阅读说明：本技术 高强高弹导电铜钛合金棒材及其制备方法 (High strength and high flexibility conductive copper titanium alloy rod bar and preparation method thereof ) 是由 郑良玉 欧阳好 巢国辉 曾力维 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：一种高强高弹导电铜钛合金棒材及其制备方法,高强高弹导电铜钛合金棒材是由以下化学成分组成：Ti:1.0-6.0％、Ni：0.1～3.0％、Al:0.1-2.0％、Si:0.1-1.0％、Cr:0.1～1.0％,Zr:0.1～1.0％,B：0.01～0.2％、Mg:0.01-0.5％、P:0.01-0.1％,余量为Cu以及总量不大于0.3％的杂质,上述百分比为质量百分比；制备方法采用热挤压的方式生产,步骤包括：配料、熔炼、半连铸铸造、挤压、固溶→冷拉→固溶-冷拉→成品→时效工艺。本发明配方科学,制备工艺简单合理,制备过程环保安全,且成本较低,制备的高强高弹铜钛合金棒材的具有优良的强度、弹性和导电率,强度在980～1200MPa,达到QBe2.0的性能要求,同时成品导电率大大提高,能替代部分铍青铜弹性元件。(A kind of high strength and high flexibility conductive copper titanium alloy rod bar and preparation method thereof, high strength and high flexibility conductive copper titanium alloy rod bar is made of following chemical component: Ti:1.0-6.0%, Ni:0.1~3.0%, Al:0.1-2.0%, Si:0.1-1.0%, Cr:0.1~1.0%, Zr:0.1~1.0%, B:0.01~0.2%, Mg:0.01-0.5%, P:0.01-0.1%, surplus is the impurity that Cu and total amount are not more than 0.3%, and above-mentioned percentage is mass percent；Preparation method is produced by the way of hot extrusion, and step includes: ingredient, melting, D.C.casting casting, squeezes, solid solution → cold drawing → solid solution-cold drawing → finished product → aging technique.Inventive formulation science, preparation process advantages of simple, preparation process Environmental Safety, and cost is relatively low, the high strength and high flexibility copper-titanium alloy bar of preparation has excellent intensity, elasticity and conductivity, and intensity reaches the performance requirement of QBe2.0 in 980~1200MPa, finished product conductivity greatly improves simultaneously, can substitute part beryllium-bronze elastic element.)

高强高弹导电铜钛合金棒材及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金材料及制备工艺技术领域，涉及一种高强高弹导电铜钛合金棒材及其制备方法。

背景技术

弹性合金属于精密仪器仪表和精密机械中不可缺少的材料。电子信息、汽车和通讯工业以及军工业的迅猛发展，促使主要用于接插件、弹簧连接器、开关、接触片等方面的弹性导电合金用量越来越大。

目前广泛使用的高强度高弹性导电铜合金主要是Cu-Be系列(铍青铜)，铍青铜尽管具有很高的强度、弹性、耐磨性和耐疲劳性，以及良好的导电、导热、无磁和冲击无火花等性能，但铍青铜制造的元件出现的问题也日渐突出，如高温下抗应力松弛能力差、高温导电稳定性低和时效之后元件的变形度大等。此外，最重要的是铍青铜在生产时存在有毒粉尘问题，且它的化合物毒性较大，吸入人体会引发癌症等疾病。随着人们环保意识的不断提高，铍青铜的生产成本在不断增加。

Cu-Ti合金目前具有高强度、硬度和弹性，优良的耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性、可焊性以及机械加工性，这些力学性能可与铍青铜相媲美，并且与铍青铜相比Cu-Ti合金的高温性能更为优异，且原材料丰富、成本较低，因此，Cu-Ti合金是成为替代铍青铜最有潜力的材料之一。现有专利中对于铜钛合金的制备，主要采用真空熔炼或者粉末冶金技术，且主要以Cu-Ti二元合金为主，导电率较低，应用范围受到限制，如专利号为CN201910262285.9的中国专利《一种超高强度铜钛合金及其制备方法》，合金包括组分及其质量百分比为：Cu粉：55～58％，Ti粉：42～45％。制法为：按超高强度铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，制得混合料后进行压制成型，压力为35～100MPa，保压10～30min，制得合金生坯；将合金生坯在惰性气体气氛下烧结，以5～10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1085～1150℃，烧结10～60min后冷却出炉，制得超高强度铜钛合金。该专利采用粉末冶金技术制得铜钛二元合金，成品硬度在270～320HV。还有专利号为CN201811313033.6的中国专利《一种新型高弹性铜钛合金及其组织调控方法》，采用真空熔炼制得2.0～2.4％Ti二元合金，添加微量合金元素Cr或Co，成品强度在1100～1200MPa。上述二个专利虽然在成品硬度或强度上有所提高，但是成品的导电率并没有增加。

