一种铜合金游丝材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种铜合金游丝材料及其制备方法，该铜合金游丝材料主要用于陀螺仪惯性导航系统，属于冶金和压延加工领域。

背景技术：

惯导系统依靠其作用原理可自主地完成导航任务，因此它在导航领域中占有十分重要的位置，尤其是在现代军事技术迅猛发展的今天，自主导航成为最为理想的选择。陀螺仪作为惯性导航系统的核心元件，系统利用陀螺仪的定轴性和进动性这两大特性不仅应用于海上船舶领域而且应用于陆用武器及航空运载体以用来作为姿态测量和姿态控制等等。陀螺仪是惯导系统的心脏，因此其精度直接影响惯性导航系统的性能，陀螺仪中任何部件产生的误差都直接给陀螺仪产生漂移，进而造成惯性导航系统的漂移，因此陀螺仪在导航中起着非常重要的作用。

在所有造成陀螺仪误差中，与加速度无关的干扰力矩主要来自于陀螺软导线产生的机械弹性力矩。导电游丝作为陀螺仪的核心部件和浮子与外壳之间的连接部件，承载者电信号的传输任务。它给陀螺仪带来的影响也是很大的，并且也是难以补偿的。因为导电游丝造成的陀螺仪漂移不仅仅是所谓的弹性力矩，而且由于导电游丝刚度的存在，增加了非线性误差因素。更由于导电游丝受热应力的影响，也造成了陀螺仪的漂移。所以，导电游丝的性能对陀螺仪稳定服役的影响不容忽视。

目前导电游丝一般采用铜合金材料，因为这些材料弹性模量小，传导性能好，机械性能和弹性性能优良，不妨碍浮子绕输出轴的自由转动，不影响电流传输。常用的游丝材料形状均为截面为矩形的丝材，其宽厚比在20～50，厚度为10～30μm。弹性模量150～180gpa，电阻率0.050～0.080ω·mm²/m。由于尺寸较小，公差要求较为严格，机械、传导性能要求较高，且该类铜合金一般均含有脆性相，造成塑性成型困难，导致最终难以达到成品尺寸及公差要求。且由于加工困难，导致材料的一致性和稳定性较差。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种铜合金游丝材料，该游丝可用于陀螺仪惯性导航系统，成分均匀，尺寸精准，机械性能和耐腐蚀性能优良。

本发明的另一个目的在于提供一种铜合金游丝材料的制备方法，本发明采用连续铸造、热处理、精密塑性成形等手段，避免脆性相和成分偏析的影响，能够制备出成分均匀、尺寸精密、性能优良稳定的导电游丝材料，可推广应用于多种游丝材料的制备方法，为其他游丝材料的制备提供参考。该方法过程简便，易于操作，克服了合金脆性带来的加工困难，可以制得尺寸精准、性能优异的铜合金游丝材料，适于批量生产。

本发明的又一目的是提供了所述铜合金游丝材料的应用，作为陀螺仪应用于惯性导航系统中。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铜合金游丝材料，该合金由以下金属元素组成：be0～5wt％、ni0.2～1wt％、zn1～5wt％、sn1～5wt％，余量为cu。

优选地，所述铜合金游丝材料的组成为：be1～3wt％、ni0.2～0.5wt％、zn2～4wt％、sn2～4wt％，余量为cu。

优选地，所述的铜合金游丝材料的成品厚度尺寸为10～30μm，宽厚比为30～100。

本发明通过添加be、sn两种元素，使得cu合金可以时效强化，becu3相、cu3sn相、cu6sn5相的析出能够有效提高材料的强度和电导率，同时增强材料的机械和电学性能。因此可以在加工之后再进行时效处理，从而能够获得更加优异、更适用于使用环境的性能。而添加zn、ni两种元素，一方面是调整材料熔点以及时效温度区间，另一方面，改善材料加工性能和耐腐蚀性能。从而使得材料在复杂的使用坏境下，能够获得更长的使用寿命。

一种铜合金游丝材料的制备方法，采用连续铸造、旋锻、单丝拉拔、特种轧制、异形拉拔及配合的热处理方法制备，包括以下步骤：

(1)备料：以铜、铍、镍、锌和锡作为原料；

(2)中间合金制备：制备cu-be中间合金和cu-sn中间合金，cu-be中间合金中be含量为12wt％，cu-sn中间合金中sn含量为20wt％，均采用真空熔铸配合急冷的方式制备；

