CN115261666A - 一种无铅高强高导铍青铜棒材及其制造方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铍青铜制造技术领域，具体是涉及一种无铅高强高导铍青铜棒材及其制造方法和应用，该无铅高强高导铍青铜棒材，包括以下重量百分比组分：钴0.2～0.3％；铍1.5～1.8％；不可避免杂质含量总和小于0.5％；余量为铜；所述不可避免杂质中铅含量小于0.05％，铁含量小于0.1％。本发明通过将Be控制在1.5～1.8％之间，钴含量在0.3％以下，成分简单；经配料、熔炼、铸造、热轧、时效处理工艺后，得到的铍青铜棒材抗拉强度最高可达1350MPa，硬度最高可达HV395，导电率在30～40％IACS之间，性能优异，成本低，适用范围广泛。

Description

一种无铅高强高导铍青铜棒材及其制造方法和应用
技术领域
本发明涉及铍青铜制造技术领域，具体是涉及一种无铅高强高导铍青铜棒材及其制造方法和应用。
背景技术
铍青铜又被称为铍铜，其性能极为出色，具有良好的综合性能，是一种典型的淬火、时效硬化型合金，在淬火、回火后有很高的强度、硬度和弹性极限等优点，被誉为“有色弹性材料之王”，用来制作各种弹性元件和精密电子元件。一般情况下铍青铜的铍含量低于2％，也可在二元铍青铜基础上添加镍、钴、镁、钛、银等元素形成多元合金。铍铜一般经淬火、冷加工成形、时效处理之后综合性能达到峰值。由于铍铜合金可以通过沉淀得到硬化，因此可以在很宽的范围内进行性能整合，可在成分控制、加工成型工艺和热处理工艺方面进行更多研究和开发，以扩大铍铜合金的性能和应用范围，满足工业性能要求。
铍青铜具有优异的弹性性能、高强度和高电导率，在电子元件、设备及结构件中获得广泛应用。铍青铜分为高强度铍青铜(1.7～2.7％Be)和高导电低铍青铜(0.25～0.8％Be)两大类，根据铍含量的不同，其性能也有差异。同时，由于铍是核反应堆，火箭、导弹上必用的战略物资，价格高，使得高铍青铜的价格高，使用受到限制。因此，如何在使用较低铍的情况下，保持铍青铜材料具高强高导性能，是一个值得研究的课题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种无铅高强高导铍青铜棒材及其制造方法和应用，该铍青铜棒材使用的成分简单，制造过程中无铅，降低材料成本，同时使用的加工工艺简单，大大降低制造成本，得到的铍青铜棒材是一种低成本、具有良好的强度、韧性、高导电的材料。
为了实现上述目的，本发明提供一种无铅高强高导铍青铜棒材，包括以下重量百分比组分：
钴 0.2～0.3％；
铍 1.5～1.8％；
不可避免杂质含量总和小于0.5％；
余量为铜；
所述不可避免杂质中铅含量小于0.05％，铁含量小于0.1％。
本发明以低于或较低高强度铍青铜材料的铍含量和铜为原料，加入低钴成分，整体成分简单，合金元素少，结合后使铍青铜合金不仅具有良好的强度、韧性，还具优良的导电性；控制铅含量，不仅不影响导电率、成本低，而且在制造加工过程中更加安全；得到的新型Cu-Be-Co高强高导电合金突破了原有复杂的合金系在合金成分上的限制，开发出了新的、简单成分的低钴合金系，性能优异，成本低。
进一步地，上述技术方案中，所述无铅高强高导铍青铜棒材的拉伸强度为1270～1350MPa，延伸率≥4.0％，维氏硬度为HV360～HV395，电导率≥30％IACS。
本发明还提供一种无铅高强高导铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：按权利要求1所述组分和配比进行配料；
(2)熔炼：将各组分放入中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸浇注成圆坯锭，冷却；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至900～920℃，并保温2～3h，然后过12道次孔型热连轧成棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护下进行时效处理，得到棒材成品。
本发明采用中频真空感应炉进行熔炼，加热速度快，生产效率高，氧化脱碳少，可节省材料、降低成本；通过加热直接热轧并采用12道次，省去固溶处理工艺，可以充分再结晶，生产效率高、成本低；通过优化时效处理工艺参数，时效后的材料强度、韧性和导电率均得到提升。本发明简化了制造工艺，成本低，性能优异。
进一步地，上述技术方案中，步骤(2)中，所述中频真空感应炉的熔炼温度为1250～1300℃，真空度为-0.02～-0.01MPa。
进一步地，上述技术方案中，步骤(3)中，所述铸造温度为1200～1300℃。
进一步地，上述技术方案中，步骤(4)中，终轧温度大于700℃，然后放置空气中冷却。
进一步地，上述技术方案中，步骤(4)中，所述棒材的直径为20mm。
进一步地，上述技术方案中，步骤(5)中，所述时效的温度为300～350℃，时间为2～3h。时效起到析出第二相并强化作用，由于时效时间过短第二相析出不充分达不到析出强化效果，而时效时间过长又会造成第二相处于过时效状态，第二相粒子尺寸过大，造成析出强化效果差、强度、韧性等指标下降。因此，本发明通过严格控制时效时间和温度，第二相析出充分、析出强化效果好，材料强度、韧性和导电率均得到提升。
本发明还提供一种由上述制造方法制造的无铅高强高导铍青铜棒材在汽车、摩托车、电器、端点开关、温控开关、CPU框架引线中的应用。本发明得到的无铅高强高导铍青铜棒材除了能够用于上述领域外，还可根据用户的使用要求选择不同的合金成分和工艺制度来改变材料的性能，其变动的范围较大，可适用各种不同的要求，以及客户直接使用的要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的无铅高强高导铍青铜棒材含Be在1.5～1.8％之间，含钴在0.3％以下，成分简单，得到Cu-Be-Co合金材料突破了原有复杂的合金系在合金成分上的限制，节约了其它贵金属，成本低；