因此需要制备出一种新的高强高弹导电铜钛合金来满足市场的需要。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种性能优异、能替代部分铍青铜弹性元件的高强高弹导电铜钛合金棒材。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种高强高弹导电铜钛合金棒材的制备方法，具有制备工艺简单、制备过程环保安全、且成本较低的特点，制备的高强高弹铜钛合金棒材的具有优良的强度、弹性和导电率。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高强高弹导电铜钛合金棒材，其特征在于：该高强高弹导电铜钛合金棒材是由以下化学成分组成：Ti:1.0-6.0％、Ni：0.1～3.0％、Al:0.1-2.0％、Si:0.1-1.0％、Cr:0.1～1.0％，Zr:0.1～1.0％，B：0.01～0.2％、Mg:0.01-0.5％、P:0.01-0.1％，余量为Cu以及总量不大于0.3％的杂质，上述百分比为质量百分比。

优选，所述高强高弹导电铜钛合金棒材是由以下化学成分组成：Ti:2.0-4.0％、Ni：0.5～3.0％、Al:0.1-1.5％、Si:0.3-0.8％、Cr:0.1～1.0％，Zr:0.3～0.6％，B：0.01～0.1％、Mg:0.05-0.1％、P:0.01-0.05％，余量为Cu以及总量不大于0.3％的杂质，上述百分比为质量百分比。

进一步，所述Ti以铜钛合金的方式加入，铜钛合金中的Ti含量为50％～70％，加入量为原料总量的3.0％～8％；P以P-Cu合金加入，P-Cu合金中P含量为10～15％，加入量为原料总量的0.1-0.5％，B以Al-B中间合金加入，Al-B中间合金中B的含量为3％～8％，加入量为原料总量的0.03-0.3％。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述高强高弹导电铜钛合金棒材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)配料：首先按含高强高弹导电铜钛合金棒的化学成分以及质量百分比称取电解铜Cu、金属镍Ni、金属Cr、金属Zr，金属Al、金属Si、金属镁，Cu-Ti中间合金，Cu-P中间合金，Al-B中间合金；

2)熔炼：将电解铜Cu和金属镍放入熔化炉中加热熔化，熔炼过程中加入木炭覆盖，待电解铜Cu和金属镍Ni熔化后保温30～60min，升温到1350～1400℃后加入以紫铜管包覆的金属Cr，保温15～30min，随后加入金属Si和一定量的冰晶石，加快熔化速度，测量熔体温度，温度在1200～1300℃时，加入金属Al以及Al-B合金，保温10～20min，随后开始捞渣，加入覆盖剂后，充气，升温到1250～1350℃，加入Cu-Ti中间合金，保温5～45min；随后加入以紫铜管包裹的金属Zr，保温4～6min；测量温度在1250～1350℃之间，加入金属镁，保温5～10min，再加入Cu-P中间合金，保温5～10min。

3)半连铸铸造：控制熔体温度在1350～1450℃之间，开始控制铜液流出至结晶器三分之二左右时，启动牵引机，以40～60mm/min开始拉铸工作，开启震动，震动器的频率20～50次/min，振幅2～5mm，然后逐步提高拉铸速度和增大冷却水强度，直至进入稳速阶段，稳速阶段的铸造速度控制在80-120mm/min，水压控制在70～170Kpa之间；整个过程应的结晶器液面高度维持在距结晶器上口10-20mm，得到半连铸圆坯；

