CN116970822A - 一种超高强导电铜钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无铍铜合金材料技术领域，提供了一种超高强导电铜钛合金及其制备方法。本发明以Cu为基体，添加Cr、Mg，有效提高了合金的强度和导电率，Mg固溶于基体中，起到固溶强化作用，Cr和Ti能够形成Cr2Ti金属间化合物，从而提高合金的强度和导电率；结合组合时效处理，可以在降低生产成本的前提下，提高β‑Cu4Ti析出相的体积分数，从而大幅提高合金的导电率；再结合热轧和冷轧，有利于获得高密度、均匀分布的β‑Cu4Ti相，从而提高铜钛合金的强度和导电率。实施例的结果显示，本发明提供的制备方法制备的超高强导电铜钛合金的硬度可达310HV，导电率可达35％IACS。
Description
技术领域
本发明涉及无铍铜合金材料技术领域，尤其涉及一种超高强导电铜钛合金及其制备方法。
背景技术
铍青铜是典型的沉淀硬化型合金，综合性能优良，被誉为弹性铜合金之王。它具有高强度、高弹性、高硬度、高耐磨性，以及优良的导电性、导热性，冲击时不产生火花等特性，被广泛用于精密仪器制造、连接器和导电弹簧等。然而，铍青铜在熔炼过程中易产生铍的粉尘，严重危害人体健康。此外，铍青铜在使用环境高于200℃时，应力松弛率高达40％以上，导致继电器工作失效。另外，铍在地壳中的储量较少，合金成本很高。因此，亟需寻找铍青铜的替代材料。
无铍铜钛合金也是典型的沉淀硬化型合金，溶质原子Ti对铜钛合金有强烈的固溶强化效果，峰值时效α-Cu4Ti相与基体共格，有良好的弥散强化效果。铜钛合金的强度与铍铜相当，是其理想的替代材料。
铜钛合金的力学性能与铍铜相当，但导电率低于铍铜。为了提高产品的性能，现有技术提出添加不同微量元素、轧制和时效的方法，常见的第三合金元素有Al、Sn、Zn、Zr、Ni、Cr。如专利CN201510108135.4公开了一种高强度铜钛合金及其制备方法，专利CN202010620874.2公开了一种铜钛合金及其制备方法，专利CN20201087436.3公开了一种弹性铜钛合金及其制备方法。然而，上述专利在平衡铜钛合金的强度和导电率方面不太理想。因此，亟需一种能够保证铜钛合金高强度的同时提高其导电率的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强导电铜钛合金及其制备方法，本发明提供的制备方法制备的超高强导电铜钛合金具有高强度和高导电率。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了一种超高强导电铜钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将超高强导电铜钛合金的原料依次进行熔炼和铸造，得到铜钛合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铜钛合金铸锭依次进行固溶处理、热轧和第一时效处理，得到铜钛合金板；
(3)将所述步骤(2)得到的铜钛合金板依次进行第一冷轧、第二时效处理和第二冷轧，得到超高强导电铜钛合金；
以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金包括：Ti 1～5％，Cr 0.1～3％，Mg0.1～3％和余量的Cu。
优选地，所述步骤(1)中熔炼的温度为1150～1350℃；所述铸造的温度为1100～1250℃。
优选地，所述步骤(2)中固溶处理的温度为700～900℃，固溶处理的保温时间为4～8h。
优选地，所述步骤(2)中热轧的温度为600～850℃，热轧的保温时间为1～3h，热轧的加工率为50～80％。
优选地，所述步骤(2)中第一时效处理具体为：先在550～600℃下保温1～3h，之后在500～550℃下保温1～3h，最后在400～450℃下保温8～12h。
优选地，所述步骤(3)中第二时效处理具体为：先在400～450℃下保温1～3h，之后在350～380℃下保温1～3h，最后在320～350℃下保温6～8h。
优选地，所述步骤(3)中第一冷轧和第二冷轧的温度独立地为室温。
优选地，所述步骤(3)中第一冷轧和第二冷轧的变形量独立地为40～70％。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的超高强导电铜钛合金。
