一种高强度铜钛合金及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无铍铜合金及其制备方法，特别是一种高强度铜钛合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002]铍青铜是一种特殊青铜，是典型的沉淀硬化型高传导、高弹性铜合金。这种合金具有良好的综合性能，它除具有高的强度、弹性、硬度、耐磨性和抗疲劳等优点外，还具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性、耐高低温、无磁、冲击时不产生火花等特性。用于精密仪器制造，各种零件，如轴承、齿轮、特殊的无火花工具的制造等，是各工业领域必不可少、不可替代的材料。铍青铜具有良好的使用性能。但是其致命的缺点是铍具有毒性。每一立方米的空气中只要有一毫克铍的粉尘，就会使人染上急性肺炎——铍肺病。铍的化合物的毒性更大，铍的化合物会在动物的组织和血浆中形成可溶性的胶状物质，进而与血红蛋白发生化学反应，生成一种新的物质，从而使组织器官发生各种病变，在肺和骨骼中的铍，还可能引发癌症。在铜的加工和使用中其安全性是不容忽视的问题。另外，作为铍铜的合金元素铍的储量很少，铍在地壳中含量为0.001%。随着资源的开采，其储量日益稀缺，导致合金成本升高。
[0003]铍铜在工业领域中的应用较广，用量大。但是其环保性问题和资源的稀缺性问题是不容规避的。开发无铍高强度铜合金可以适应市场的需要。无铍高强度铜合金可以实现铜合金的安全使用，对于保护人体健康具有重要的意义。含有钛的铜合金由于其中加入主强化元素为钛，具有良好的环保特性。铜钛合金通过固溶处理，得到作为溶质原子Ti的过饱和固溶他，然后通过时效处理第二相从铜基体中析出，从而使得铜得到强化。铜钛合金与强度相近的高铍铜合金相比，其力学综合性能表现更好。
[0004]目前关于铜钛合金的研究主要集中于二元铜钛合金，时效强化相为CuTi金属间化合物。由于铜钛合金的时效析出是通过调幅分解来进行，因此析出物尺寸的细微化难以通过单纯时效来实现。有研究者通过在其中加入适量的第三元素，如Ag、B、Co、Cr, Fe, Mg, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Si, V，Zr等，参见:1) 一种新型高弹性低铍铜合金及其制备方法,CN102719699A ；2) 一种铜钛合金材料及其制备方法，CN104178658A ；3)弯曲性优异的铜合金及其制造方法，CN100558920c ；4)导电性优良的钛铜及其制造方法，CN1534102A ；5)铜合金及其制造方法，CN1297674C ；6)高强度钛铜板及其制造方法，CN102822362A ；7)高强度钛铜合金及其制造方法与采用该合金的接插件，CN1266293C。其如此设计的考虑是通过第三元素促进CuTi金属间化合物的析出，但是这要辅之以复杂的中间冷热加工工艺的配合。有研究者在二元铜钛合金中加入稀土，这只是改善了合金的晶粒度，但是对于时效过程没有明显的影响，参见:一种稀土钛铜合金及其制造方法，CN101144128A。本发明提出通过加入第三元素，进行时效析出物的协同析出，从而改善析出物的尺寸。加入第三元素，改善合金的铸造特性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有现有上述已有技术的不足，提供一种高强度铜钛合金。
[0006]本发明的技术方案:
一种高强度铜钛合金，由铜、钛和第三合金元素组成，其中钛的质量百分比含量为0.2-5.0%，第三合金元素为Al、Sn和Zn中的一种或两种以上任意比例的混合物，第三合金元素的质量百分比含量为0-3 %，铜为余量。
[0007]—种所述高强度铜钛合金的制备方法，步骤如下:
1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔化温度为1150-1350°C，然后依次加入钛和第三合金元素，充分搅拌，浇铸温度为1100-1250°C，得到铜钛合金铸锭；
2)将上述铜钛合金铸锭进行铣面以去除表面铸造缺陷；
3)将上述铣面后铜钛合金铸锭进行热轧，加热温度为750-1000°C，保温时间为l_2h，加工率为10-70%，得到铜钛合金板；
4)将上述铜钛合金板在560-1000°C温度下进行固溶处理，保温时间2h，冷却方式为水冷;
5)将上述经固溶处理后的铜钛合金板进行冷轧，变形处理量为10-50%；
6)将冷轧后的铜钛合金板装入热处理炉中进行时效处理，时效温度为300-480°C，保温时间0.5-6h，得到高强度铜钛合金。
[0008]所述铜钛合金时效处理后的冷却方式为空冷、水冷或冰盐水冷却；采用冰盐水冷却时盐水浓度不高于3.5wt%，冰盐水最低温度为-10°C以上。
[0009]本发明的技术分析:
所添加第三金属元素的作用是:Al可以和Ti形成TiAl金属间化合物，TiAl金属间化合物可以在凝固过程和后续的时效过程中析出，作为基体的强化相。同时弱化铜钛合金的时效过程中调幅分解带来的析出物尺寸不容易调控的缺点，简化了铜钛合金的冷热加工工艺。Sn的加入可以改善铜合金基体的熔体流动性,改善合金的铸造性能。改善合金的加工性能。Zn的加入可以提高铜合金基体的固溶强化效果。