2、本发明制造方法包括配料、熔炼、铸造、热轧、时效处理工艺，采用中频真空感应炉进行熔炼，效率高，效果好；通过加热直接热轧，省去固溶处理工艺，生产效率高、成本低；通过优化时效工艺，时效后的强度最高可达1350MPa，最高硬度达HV395，导电率在30～40％IACS之间；整体制造工艺得到简化，降低了材料的生产成本，得到的产品性能优异，适用范围广。
具体实施方式
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。下述实施例涉及的原料若无特别说明，均为普通市售品，皆可通过市场购买获得。
本发明的上述各项技术特征和在下文(如实施案例)中具体描述的各项技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。
实施例1
一种无铅高强高导铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：用3.3％Be的Cu-Be中间合金、纯金属钴、阴极铜进行配料，配成Be含量为1.5％，Co含量为0.3％，其中控制Pb小于等于0.05％，余量为铜；
(2)熔炼：将各原料放入温度为1250℃的中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸在温度为1250℃下浇注成圆坯锭，并冷却；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至920℃，并保温2h，然后直接热轧，其中开轧温度为900～920℃，终轧温度不低于700℃，经过12道次孔型热连轧成直径为20mm的棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护、温度为330℃条件下进行时效处理2h，得到棒材成品。
经检测所得棒材成品的性能，结果为：抗拉强度为1270MPa，延伸率为8％，硬度为HV360，导电率为40％IACS。
实施例2
一种无铅高强高导铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：用3.3％Be的Cu-Be中间合金、纯金属钴、阴极铜进行配料，配成Be含量为1.8％，Co含量为0.3％，其中控制Pb小于等于0.05％，余量为铜；
(2)熔炼：将各原料放入温度为1300℃的中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸在温度为1250℃下浇注成圆坯锭，并冷却；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至900℃，并保温3h，然后直接热轧，其中开轧温度为900～920℃，终轧温度不低于700℃，经过12道次孔型热连轧成直径为20mm的棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护、温度为300℃条件下进行时效处理3h，得到棒材成品。
经检测所得棒材成品的性能，结果为：抗拉强度为1350MPa，延伸率为6％，硬度为HV390，导电率为35％IACS。
实施例3
一种无铅高强高导铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：用3.3％Be的Cu-Be中间合金、纯金属钴、阴极铜进行配料，配成Be含量为1.7％，Co含量为0.2％，其中控制Pb小于等于0.05％，余量为铜；
(2)熔炼：将各原料放入温度为1260℃的中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸在温度为1200℃下浇注成圆坯锭，并冷却；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至920℃，并保温2h，然后直接热轧，其中开轧温度为900～920℃，终轧温度不低于700℃，经过12道次孔型热连轧成直径为20mm的棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护、温度为330℃条件下进行时效处理2h，得到棒材成品。
经检测所得棒材成品的性能，结果为：抗拉强度为1300MPa，延伸率为7％，硬度为HV395，导电率为38％IACS。
对比例1
一种无铅高强高导铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：用3.3％Be的Cu-Be中间合金、纯金属钴、阴极铜进行配料，配成Be含量为1.5％，Co含量为0.3％，其中控制Pb小于等于0.05％，余量为铜；
(2)熔炼：将各原料放入温度为1250℃的中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸在温度为1250℃下浇注成圆坯锭，并冷却；
(4)热变形：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至920℃，并保温2h，然后进行锻压变形锻造至直径为20mm的棒材；
(5)固溶处理：将变形锻造后的工件在900℃下保温2h，进行淬火处理；
(6)时效处理：将棒材在气体保护、温度为330℃条件下进行时效处理2h，得到棒材成品。
经检测所得棒材成品的性能，结果为：抗拉强度为1280MPa，延伸率为6％，硬度为HV380，导电率为36％IACS。
对比例2
一种铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：用3.3％Be的Cu-Be中间合金、纯金属钴、镍、钛、阴极铜进行配料，配成Be含量为1.5％，Co含量为0.3％，Ni含量为1.3％，钛含量为0.1％，其中控制Pb小于等于0.05％，余量为铜；
(2)熔炼：将各原料放入温度为1250℃的中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸在温度为1250℃下浇注成圆坯锭，并冷却；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至920℃，并保温2h，然后直接热轧，其中开轧温度为900～920℃，终轧温度不低于700℃，经过12道次孔型热连轧成直径为20mm的棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护、温度为330℃条件下进行时效处理2h，得到棒材成品。