4)半连铸圆坯经带保护气体炉中加热至850～950℃，保温60～120min后进行挤压，得到挤压棒坯，挤压棒坯经剥皮得到表面光洁、无气孔、夹渣的棒坯，棒坯经固溶→冷拉→固溶-冷拉→成品→时效工艺得到最终产品。

作为优选，所述步骤2)的覆盖剂为质量比为1:1的玻璃和硼砂，覆盖剂加入前需预先烘烤，预先烘烤温度为340～360℃，预先烘烤时间为0.5～1.5h。

进一步，所述步骤3)的半连铸铸造的半连铸炉带保护气体。

进一步，所述步骤4)的挤压棒坯的直径为28-33mm。

进一步，所述步骤4)的固溶的温度为860～880℃，时间为1.5～2.5h；冷拉工艺的道次冷加工量不大于19～21％，总变形量不大于75～85％；时效工艺为：带Ar气保护的退火炉370～450℃下保温1h～7h后空冷。

最后，所述步骤4)的固溶的温度为870℃，时间为2h；冷拉工艺的道次冷加工量不大于20％，总变形量不大于80％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：以中间合金的方式添加Ti元素，以铜钛多元合金Cu-Ti-Ni为基础，使用覆盖剂或保护气体熔炼，能有效控制Ti的烧损，使Ti含量趋于稳定，Ti的波动在0.1～0.3％，同时熔炼过程无毒副作用，生产环境符合环保要求。本发明配方科学，制备工艺简单合理，制备过程环保安全，且成本较低，制备的高强高弹铜钛合金棒材的具有优良的强度、弹性和导电率，其中强度在980～1200MPa，达到QBe2.0的性能要求，成品导电率大大提高，能替代部分铍青铜弹性元件。

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。

实施例1

一种高强高弹导电铜钛合金棒，它是由以下物质按化学成分和质量百分比的配比组成，Ti:2.0％、Ni：2.5％、Al:1.0％、Si:0.4％、Cr:0.3％，Zr:0.1％，B：0.01％、Mg:0.1％、P:0.01％，余量为Cu以及总量不大于0.3％的杂质。

其中Ti以铜钛合金的方式加入，铜钛合金为市购铜钛合金，Ti含量为50％～70％，加入量为原料总量的4％；P采用市购P-Cu合金，P-Cu合金中P含量为10～15％，加入量为原料总量的0.1％，B采用市购Al-B中间合金，Al-B中间合金中B的含量为3％～8％，加入量为原料总量的0.3％。

具体制备方法包括以下步骤：

(1)配料：高强高弹导电铜钛合金棒采用热挤压的方式生产，首先按含高强高弹导电铜钛合金棒的化学成分以及质量百分比称取电解铜Cu、金属镍Ni、金属Cr、金属Zr,金属Al、金属Si、金属镁，Cu-Ti中间合金，Cu-P中间合金和Al-B中间合金；

其中半连铸炉带保护气体，而且熔化炉必须进行清洁，防止杂质污染；

(2)熔炼：将电解铜Cu和金属镍放入熔化炉中加热熔化，熔炼过程中加入木炭覆盖，待电解铜Cu和金属镍Ni熔化后保温30～60min，升温到1350～1400℃后加入以紫铜管包覆的金属Cr，保温15～30min，随后加入金属Si和一定量的冰晶石，加快熔化速度，测量熔体温度，温度在1200～1300℃时，加入金属Al以及Al-B合金，保温10～20min，随后开始捞渣，加入覆盖剂后，充气，升温到1250～1350℃，加入Cu-Ti中间合金，保温5～45min；随后加入以紫铜管包覆的金属Zr，保温5min；测量温度在1250～1350℃之间，加入金属镁，保温5～10min，再加入Cu-P中间合金，保温5～10min；

其中覆盖剂为质量比为1:1的玻璃和硼砂，覆盖剂加入前需预先烘烤，预先烘烤温度为340～360℃，预先烘烤时间为0.5～1.5h；

(3)半连铸铸造：控制熔体温度在1350～1450℃之间，开始控制铜液流出至结晶器三分之二左右时，启动牵引机，以40～60mm/min开始拉铸工作，开启震动，震动器的频率20～50次/min，振幅2～5mm。然后逐步提高拉铸速度和增大冷却水强度，直至进入稳速阶段，稳速阶段的铸造速度应控制在80-120mm/min，水压控制在70～170Kpa之间，整个过程应注意铜液流量，尽量保持结晶器内液位稳定，液面高度维持在距离结晶器上口约10-20mm左右为宜，得到半连铸圆坯；