本发明提供了一种超高强导电铜钛合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将超高强导电铜钛合金的原料依次进行熔炼和铸造，得到铜钛合金铸锭；(2)将所述步骤(1)得到的铜钛合金铸锭依次进行固溶处理、热轧和第一时效处理，得到铜钛合金板；(3)将所述步骤(2)得到的铜钛合金板依次进行第一冷轧、第二时效处理和第二冷轧，得到超高强导电铜钛合金；以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金包括：Ti 1～5％，Cr 0.1～3％，Mg 0.1～3％和余量的Cu。本发明以Cu为基体，通过添加合金元素Cr、Mg，可以有效提高合金的强度和导电率，其中的Mg元素固溶于基体中，起到固溶强化作用，Cr和Ti能够形成Cr2Ti金属间化合物，降低了固溶Ti含量，提高了合金的导电率，并且金属间化合物在后期轧制过程中阻碍位错运动，提高位错密度，从而提高了合金的强度和导电率；结合组合时效处理，可以在降低生产成本的前提下，提高β-Cu4Ti析出相的体积分数，从而大幅提高合金的导电率；再结合热轧和冷轧，有利于获得高密度、均匀分布的β-Cu4Ti相，从而提高铜钛合金的强度和导电率。实施例的结果显示，本发明提供的制备方法制备的超高强导电铜钛合金的硬度可达310HV，导电率可达35％IACS。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的超高强导电铜钛合金的SEM图；
图2为本发明对比例1制备的铜钛合金的SEM图；
图3为本发明实施例2制备的超高强导电铜钛合金的SEM图；
图4为本发明对比例2制备的铜钛合金的SEM图；
图5为本发明实施例3制备的超高强导电铜钛合金的SEM图；
图6为本发明对比例3制备的铜钛合金的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种超高强导电铜钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将超高强导电铜钛合金的原料依次进行熔炼和铸造，得到铜钛合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铜钛合金铸锭依次进行固溶处理、热轧和第一时效处理，得到铜钛合金板；
(3)将所述步骤(2)得到的铜钛合金板依次进行第一冷轧、第二时效处理和第二冷轧，得到超高强导电铜钛合金；
以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金包括：Ti 1～5％，Cr 0.1～3％，Mg0.1～3％和余量的Cu。
本发明将超高强导电铜钛合金的原料依次进行熔炼和铸造，得到铜钛合金铸锭。
本发明对所述熔炼和铸造的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔炼和铸造的技术方案即可。
在本发明中，所述熔炼的温度优选为1150～1350℃，更优选为1150～1250℃。在本发明中，所述熔炼的设备优选为真空感应炉。
在本发明中，所述熔炼的加料顺序优选为：先加入Cu，然后依次加入Ti、Cr和Mg。
在本发明中，所述铸造的温度优选为1100～1250℃，更优选为1150～1200℃。
铸造完成后，本发明优选将所述铸造后的产品进行铣面。本发明对所述铣面的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的铣面的技术方案即可。本发明通过铣面去除产品表面铸造缺陷。
得到铜钛合金铸锭后，本发明将所述铜钛合金铸锭依次进行固溶处理、热轧和第一时效处理，得到铜钛合金板。
本发明对所述固溶处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的固溶处理的技术方案即可。本发明通过固溶处理使溶质原子尽可能固溶于铜基体中，为后续的时效处理做准备，从而控制析出相的形成。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选为700～900℃，更优选为850～900℃；所述固溶处理的保温时间优选为4～8h，更优选为6～8h。
在本发明中，所述固溶处理后的冷却方式优选为室温水冷。
本发明对所述热轧的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的热轧的技术方案即可。本发明采用热轧处理，能够细化基体晶粒，有利于获得高密度、均匀分布的β-Cu4Ti相，从而提高铜钛合金的强度和导电率。