(3)连续铸造：将备好的原料和中间合金，按照合金成分质量百分比计算，其中be0～5wt％、ni0.2～1wt％、zn1～5wt％、sn1～5wt％，余量为cu；称量后，放入连续铸造炉中，采用中频感应熔炼，金属全熔后连续铸造为棒状铸锭；

(4)旋锻：将连续铸造的棒状铸锭，使用旋转锻造的方法进行开坯；开坯过程中，单道次加工变形率为10-15％，两次热处理间总变形率为50-80％；最终加工为线径为2～4mm的线坯；

(5)单丝拉拔：将线坯进行多道次拉拔加工，拉拔至轧制所需丝径尺寸，该尺寸时的截面积为成品尺寸截面积的1.1～1.3倍；单道次加工变形率为5～15％，两次热处理间总变形率为50～80％；

(6)特种轧制：将拉拔后的丝材进行单道次轧制加工，轧制后游丝厚度为成品游丝厚度的1.03～1.05倍；

(7)异形拉拔：将轧制后的游丝通过异形拉拔模具拉拔成型，所得游丝成品厚度尺寸为10～30μm，宽厚比为30～100；所述的异形拉拔模具根据成品尺寸设计，增大模具入口区以获得更好的润滑效果，润滑区角度在30～40°之间以获得更佳的润滑效果，变形区锥角在4～6°之间以减小变形抗力，定径区长度在1-2mm之间，减小拉拔摩擦力并获得精确的成品尺寸。

步骤(1)中，选择以下材料为原料：无氧铜(优选牌号为tu1的无氧铜)、纯度99.5wt％的铍珠、纯度99.99wt％的镍、纯度99.99wt％的锡、纯度99.99wt％的锌。

步骤(2)中，制备cu-be和cu-sn两种中间合金，是为了更好合金化，使材料成分更加均匀。

步骤(3)中，合金原料的质量百分比优选为：be1～3wt％、ni0.2～0.5wt％、zn2～4wt％、sn2～4wt％，余量为cu。

所述熔炼的温度为1100℃～1300℃，木炭覆盖，拉铸速度为1～5mm/s。

步骤(4)、(5)中，旋锻开坯及单丝拉拔过程中，每两个道次之间进行中间道次热处理，所述的中间道次热处理采用高温固溶淬火的热处理方法，热处理温度为700～800℃，保温时间为2-4小时，冷水淬火。

步骤(6)中，特种轧制前后收放线均需张力拉直，且不得多道次轧制。

步骤(7)中，拉拔液应选择含有自润滑颗粒的水基油性拉拔液，在水基油性拉拔液中添加有自润滑颗粒，以保证润滑效果。

本发明所述的铜合金游丝材料在制备陀螺仪惯性导航系统中的应用，本发明的铜合金游丝材料主要用于陀螺仪惯性导航系统。

本发明的有益效果：

(1)采用本发明制备的铜合金游丝材料及其制备方法，解决了现有方法和材料存在的一些技术缺陷。主要表现在：如采用热挤压开坯成形的方法，容易造成材料内部缩尾等缺陷，且热挤压造成的表面氧化较为严重，尽管后续可以通过表面处理的方法改善，但是材料的表面质量会明显下降，对传导性能造成影响。本发明采用旋转锻造的方式开坯，不仅可以通过冷锻的方式改善内部组织，避免内部缺陷，还可以避免氧化造成的表面质量下降。

如采用丝材轧制直接成形的方法，可能会造成成品尺寸不可控且一致性不好。丝材轧制会被认为是等截面变形，但是一般都会发生纵向延展，游丝的宽和厚难以准确控制。但是本发明通过在轧制后增加异形丝材拉拔的工序，通过拉拔模具的设计，精确控制成品丝材，使游丝的尺寸可以精确到0.1μm。

本发明制备的游丝材料弹性模量小，传导性能好，机械性能和弹性性能优良。其宽厚比在30～100，厚度为10～30μm。弹性模量为100～120gpa，电阻率为0.030～0.050ω·mm²/m。相较于常规方法生产的游丝材料，性能有了较大的提升。

(2)本发明采用连续铸造、旋锻、单丝拉拔、特种轧制、异形拉拔及配合的热处理方法制备，能够有效避免杂质引入，提高合金纯度，改善合金脆性，降低加工难度，能够制备出成分均匀、尺寸精密、合金组织均匀细小、性能优良的导电游丝材料，为最终游丝的最终应用打下了良好的基础。该制备方法简单易行，利于批量化生产，同时也能够为其他游丝材料的制备提供参考。