(4)半连铸圆坯经带保护气体炉中加热至850～950℃保温60～120min后挤压，得到挤压棒坯，挤压棒坯的直径为28-33mm，挤压坯经剥皮得到表面光洁、无气孔、夹渣的棒坯，棒坯经固溶→冷拉→固溶-冷拉→成品→时效工艺得到最终产品；

其中固溶的温度为870℃，时间为2h；冷拉工艺的道次冷加工量不大于20％，总变形量不大于80％；时效工艺为：带Ar气保护的退火炉370～450℃下保温1h～7h后空冷；

(5)将时效成品进行拉伸性能试验和导电率测试试验，得到抗拉强度和延伸率、导电率、弹性模量。

实施例2

一种高强高弹导电铜钛合金棒，它是由以下物质按化学成分和质量百分比的配比组成：Ti:3.0％、Ni：1.5％、Al:0.6％、Si:0.6％、Cr:0.3％，Zr:0.1％，B：0.05％、Mg:0.1％、P:0.01％，余量为Cu以及总量不大于0.3％的杂质。

其中Ti以铜钛合金的方式加入，铜钛合金中Ti为50％～70％，加入量为原料总量的6％；P采用市购P-Cu合金，P-Cu合金中P含量为10～15％，加入量为原料总量的0.1％，B采用市购Al-B中间合金，Al-B中间合金中B的含量为3％～8％，加入量为原料总量的0.15％。

本实施例的高强高弹导电铜钛合金棒的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：高强高弹导电铜钛合金棒采用热挤压的方式生产，首先按含高强高弹导电铜钛合金棒的化学成分以及质量百分比称取电解铜Cu、金属镍Ni、金属Cr、金属Zr,金属Al、金属Si、金属镁，Cu-Ti中间合金，Cu-P中间合金；Al-B中间合金。

其中半连铸炉带保护气体，而且熔化炉必须进行清洁，防止杂质污染；

(2)熔炼：将电解铜Cu和金属镍放入熔化炉中加热熔化，熔炼过程中加入木炭覆盖，待电解铜Cu和金属镍Ni熔化后保温30～60min，升温到1350～1400℃后加入以紫铜管包覆的金属Cr，保温15～30min，随后加入金属Si和一定量的冰晶石，加快熔化速度，测量熔体温度，温度在1200～1300℃时，加入金属Al以及Al-B合金，保温10～20min，随后开始捞渣，加入覆盖剂后，充气，升温到1250～1350℃，加入Cu-Ti中间合金，保温5～45min；随后加入以紫铜管包覆的金属Zr，保温5min；测量温度在1250～1350℃之间，加入金属镁，保温5～10min，再加入Cu-P中间合金，保温5～10min；

其中覆盖剂为质量比为1:1的玻璃和硼砂，覆盖剂加入前需预先烘烤，预先烘烤温度为340～360℃，预先烘烤时间为0.5～1.5h；

(3)半连铸铸造：控制熔体温度在1350～1450℃之间，开始控制铜液流出至结晶器三分之二左右时，启动牵引机，以40～60mm/min开始拉铸工作，开启震动，震动器的频率20～50次/min，振幅2～5mm。然后逐步提高拉铸速度和增大冷却水强度，直至进入稳速阶段，稳速阶段的铸造速度应控制在80-120mm/min，水压控制在70～170Kpa之间；整个过程应注意铜液流量，尽量保持结晶器内液位稳定，液面高度维持在距离结晶器上口约10-20mm左右为宜，得到半连铸圆坯；

(4)半连铸圆坯经带保护气体炉中加热至850～950℃保温60～120min后挤压，得到挤压棒坯，挤压棒坯经剥皮得到表面光洁、无气孔、夹渣的棒坯，棒坯经固溶→冷拉→固溶-冷拉→成品→时效工艺得到最终产品；