经检测所得棒材成品的性能，结果为：抗拉强度为1310MPa，延伸率为4％，硬度为HV390，导电率为30％IACS。
对比例3
一种高强高导铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：用3.3％Be的Cu-Be中间合金、纯金属钴、阴极铜进行配料，配成Be含量为1.5％，Co含量为0.3％，其中Pb含量为1.5％，余量为铜；
(2)熔炼：将各原料放入温度为1250℃的中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸在温度为1250℃下浇注成圆坯锭，并冷却；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至920℃，并保温2h，然后直接热轧，其中开轧温度为900～920℃，终轧温度不低于700℃，经过12道次孔型热连轧成直径为20mm的棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护、温度为330℃条件下进行时效处理2h，得到棒材成品。
经检测所得棒材成品的性能，结果为：抗拉强度为1325MPa，延伸率为4％，硬度为HV398，导电率为27％IACS。
对比例4
一种无铅高强高导铍青铜棒材的制造方法，包括以下制造步骤：
(1)配料：用3.3％Be的Cu-Be中间合金、纯金属钴、阴极铜进行配料，配成Be含量为1.5％，Co含量为1.5％，其中控制Pb小于等于0.05％，余量为铜；
(2)熔炼：将各原料放入温度为1250℃的中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸在温度为1250℃下浇注成圆坯锭，并冷却；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至920℃，并保温2h，然后直接热轧，其中开轧温度为900～920℃，终轧温度不低于700℃，经过12道次孔型热连轧成直径为20mm的棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护、温度为330℃条件下进行时效处理2h，得到棒材成品。
经检测所得棒材成品的性能，结果为：抗拉强度为1230MPa，延伸率为5％，硬度为HV380，导电率为28％IACS。
结论：
从实施例1～3的性能检测结果可以看出，本发明配方和制造方法得到铍青铜棒材其抗拉强度在1270～1350MPa之间，延伸率在6～8％之间，硬度在HV360～HV395之间，导电率在30～40％IACS之间，性能优异。
对照实施例1和对比例1，对比例1中采用实施例1配方和常规制造方法，得到的铍青铜棒材其性能虽然与实施例1中相差不大，但是其制造方法复杂，需要经过固溶处理和多次淬火处理，增加了制造成本，不利于企业发展。
对照实施例1和对比例2，对比例2中采用常规复杂配方和实施例1制造方法，得到的铍青铜棒材其导电性能较实施例1中要差，且制造过程中工艺不好控制，特别是冶炼工艺。
对照实施例1和对比例3，对比例3中铅含量较高，其对铍青铜棒材的整体性能都有一定的影响，如导电率下降最为明显，且成本高，加工过程中产生的烟气对人身体危害极大。
对照实施例1和对比例4，对比例4中钴含量较高，其对铍青铜棒材的硬度影响不大，但是对其它性能都有一定的影响，如导电率下降最为明显，且成本高。
综上所述，本发明的无铅高强高导铍青铜棒材通过将Be控制在1.5～1.8％之间，含钴在0.3％以下，成分简单；经配料、熔炼、铸造、热轧、时效处理工艺后，得到的得到铍青铜棒材抗拉强度最高可达1350MPa，硬度最高可达HV395，导电率在30～40％IACS之间，性能优异，成本低，适用范围广泛。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无铅高强高导铍青铜棒材，其特征在于，包括以下重量百分比组分：
钴 0.2～0.3％；
铍 1.5～1.8％；
不可避免杂质含量总和小于0.5％；
余量为铜；
所述不可避免杂质中铅含量小于0.05％，铁含量小于0.1％。
2.根据权利要求1所述的一种无铅高强高导铍青铜棒材，其特征在于，所述无铅高强高导铍青铜棒材的拉伸强度为1270～1350MPa，延伸率≥4.0％，维氏硬度为HV360～HV395，电导率≥30％IACS。
3.一种由权利要求1或2所述的无铅高强高导铍青铜棒材的制造方法，其特征在于，包括以下制造步骤：
(1)配料：按权利要求1所述组分和配比进行配料；
(2)熔炼：将各组分放入中频真空感应炉中进行熔炼；
(3)铸造：将熔炼后的熔体采用模铸浇注成圆坯锭；
(4)热轧：将圆坯锭剥皮后在炉中加热至900～920℃，并保温2～3h，然后过12道次孔型热连轧成棒材；
(5)时效处理：将棒材在气体保护下进行时效处理，得到棒材成品。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，所述中频真空感应炉的熔炼温度为1250～1300℃，真空度为-0.02～-0.01MPa。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)中，所述铸造温度为1200～1300℃。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，终轧温度不低于700℃，然后放置空气中冷却。
7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤(4)中，所述棒材的直径为20mm。
8.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤(5)中，所述时效的温度为300～350℃，时间为2～3h。
9.一种由权利要求3-8任一项所述制造方法制造的无铅高强高导铍青铜棒材在汽车、摩托车、电器、端点开关、温控开关、CPU框架引线中的应用。
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