一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法

摘要

一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法，是将铍青铜合金铸锭或热变形后的材料切割成矩形块状，加热到800～980℃保温0.5～10小时水淬冷却后，在室温分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向进行多道次、多轴向压缩变形，单道次真应变量为0.2～0.6，应变速率为10

说明书

技术领域

本发明公开了一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法，特指利用多道次、多轴向压缩变形和人工时效处理来提高铜合金强度的方法。属于铜合金加工技术领域。

背景技术

析出硬化型铜合金是一种具有较高强度、良好耐磨性的高性能功能材料，也是一种具有高强高韧、又可承受较大载荷的结构材料，在航天航空、交通运输和电工电子等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。铍青铜是一种典型的析出硬化型合金，在所有的铍合金中是用途最广的一种，其用量在当今世界已超过铍消费总量的70％。但铍是一种有毒元素，容易引起工业污染，因此降低铍的含量势在必行，这也导致低铍铜合金的用量逐渐增多。与高铍铜合金相比，低铍铜合金的强度偏低，在降低铍含量的同时保持其良好的强度性能成为亟待解决的问题。提高析出硬化型铜合金的强度通常可采用添加合金元素和形变热处理两种方法，由于在铜中产生析出硬化作用的合金元素多为稀有贵重金属，导致在制备或回收高强铜合金时存在成本高的问题，通过形变热处理来进行晶界强化和时效强化铜合金越来越受到关注。如何充分发挥晶界强化与时效强化作用，简化制备工艺、经济高效的制备出析出硬化型高强铜合金成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种通过多道次、多轴向压缩变形和时效处理提高铍青铜合金强度的形变强化和时效强化工艺方法。

本发明一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法，包括下述步骤：

第一步：固溶处理

将铍青铜合金铸锭或热变形后的材料切割成矩形块状，加热到800～980℃，保温0.5～10小时，出炉水淬，进行固溶处理；

第二步：压缩变形

将第一步所得矩形试件在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，每道次真应变量控制在0.2～0.6，应变速率控制在10^-4～10¹s^-1，直至累积真应变量大于等于1.2；

第三步：时效处理

将第二步所得矩形试件加热到300～450℃，保温10～107秒后水淬，进行时效处理，即制得硬度达423HV的高强度铍青铜合金。

本发明一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法中，所述固溶处理温度为850～950℃；保温时间为0.5～5小时。

本发明一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法中，所述每道次真应变量控制在0.3～0.5，应变速率控制在10^-3～10^-1s^-1。

本发明一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法中，所述时效处理温度为300～400℃，保温时间为10²～10⁵秒。

本发明一种铍青铜合金的形变强化和时效强化工艺方法中，所述时效处理温度为300～350℃，保温时间为10²～10⁴秒。

本发明的优点和积极效果简述于下：

本发明采用铍青铜合金铸锭或热变形后的材料为原料，将其切割成矩形块状，进行固溶处理后，在室温分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向进行多道次、多轴向压缩变形，可使铍青铜合金组织内产生高密度变形带和高角度晶界，随后的低温时效处理可充分将固溶于基体中的合金元素析出，充分发挥合金元素的析出硬化作用，极大的提高铜合金的强度。具有以下优点：

(1)反复多向压缩变形时单道次变形量低，可累积大应变而不引起材料损伤；可使组织内产生高密度变形带和高角度晶界，极大的提高了材料的硬度。

(2)采用本发明，制备出了硬度达423HV的高强度铍青铜合金，特别是制备出了硬度达302HV的高强度低铍铜合金。

(3)加工工艺、设备要求简单，加工成本低，适合规模化生产；对于铍青铜等对人体有害的合金可实现自动化生产，具有良好的工业应用前景。

综上所述，本发明可有效解决现有技术在制备析出硬化型高强度铜合金时存在的成本高、形变热处理工艺难控制的问题，特别是解决了部分铜合金强度偏低的问题，有良好的工业应用前景。

附图说明

附图1为本发明沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向进行多道次、多轴向压缩变形的原理示意图。