[0010]本发明的优点是:其铍铜相比，本发明铜钛合金中添加的合金元素不具备毒性；与已发表的铜钛合金相比，本发明铜钛合金采用TiAl金属间化合物作为协同增强析出相，提高的铜钛合金第二相析出的强化效果；Sn的加入可以改善合金的铸造和加工性能，Zn的加入可以提高基体的固溶强化效果；制得的铜钛合金的抗拉强度为550-800Mpa，塑性延伸率为2-10%，可用于制备各种弹性簧片、防爆工具、接插元器件。
【具体实施方式】
[0011]以下通过实施例讲述本发明的详细过程，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。
[0012]实施例1:
一种高强度铜钛合金，由铜、钛和第三合金元素组成，其中钛的质量百分比含量为
3.0%，第三合金元素为Al，其质量百分比含量为1.5%，铜为余量；制备方法步骤如下:
I)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔化温度为1250°C，熔化后加入钛，充分搅拌，出炉前将Al用钟罩压入熔液，充分搅拌后进行浇铸，浇铸温度为1200°C，得到铜钛合金铸锭；
2)将上述铜钛合金铸锭进行铣面以去除表面铸造缺陷；
3)将上述铣面后铜钛合金铸锭进行热轧，加热温度为950°C，保温时间为lh，加工率为70%，得到铜钛合金板；
4)将上述铜钛合金板在880°C温度下进行固溶处理，保温时间2h，冷却方式为水冷；
5)将上述经固溶处理后的铜钛合金板进行冷轧，变形处理量为50%；
6)将冷轧后的铜钛合金板装入热处理炉中进行时效处理，时效温度为400°C，保温时间lh，得到高强度铜钛合金。
[0013] 实施例2:
一种高强度铜钛合金，由铜、钛和第三合金元素组成，其中钛的质量百分比含量为4.0%,第三合金兀素为Sn、Al, Sn的质量百分比含量为0.5%, Al的质量百分比含量为，1.0%,铜为余量；制备方法步骤如下:
O先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔化温度为1250°C，熔化后加入钛，充分搅拌，出炉前将Al用钟罩压入熔液，充分搅拌后加入Sn，静置1min后进行浇铸，浇铸温度为1200°C，得到铜钛合金铸锭；
2)将上述铜钛合金铸锭进行铣面以去除表面铸造缺陷；
3)将上述铣面后铜钛合金铸锭进行热轧，加热温度为900°C，保温时间为lh，加工率为70%，得到铜钛合金板；
4)将上述铜钛合金板在900°C温度下进行固溶处理，保温时间2h，冷却方式为水冷；
5)将上述经固溶处理后的铜钛合金板进行冷轧，变形处理量为50%；
6)将冷轧后的铜钛合金板装入热处理炉中进行时效处理，时效温度为420°C，保温时间lh，冷却方式为空冷，得到高强度铜钛合金。
【主权项】
1.一种高强度铜钛合金，其特征在于:由铜、钛和第三合金元素组成，其中钛的质量百分比含量为0.2-5.0%，第三合金元素为Al、Sn和Zn中的一种或两种以上任意比例的混合物，第三合金元素的质量百分比含量为0-3 %，铜为余量。
2.一种如权利要求1所述高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于步骤如下: 1)先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，熔化温度为1150-1350°C，然后依次加入钛和第三合金元素，充分搅拌，浇铸温度为1100-1250°C，得到铜钛合金铸锭； 2)将上述铜钛合金铸锭进行铣面以去除表面铸造缺陷； 3)将上述铣面后铜钛合金铸锭进行热轧，加热温度为750-1000°C，保温时间为l_2h，加工率为10-70%，得到铜钛合金板； 4)将上述铜钛合金板在560-1000°C温度下进行固溶处理，保温时间2h，冷却方式为水冷; 5)将上述经固溶处理后的铜钛合金板进行冷轧，变形处理量为10-50%； 6)将冷轧后的铜钛合金板装入热处理炉中进行时效处理，时效温度为300-480°C，保温时间0.5-6h，得到高强度铜钛合金。
3.根据权利要求2所述高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于:所述铜钛合金时效处理后的冷却方式为空冷、水冷或冰盐水冷却；采用冰盐水冷却时盐水浓度不高于3.5wt%，冰盐水最低温度为-10°C以上。
【专利摘要】一种高强度铜钛合金，由铜、钛和第三合金元素组成，其中钛的质量百分比含量为0.2-5.0%，第三合金元素为Al、Sn和Zn，其质量百分比含量为0-3%，铜为余量；制备方法是：先将Cu加入真空感应电炉进行熔炼，然后依次加入钛和第三合金元素，浇铸后得到铜钛合金铸锭；经铣面、热轧得到铜钛合金板；经固溶处理、冷轧和时效处理，得到高强度铜钛合金。本发明的优点是：该高强度铜钛合金采用TiAl金属间化合物作为协同增强析出相，提高的铜钛合金第二相析出的强化效果；制得的铜钛合金的抗拉强度为550-800Mpa，塑性延伸率为2-10%，可用于制备各种弹性簧片、防爆工具、接插元器件。
【IPC分类】C22F1-08, C22C9-00, C22C1-02
【公开号】CN104674054
【申请号】CN201510108135
【发明人】姜训勇, 李振华, 张楠, 柏杨, 王倩, 刘庆锁
【申请人】天津理工大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月12日