在本发明中，所述热轧的温度优选为600～850℃，更优选为700～800℃；所述热轧的保温时间优选为1～3h，更优选为2～3h；所述热轧的加工率优选为50～80％，更优选为60～70％。
在本发明中，所述热轧后的冷却方式优选为空冷。
在本发明中，所述第一时效处理具体优选为：先在550～600℃下保温1～3h，之后在500～550℃下保温1～3h，最后在400～450℃下保温8～12h；更优选为：先在580～600℃下保温2～3h，之后在520～550℃下保温2～3h，最后在420～450℃下保温8～10h。本发明通过采用第一时效处理和第二时效处理的组合时效处理，可以在降低生产成本的前提下，提高β-Cu4Ti析出相的体积分数，从而大幅提高合金的导电率。
在本发明中，所述第一时效处理后的冷却方式优选为空冷或水冷。
得到铜钛合金板后，本发明将所述铜钛合金板依次进行第一冷轧、第二时效处理和第二冷轧，得到超高强导电铜钛合金。
在本发明中，所述第二时效处理具体优选为：先在400～450℃下保温1～3h，之后在350～380℃下保温1～3h，最后在320～350℃下保温6～8h；更优选为：先在420～450℃下保温1～2h，之后在360～380℃下保温1～2h，最后在330～350℃下保温6～8h。本发明通过采用第一时效处理和第二时效处理的组合时效处理，可以在降低生产成本的前提下，提高β-Cu4Ti析出相的体积分数，从而大幅提高合金的导电率。
在本发明中，所述第二时效处理后的冷却方式优选为空冷。
本发明对所述第一冷轧和第二冷轧的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷轧的技术方案即可。本发明结合热轧和冷轧处理，能够细化基体晶粒，有利于获得高密度、均匀分布的β-Cu4Ti相，从而提高铜钛合金的强度和导电率。
在本发明中，所述第一冷轧和第二冷轧的温度独立地优选为室温。
在本发明中，所述第一冷轧和第二冷轧的变形量独立地优选为40～70％，更优选为40～50％。
在本发明中，以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金包括Ti 1～5％，优选为2～4％。本发明中的Ti能够和Cr形成Cr2Ti金属间化合物，金属间化合物在后期轧制过程中阻碍位错运动，提高位错密度，从而提高了铜钛合金的强度和导电率。
在本发明中，以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金包括Cr0.1～3％，优选为0.5～2％。本发明中的Cr和Ti形成Cr2Ti金属间化合物，降低了固溶Ti含量，提高了合金的导电率。
在本发明中，以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金包括Mg0.1～3％，优选为0.5～2％。本发明中的Mg元素固溶于基体中，起到了固溶强化作用，可以有效提高铜钛合金的强度和导电率。
在本发明中，以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金还包括余量的Cu。本发明中的Cu为合金基体。
本发明以Cu为基体，通过添加合金元素Cr、Mg，可以有效提高合金的强度和导电率，其中的Mg元素固溶于基体中，起到固溶强化作用，Cr和Ti能够形成Cr2Ti金属间化合物，降低了固溶Ti含量，提高了合金的导电率，并且金属间化合物在后期轧制过程中阻碍位错运动，提高位错密度，从而提高了合金的强度和导电率；结合组合时效处理，可以在降低生产成本的前提下，提高β-Cu4Ti析出相的体积分数，从而大幅提高合金的导电率；再结合热轧和冷轧，有利于获得高密度、均匀分布的β-Cu4Ti相，从而提高铜钛合金的强度和导电率。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的超高强导电铜钛合金。
本发明提供的超高强导电铜钛合金具有高强度和高导电率。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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
以质量百分含量计，超高强导电铜钛合金的组成为：Ti 4％，Cr 0.5％，Mg 0.5％，余量为铜；
制备方法：
(1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1250℃，熔化后加入Ti，充分搅拌，出炉前在熔液中加入Cr和Mg，充分搅拌后进行浇铸，浇铸温度为1150℃，经铣面得到铜钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铜钛合金铸锭在900℃下进行固溶处理，保温4h，室温水冷；然后在800℃下进行热轧，保温3h，加工率为70％，得到铜钛合金板；
