h；完成退火后需进行酸洗处理。

9)成品拉伸：将退火后坯料进行成品拉伸，拉伸加工率控制在36％，最终成品规格为φ16mm。

10)矫直：对成品棒材进行矫直处理，锯切后包装入库。

实施例3

高强度铜合金棒材的具体制备步骤为：

1)熔炼：按成分要求配比，使用原料包括电解铜，锡锭，铝锭，锌锭，铜铁中间合金，金属钴。原料依次加入中频炉内升温，初始温度为1250℃，待原料熔化后加入清渣剂。熔体均匀搅拌后最后添加锌锭，并且控制熔炼温度降低至1095℃。

2)铸造：采用半连续铸造，铸造温度控制在1160℃，冷却循环水进水温度控制在15～20℃，出水温度控制在20～30℃，初始拉铸速度为30mm/min，拉铸炉料总量0.12wt％时，提高拉铸速度至90mm/min，直至拉铸结束；最后得到规格φ250mm铸锭，锯切长度500mm。

3)均匀化：加热炉内初始温度控制在350℃，升温速率为20℃/min，升温至720℃后保温6h；

4)挤压：采用水封挤压方式，挤压加热温度范围780℃，保温时间2h，挤压比92：1，循环冷却水温度控制在15～20℃；挤压规格φ26mm。

5)第一道拉伸：将挤压毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在15％；加工至规格φ24mm。

6)扒皮拉伸：将拉伸后毛进行扒皮拉伸；扒皮量为1mm，加工至规格φ23mm。

7)第二道拉伸：将扒皮后毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在17％；加工至规格φ21mm。

8)退火：将拉伸后毛坯进行热处理，温度范围：360℃，保温时间3h；完成退火后需进行酸洗处理。

9)成品拉伸：将退火后坯料进行成品拉伸，拉伸加工率控制在42％，最终成品规格为φ16mm。

10)矫直：对成品棒材进行矫直处理，锯切后包装入库。

实施例4

高强度铜合金棒材的具体制备步骤为：

1)熔炼：按成分要求配比，使用原料包括电解铜，锡锭，铝锭，锌锭，铜铁中间合金，金属钴。原料依次加入中频炉内升温，初始温度为1270℃，待原料熔化后加入清渣剂。熔体均匀搅拌后最后添加锌锭，并且控制熔炼温度降低至1100℃。

2)铸造：采用半连续铸造，铸造温度控制在1150℃，冷却循环水进水温度控制在15～20℃，出水温度控制在20～30℃，初始拉铸速度为40mm/min，拉铸炉料总量0.1wt％时，提高拉铸速度至90mm/min，直至拉铸结束；最后得到规格φ250mm铸锭，锯切长度500mm。

3)均匀化：加热炉内初始温度控制在200℃，升温速率为20℃/min，升温至720℃后保温6h；

4)挤压：采用水封挤压方式，挤压加热温度范围780℃，保温时间2h，挤压比92：1，循环冷却水温度控制在15～20℃；挤压规格φ26mm。

5)第一道拉伸：将挤压毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在15％；加工至规格φ24mm。

6)扒皮拉伸：将拉伸后毛进行扒皮拉伸；扒皮量为1mm，加工至规格φ23mm。

7)第二道拉伸：将扒皮后毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在17％；加工至规格φ21mm。

8)退火：将拉伸后毛坯进行热处理，温度范围：370℃，保温时间2.5h；完成退火后需进行酸洗处理。

9)成品拉伸：将退火后坯料进行成品拉伸，拉伸加工率控制在42％，最终成品规格为φ16mm。

10)矫直：对成品棒材进行矫直处理，锯切后包装入库。

对得到的实施例进行金相组织检测，检测标准：YS/T 449-2002铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法，具体结果见表2。

对实施例和对比例进行力学性能测试，检测数据见表3。

检测方法标准：

1)硬度HV5：GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法。

2)抗拉、屈服、延伸率：GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法。

3)软化温度测试：GB/T 33370-2016铜及铜合金软化温度的测定方法。

表1本发明实施例和对比例的成分/wt％

表2本发明实施例的微观组织

表3本发明实施例和对比例的性能

Claims (7)

1.一种高强度铜合金棒材，其特征在于：该铜合金的质量百分比组成为Sn：3.5～4.5wt％；Al：2.0～2.5wt％；Zn：16～20wt％；Fe：0.1～0.2wt％；Co：0.3～0.5wt％；余量为Cu及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度铜合金棒材，其特征在于：该铜合金的微观组织中含有α相、γ相、δ相以及Cu-Al₂O₃相；其中，α相的面积占比为90％以上。

3.根据权利要求2所述的高强度铜合金棒材，其特征在于：所述δ相的面积占比为0.5～2.0％。

4.根据权利要求2所述的高强度铜合金棒材，其特征在于：所述α相的平均晶粒度为5～15μm，δ相平均尺寸为0.1～1.0μm，Cu-Al₂O₃相平均尺寸为20～80nm。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的高强度铜合金棒材，其特征在于：该铜合金棒材的抗拉强度≥850MPa，屈服强度Rp0.2≥800MPa，延伸率≥5％。

6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的高强度铜合金棒材，其特征在于：该铜合金棒材的抗高温软化温度≥500℃。

7.一种权利要求1至4任一权利要求所述的高强度铜合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

1)熔炼；

2)铸造：采用半连续铸造，铸造温度控制在1150～1180℃，冷却循环水进水温度控制在5～25℃，出水温度控制在15～40℃，初始拉铸速度为20～50mm/min，拉铸炉料总量0.1～0.15wt％时，提高拉铸速度至70～100mm/min，直至拉铸结束；

3)均匀化：加热炉内初始温度控制在400℃以下，升温速率为10～20℃/min，升温至650～750℃后保温3～10h；

4)挤压：采用水封挤压方式，挤压加热温度范围750～800℃，保温时间1～3h，挤压比35～100：1，循环冷却水温度控制在10～40℃；

5)第一道拉伸：将挤压毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在10～25％；

6)扒皮拉伸：将拉伸后毛进行扒皮拉伸；

7)第二道拉伸：将扒皮后毛坯进行拉伸，拉伸加工率控制在10～30％；

8)退火：将拉伸后毛坯进行热处理，温度范围：360～390℃，保温时间1～3h；

9)成品拉伸：将退火后坯料进行成品拉伸，拉伸加工率控制在20～50％。