本发明的铜合金游丝材料成分均匀，尺寸精准，机械性能和耐腐蚀性能优良，采用连续铸造、旋锻、单丝拉拔、特种轧制、异形拉拔及配合的热处理方法制备。采用该方法克服了合金脆性带来的加工困难，可以制得尺寸精准、性能优异的铜合金游丝材料，适于批量生产。

附图说明

图1为拉拔模具结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体制备的实施例对本发明铜合金游丝材料及其制备方法作进一步描述。

以下实施例中铜合金游丝材料是通过以下方法制备得到的，具体包括以下步骤：

步骤1：原材料选用

tu1的无氧铜、纯度99.5wt％的铍珠、纯度99.99wt％的镍、纯度99.99wt％的锡、纯度99.99wt％的锌。

按照各组分的质量百分比称取原料，总重量按4.80kg～5.20kg配料。

步骤2：中间合金熔铸

1)10kg真空中频熔炼炉

2)辅件：石英坩埚；

3)操作：cu-be中间合金，be含量为12wt％；cu-sn中间合金，sn含量为20wt％。将称好的原料放入真空中频熔炼炉的石英坩埚中，抽真空，使真空度≤1.0×10^-1pa，坩埚密封。采用中频感应熔炼，金属全熔后将坩埚迅速放入水中。最后铸成中间合金锭坯。

步骤3：连续铸造

1)设备：非真空中频感应炉、垂直连续铸造机；

2)配料：将原料和中间合金按照成分配比计算好，放入石墨坩埚中；

3)加热温度：1100℃～1300℃；

4)拉铸速度：1～5mm/s；

5)模具尺寸：直径8～16mm的棒模。

6)操作：将材料放入坩埚后，开始升温，升温过程应缓慢进行，功率阶梯上升，不得直接调至大功率。待金属全熔后放入木炭作为覆盖剂。精炼3～5分钟后，开始拉铸。

步骤4：旋锻

1)设备：旋锻机；

2)操作：使用旋锻机将铸锭逐步减径，道次加工变形率为10-15％，两次热处理间总变形率为50-80％，变形率的设定应根据实际铸锭尺寸和加工过程中的表面状态而定。

步骤5：热处理

1)设备：马弗炉；

2)操作：将材料放入马弗炉中，关闭好炉门后开始升温。热处理温度为700～800℃，保温时间为2-4小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

步骤6：单丝拉拔

1)设备：水箱拉丝机；

2)操作：旋锻开坯后，进入单丝拉拔工序。选用聚晶模具和水基油性拉拔液作为工装和辅料。采用单丝多道次拉拔，拉拔成品上轴。单道次加工变形率为5～15％，两次热处理间总变形率为50～80％。拉拔至轧制所需丝径尺寸，该尺寸时的截面积为成品尺寸截面积的1.1～1.3倍。如材料难以继续塑性变形或者表面出现开裂等缺陷时，应进行热处理，具体参考步骤5。

步骤7：特种轧制

1)设备：扁线轧机；

2)操作：将拉拔成品轴放到张力放线架上，通过扁线轧机后，另一侧使用伺服电机复绕机上轴，保证两侧张力能够将游丝拉直。轧制后游丝厚度为成品游丝厚度的1.03～1.05倍。轧制前后收放线均需张力拉直，且不得多道次轧制。

步骤8：异形拉拔

1)设备：水箱拉丝机；

2)辅件：根据成品尺寸设计异形拉拔模具，其结构如图1所示，拉拔模具的截面为长方形，增大模具入口区以获得更好的润滑效果，润滑区角度β在30～40°之间以获得更佳的润滑效果，变形区锥角α在4～6°之间以减小变形抗力，定径区(ⅲ区)长度在1-2mm之间，减小拉拔摩擦力并获得精确的成品尺寸。

拉拔液应选择水基油性拉拔液，并增加自润滑颗粒，以保证润滑效果。选择水基油性拉拔液，一方面水基便于清洗，另一方面油性物质能够较好附着在材料表面，利于润滑；拉拔液中含有自润滑颗粒(主要是石墨和mos2)可以增加润滑效果。

3)操作：将轧制后的游丝材料通过异形模具拉拔成型，所得游丝成品尺寸为10～30μm，宽厚比为30～100。

实施例1：制备be2ni0.3zn2sn2cu铜合金游丝材料

设计炉量为5.00kg。

分别称取0.88kg的cu、0.12kg的be和0.8kg的cu、0.2kg的sn，分别放入真空中频熔炼炉中，抽真空至8.0×10^-2pa，金属全熔后，迅速放入水中，分别制得1kgcu-be中间合金和1kgcu-sn中间合金。