(3)将步骤(2)得到的铜钛合金板先在600℃下保温3h，之后在550℃下保温3h，最后在450℃下保温8h，室温水淬；然后在室温下进行第一冷轧，第一冷轧的变形量为40％，得到第一冷轧铜钛合金板；
(4)将步骤(3)得到的第一冷轧铜钛合金板先在450℃下保温1h，之后在380℃下保温1h，最后在350℃下保温8h，空冷；然后在室温下进行第二冷轧，第二冷轧的变形量为40％，得到超高强导电铜钛合金。
图1为本实施例制备的超高强导电铜钛合金的SEM图。由图1可以看出，组合时效后，层片状β-Cu4Ti相占据主导，与铜基体相交替出现。
对比例1
以质量百分含量计，超高强导电铜钛合金的组成为：Ti 4％，Cr 0.5％，Mg 0.5％，余量为铜；
制备方法：
(1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1250℃，熔化后加入Ti，充分搅拌，出炉前在熔液中加入Cr和Mg，充分搅拌后进行浇铸，浇铸温度为1150℃，经铣面得到铜钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铜钛合金铸锭在900℃下进行固溶处理，保温4h，室温水冷；然后在800℃下进行热轧，保温3h，加工率为70％，得到铜钛合金板；
(3)将步骤(2)得到的铜钛合金板在450℃下等温时效100h，得到铜钛合金。
图2为对比例1制备的铜钛合金的SEM图。由图2可以看出，在450℃时效100h，显微组织中晶界上只有少量的析出相，主要以铜基体相为主。
实施例2
以质量百分含量计，超高强导电铜钛合金的组成为：Ti 4％，Cr 0.5％，Mg 1％，余量为铜；
制备方法：
(1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1250℃，熔化后加入Ti，充分搅拌，出炉前在熔液中加入Cr和Mg，充分搅拌后进行浇铸，浇铸温度为1200℃，经铣面得到铜钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铜钛合金铸锭在850℃下进行固溶处理，保温4h，室温水冷；然后在700℃下进行热轧，保温3h，加工率为60％，得到铜钛合金板；
(3)将步骤(2)得到的铜钛合金板先在600℃下保温3h，之后在550℃下保温3h，最后在450℃下保温12h，空冷；然后在室温下进行第一冷轧，第一冷轧的变形量为50％，得到第一冷轧铜钛合金板；
(4)将步骤(3)得到的第一冷轧铜钛合金板先在450℃下保温3h，之后在380℃下保温3h，最后在350℃下保温8h，空冷；然后在室温下进行第二冷轧，第二冷轧的变形量为40％，得到超高强导电铜钛合金。
图3为本实施例制备的超高强导电铜钛合金的SEM图。由图3可以看出，组合时效后，层片状β-Cu4Ti相占据主导，与铜基体相交替出现。
对比例2
以质量百分含量计，超高强导电铜钛合金的组成为：Ti 4％，Cr 0.5％，Mg 1％，余量为铜；
制备方法：
(1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1250℃，熔化后加入Ti，充分搅拌，出炉前在熔液中加入Cr和Mg，充分搅拌后进行浇铸，浇铸温度为1200℃，经铣面得到铜钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铜钛合金铸锭在850℃下进行固溶处理，保温4h，室温水冷；然后在700℃下进行热轧，保温3h，加工率为60％，得到铜钛合金板；
(3)将步骤(2)得到的铜钛合金板在450℃下等温时效100h，得到铜钛合金。
图4为对比例2制备的铜钛合金的SEM图。由图4可以看出，在450℃时效100h，显微组织中晶界上有极少量的析出相，主要以铜基体相为主。
实施例3
以质量百分含量计，超高强导电铜钛合金的组成为：Ti 4％，Cr 1％，Mg 0.5％，余量为铜；
制备方法：
(1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1250℃，熔化后加入Ti，充分搅拌，出炉前在熔液中加入Cr和Mg，充分搅拌后进行浇铸，浇铸温度为1200℃，经铣面得到铜钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铜钛合金铸锭在850℃下进行固溶处理，保温8h，室温水冷；然后在700℃下进行热轧，保温3h，加工率为60％，得到铜钛合金板；