其中固溶的温度为870℃，时间为2h；冷拉工艺的道次冷加工量不大于20％，总变形量不大于80％；时效工艺为：带Ar气保护的退火炉370～450℃下保温1h～7h后空冷；

(5)将时效成品进行拉伸性能试验和导电率测试试验，得到抗拉强度和延伸率、导电率、弹性模量。

实施例3

一种高强高弹导电铜钛合金棒，它是由以下物质按化学成分和质量百分比的配比组成，Ti:3.3％、Ni：0.7％、Al:1.5％、Si:0.5％、Cr:0.2％，Zr:0.4％，B：0.05％、Mg:0.1％、P:0.05％，余量为Cu以及总量不大于0.3％的杂质。

其中Ti以铜钛合金的方式加入，铜钛合金中Ti为50％～70％，加入量为原料总量的7％；P采用市购P-Cu合金，所述P-Cu合金中P含量为10～15％，加入量为原料总量的0.1％，B采用市购Al-B中间合金，所述Al-B中间合金中B的含量为3％～8％，加入量为原料总量的0.17％。

本实施例的高强高弹导电铜钛合金棒的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：高强高弹导电铜钛合金棒采用热挤压的方式生产，首先按含高强高弹导电铜钛合金棒的化学成分以及质量百分比称取电解铜Cu、金属镍Ni、金属Cr、金属Zr,金属Al、金属Si、金属镁，Cu-Ti中间合金，Cu-P中间合金；Al-B中间合金。

其中半连铸炉带保护气体，而且熔化炉必须进行清洁，防止杂质污染；

(2)熔炼：将电解铜Cu和金属镍放入熔化炉中加热熔化，熔炼过程中加入木炭覆盖，待电解铜Cu和金属镍Ni熔化后保温30～60min，升温到1350～1400℃后加入以紫铜管包覆的金属Cr，保温15～30min，随后加入金属Si和一定量的冰晶石，加快熔化速度，测量熔体温度，温度在1200～1300℃时，加入金属Al以及Al-B合金，保温10～20min，随后开始捞渣，加入覆盖剂后，充气，升温到1250～1350℃，加入Cu-Ti中间合金，保温5～45min；随后加入以紫铜管包覆的金属Zr，保温5min；测量温度在1250～1350℃之间，加入金属镁，保温5～10min，再加入Cu-P中间合金，保温5～10min；

其中覆盖剂为质量比为1:1的玻璃和硼砂，覆盖剂加入前需预先烘烤，预先烘烤温度为340～360℃，预先烘烤时间为0.5～1.5h；

(3)半连铸铸造：控制熔体温度在1350～1450℃之间，开始控制铜液流出至结晶器三分之二左右时，启动牵引机，以40～60mm/min开始拉铸工作，开启震动，震动器的频率20～50次/min，振幅2～5mm。然后逐步提高拉铸速度和增大冷却水强度，直至进入稳速阶段，稳速阶段的铸造速度应控制在80-120mm/min，水压控制在70～170Kpa之间；整个过程应注意铜液流量，尽量保持结晶器内液位稳定，液面高度维持在距离结晶器上口约10-20mm左右为宜，得到半连铸圆坯；

(4)半连铸圆坯经带保护气体炉中加热至850～950℃保温60～120min后挤压，得到挤压棒坯，挤压棒坯经剥皮得到表面光洁、无气孔、夹渣的棒坯，棒坯经固溶→冷拉→固溶-冷拉→成品→时效工艺得到最终产品；

其中固溶的温度为870℃，时间为2h；冷拉工艺的道次冷加工量不大于20％，总变形量不大于80％；时效工艺为：带Ar气保护的退火炉370～450℃下保温1h～7h后空冷；

(5)将时效成品进行拉伸性能试验和导电率测试试验，得到抗拉强度和延伸率、导电率、弹性模量。

表1是上述三个实施例制备的铜钛合金金棒材的性能测试结果：

表1产品性能参数

从表1可以看到，本发明制备的高强高弹铜钛合金棒材具有优良的强度、弹性和导电率，其中强度在980～1200MPa，达到QBe2.0的性能要求，同时成品导电率大大提高，能替代部分铍青铜弹性元件。