称取3.55kg的cu、0.833kg的cu-be中间、0.5kg的cu-sn中间、0.1kg的zn、0.015kg的ni，放入非真空熔炼炉的石墨坩埚中，采用中频感应熔炼，金属全熔后加入覆盖剂，熔炼温度为1211℃，拉铸速度为3mm/s。铸得直径为10.0mm，长度约0.7m的棒坯。

将制得的棒坯进行旋锻，单道次加工率在10.3％～12.5％之间，加工至线径5.0mm的线坯，总加工率为75％。之后进行热处理，热处理温度设定为700℃，保温时间为3小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后继续旋锻，单道次加工率在10.5％～14.8％之间，加工至线径2.5mm的线坯，两火间总加工率为75％。之后再进行热处理，热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后进入单丝拉拔工序，单道次加工率在7.1％～12.8％之间，加工至丝径67.7μm的丝材，经过4次热处理，两火间总加工率分别为73％、78％、78％、78％、73％。热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。

将拉拔后的丝材进行轧制，需保证两侧张力能够将游丝材料拉直。轧制至厚度为10.4μm，并上轴。

将轧制后的游丝材料通过异形拉拔模具，拉拔至最终成品尺寸，10μm×300μm。

实施例2：制备be1ni0.3zn3sn3cu铜合金游丝材料

设计炉量为4.92kg。

分别称取0.36kg的cu、0.05kg的be和0.59kg的cu、0.15kg的sn，分别放入真空中频熔炼炉中，抽真空至8.0×10^-2pa，金属全熔后，迅速放入水中，分别制得0.41kgcu-be中间合金和0.74kgcu-sn中间合金。

称取3.61kg的cu、0.41kg的cu-be中间、0.74kg的cu-sn中间、0.15kg的zn，0.015kg的ni，放入非真空熔炼炉的石墨坩埚中，采用中频感应熔炼，金属全熔后加入覆盖剂，熔炼温度为1238℃，拉铸速度为5mm/s。铸得直径为8.0mm，长度约1.1m的棒坯。

将制得的棒坯进行旋锻，单道次加工率在11.0％～12.5％之间，加工至线径4.0mm的线坯，总加工率为75％。之后进行热处理，热处理温度设定为700℃，保温时间为3小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后继续旋锻，单道次加工率在10.5％～14.8％之间，加工至线径2mm的线坯，两火间总加工率为75％。之后再进行热处理，热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后进入单丝拉拔工序，单道次加工率在10.1％～13.2％之间，加工至丝径175μm的丝材，经过3次热处理，两火间总加工率分别为78％、78％、70％、56％。热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。

将拉拔后的丝材进行轧制，需保证两侧张力能够将游丝材料拉直。轧制至厚度为20.6μm，并上轴。

将轧制后的游丝材料通过异形拉拔模具，拉拔至最终成品尺寸，20μm×1000μm。

实施例3：制备be2ni0.3zn2sn2cu铜合金游丝材料

设计炉量为5.00kg。

分别称取0.88kg的cu、0.12kg的be和0.8kg的cu、0.2kg的sn，分别放入真空中频熔炼炉中，抽真空至8.0×10^-2pa，金属全熔后，迅速放入水中，分别制得1kgcu-be中间合金和1kgcu-sn中间合金。

称取3.55kg的cu、0.833kg的cu-be中间、0.5kg的cu-sn中间、0.1kg的zn，0.015kg的ni，放入非真空熔炼炉的石墨坩埚中，采用中频感应熔炼，金属全熔后加入覆盖剂，熔炼温度为1287℃，拉铸速度为3mm/s。铸得直径为10.0mm，长度约0.7m的棒坯。

将制得的棒坯进行旋锻，单道次加工率在10.3％～12.5％之间，加工至线径5.0mm的线坯，总加工率为75％。之后进行热处理，热处理温度设定为750℃，保温时间为3小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后继续旋锻，单道次加工率在10.5％～14.8％之间，加工至线径2.5mm的线坯，两火间总加工率为75％。之后再进行热处理，热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后进入单丝拉拔工序，单道次加工率在7.1％～12.8％之间，加工至丝径185μm的丝材，经过4次热处理，两火间总加工率分别为78％、78％、78％、49％。热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。