(3)将步骤(2)得到的铜钛合金板先在600℃下保温3h，之后在550℃下保温3h，最后在450℃下保温9h，空冷；然后在室温下进行第一冷轧，第一冷轧的变形量为50％，得到第一冷轧铜钛合金板；
(4)将步骤(3)得到的第一冷轧铜钛合金板先在450℃下保温1h，之后在380℃下保温2h，最后在350℃下保温8h，空冷；然后在室温下进行第二冷轧，第二冷轧的变形量为45％，得到超高强导电铜钛合金。
图5为本实施例制备的超高强导电铜钛合金的SEM图。由图5可以看出，组合时效后，层片状β-Cu4Ti相占据主导，与铜基体相交替出现。
对比例3
以质量百分含量计，超高强导电铜钛合金的组成为：Ti 4％，Cr 1％，Mg 0.5％，余量为铜；
制备方法：
(1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔炼温度为1250℃，熔化后加入Ti，充分搅拌，出炉前在熔液中加入Cr和Mg，充分搅拌后进行浇铸，浇铸温度为1200℃，经铣面得到铜钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)得到的铜钛合金铸锭在850℃下进行固溶处理，保温8h，室温水冷；然后在700℃下进行热轧，保温3h，加工率为60％，得到铜钛合金板；
(3)将步骤(2)得到的铜钛合金板在450℃下等温时效100h，得到铜钛合金。
图6为对比例3制备的铜钛合金的SEM图。由图6可以看出，在450℃时效100h，显微组织中晶界上有少量以CuTi相为中心的析出相，主要以铜基体相为主。
测试实施例1～3和对比例1～3制备的铜钛合金的硬度和导电率，测试结果见表1。
表1实施例1～3和对比例1～3制备的铜钛合金的性能
由以上实施例可以看出，本发明提供的制备方法制备的超高强导电铜钛合金具有高强度和高导电率，其硬度可达310HV，导电率可达35％IACS。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超高强导电铜钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将超高强导电铜钛合金的原料依次进行熔炼和铸造，得到铜钛合金铸锭；
(2)将所述步骤(1)得到的铜钛合金铸锭依次进行固溶处理、热轧和第一时效处理，得到铜钛合金板；
(3)将所述步骤(2)得到的铜钛合金板依次进行第一冷轧、第二时效处理和第二冷轧，得到超高强导电铜钛合金；
以质量百分含量计，所述超高强导电铜钛合金包括：Ti1～5％，Cr0.1～3％，Mg0.1～3％和余量的Cu。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中熔炼的温度为1150～1350℃；所述铸造的温度为1100～1250℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中固溶处理的温度为700～900℃，固溶处理的保温时间为4～8h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中热轧的温度为600～850℃，热轧的保温时间为1～3h，热轧的加工率为50～80％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中第一时效处理具体为：先在550～600℃下保温1～3h，之后在500～550℃下保温1～3h，最后在400～450℃下保温8～12h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中第二时效处理具体为：先在400～450℃下保温1～3h，之后在350～380℃下保温1～3h，最后在320～350℃下保温6～8h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中第一冷轧和第二冷轧的温度独立地为室温。
8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中第一冷轧和第二冷轧的变形量独立地为40～70％。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的超高强导电铜钛合金。
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