将拉拔后的丝材进行轧制，需保证两侧张力能够将游丝材料拉直。轧制至厚度为15.5μm，并上轴。

将轧制后的游丝材料通过异形拉拔模具，拉拔至最终成品尺寸，15μm×1500μm。

实施例4：制备be2ni0.5zn4sn2cu铜合金游丝材料

设计炉量为5.00kg。

分别称取0.88kg的cu、0.12kg的be和0.8kg的cu、0.2kg的sn，分别放入真空中频熔炼炉中，抽真空至8.0×10^-2pa，金属全熔后，迅速放入水中，分别制得1kgcu-be中间合金和1kgcu-sn中间合金。

称取3.44kg的cu、0.833kg的cu-be中间、0.5kg的cu-sn中间、0.2kg的zn、0.025kg的ni，放入非真空熔炼炉的石墨坩埚中，采用中频感应熔炼，金属全熔后加入覆盖剂，熔炼温度为1191℃，拉铸速度为3mm/s。铸得直径为8.0mm，长度约1.1m的棒坯。

将制得的棒坯进行旋锻，单道次加工率在11.0％～12.5％之间，加工至线径4.0mm的线坯，总加工率为75％。之后进行热处理，热处理温度设定为750℃，保温时间为3小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后继续旋锻，单道次加工率在10.5％～14.8％之间，加工至线径2mm的线坯，两火间总加工率为75％。之后再进行热处理，热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后进入单丝拉拔工序，单道次加工率在11.5％～14.8％之间，加工至丝径276μm的丝材，经过4次热处理，两火间总加工率分别为78％、78％、61％。热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。

将拉拔后的丝材进行轧制，需保证两侧张力能够将游丝材料拉直。轧制至厚度为26μm，并上轴。

将轧制后的游丝材料通过异形拉拔模具，拉拔至最终成品尺寸，25μm×2000μm。

实施例5：制备be2ni0.5zn4sn2cu铜合金游丝材料

设计炉量为5.00kg。

分别称取0.88kg的cu、0.12kg的be和0.8kg的cu、0.2kg的sn，分别放入真空中频熔炼炉中，抽真空至8.0×10^-2pa，金属全熔后，迅速放入水中，分别制得1kgcu-be中间合金和1kgcu-sn中间合金。

称取3.44kg的cu、0.833kg的cu-be中间、0.5kg的cu-sn中间、0.2kg的zn、0.025kg的ni，放入非真空熔炼炉的石墨坩埚中，采用中频感应熔炼，金属全熔后加入覆盖剂，熔炼温度为1231℃，拉铸速度为3mm/s。铸得直径为16.0mm，长度约0.3m的棒坯。

将制得的棒坯进行旋锻，单道次加工率在11.0％～14.8％之间，加工至线径8.0mm的线坯，总加工率为75％。之后进行热处理，热处理温度设定为800℃，保温时间为3小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后继续旋锻，单道次加工率在11.0％～12.5％之间，加工至线径4.0mm的线坯，总加工率为75％。之后进行热处理，热处理温度设定为750℃，保温时间为3小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后继续旋锻，单道次加工率在10.5％～14.8％之间，加工至线径2mm的线坯，两火间总加工率为75％。之后再进行热处理，热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。保温结束后，将材料直接快速放入水中淬火。取出后，使用铜洗液和铜刷去除材料表面氧化皮。

之后进入单丝拉拔工序，单道次加工率在11.5％～14.8％之间，加工至丝径276μm的丝材，经过4次热处理，两火间总加工率分别为78％、78％、61％。热处理温度设定为700℃，保温时间为2小时。

将拉拔后的丝材进行轧制，需保证两侧张力能够将游丝材料拉直。轧制至厚度为26μm，并上轴。

将轧制后的游丝材料通过异形拉拔模具，拉拔至最终成品尺寸，25μm×2000μm。

分别将实施例1-5制备的游丝材料进行物理测试，取得试验数据见表1。

表1

采用常规方法制备的游丝宽厚比在20～50，厚度为10～30μm。弹性模量150～180gpa，电阻率0.050～0.080ω·mm²/m。与上述实验结果相比较可以看出，本发明制备的游丝材料性能有了明显提高。

上述实施例中仅仅举出本发明铜合金游丝材料及其制备方法部分的实施例，在上述本发明的技术方案中：所述的合金组分中的含量在规定范围内可自由选择，此处不再一一列举，故以上的说明所包含的技术方案应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。