附图2(a)为本发明实施例1的试件固溶处理后的金相组织。

附图2(b)为本发明实施例1的试件累积真应变量达2.4后，经320℃保温3.6×10³秒时效处理后的金相组织。

附图3(a)为本发明实施例4的试件固溶处理后的EBSD取向成像图。

附图3(b)为本发明实施例4的试件累积真应变量达2.4后的EBSD取向成像图。

附图4(a)为本发明实施例6的试件固溶处理后的金相组织。

附图4(b)为本发明实施例6的试件累积真应变量达4.8后，在450℃保温2×10³秒时效处理后的金相组织。

附图5为本发明实施例1、2、3的试件累积真应变量达2.4后分别在320℃、300℃和350℃下时效处理时，显微硬度随时效时间的变化曲线。

附图6为本发明实施例6、7、8的试件累积真应变量达4.8后分别在450℃、400℃和350℃下时效处理时，显微硬度随时效时间的变化曲线。

附图中：从附图2(b)可以看出，试件累积真应变量达2.4后，经320℃保温3.6×10³秒时效处理后，组织内部存在高密度变形带和大量高角度晶界，同时在原始晶界处和由变形产生的高角度晶界处出现大量析出物。

从附图3(b)可以看出，试件累积真应变量达2.4后，组织内产生了大量的变形带和高角度细晶组织。

从附图4(b)可以看出，试件累积真应变量达4.8后，在450℃保温2×10³秒时效处理后，试件组织中存在大量细晶，在其晶界处出现了大量析出物。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作详细介绍：

本发明针对高铍铜合金(铍含量在1.7wt％左右)的铸锭，切割制备了100个矩形块状试件，分为3组，分别编号为第一组、第二组、第三组，其中第一组、第二组30个试件，第三组40个试件，分别作为实施例1、2、3的试件。

实施例1

将第一组矩形块状试件置于炉内加热到800℃保温10小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为1.5×10^-4s^-1，每道次真应变量控制在0.2，当各方向的真应变量累积到2.4时，停止压缩变形随后对试件进行人工时效处理。温度为320℃，保温10～10⁵秒后，分别出炉水淬，将第一组试件进行硬度检测，得到附图5的显微硬度随时效时间的变化曲线1。参见附图5可知，其最佳时效时间为3.6×10³秒；同时参见附图2，此时试件组织内部存在高密度变形带和大量高角度晶界，同时在原始晶界处和由变形产生的高角度晶界处出现大量析出物，这极大的强化了其组织，硬度高达420HV。

实施例2

将第二组矩形块状试件置于炉内加热到900℃保温4小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为1.5×10^-2s^-1，每道次真应变量控制在0.4，当各方向的真应变量累积到2.4时，停止压缩变形随后对试件进行人工时效处理。温度为300℃，保温10～10⁵秒后，分别出炉水淬，将第二组试件进行硬度检测，得到附图5的显微硬度随时效时间的变化曲线2。参见附图5可知，其最佳时效时间为7.2×10³秒；硬度高达423HV。

实施例3

将第二组矩形块状试件置于炉内加热到980℃保温0.5小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为1.5×10¹s^-1，每道次真应变量控制在0.6，当各方向的真应变量累积到2.4时，停止压缩变形随后对试件进行人工时效处理。温度为350℃，保温10～10⁴秒后，分别出炉水淬，将第三组试件进行硬度检测，得到附图5的显微硬度随时效时间的变化曲线3。参见附图5可知，其最佳时效时间为1×10³秒；硬度高达398HV。

本发明针对低铍铜合金(铍含量在0.3wt％左右)的铸锭，切割制备了82个矩形块状试件，分为5组，分别编号为第四组、第五组、第六组、第七组、第八组，其中：第四组、第五组各1个试件，第六组、第七组每组25个试件，第八组30个试件，分别作为实施例4、5、6、7、8的试件。

实施例4

将第四组矩形块状试件置于炉内加热到900℃保温4小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为3×10^-2s^-1，每道次真应变量控制在0.4，当各方向的真应变量累积到2.4时，停止压缩变形。由附图3可看出，经变形后组织内产生了大量的变形带和高角度细晶组织。经检测得，其硬度由铸态时的65HV增强到174HV。

实施例5

将第五组矩形块状试件置于炉内加热到850℃保温8小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为10^-1s^-1，每道次真应变量控制在0.2，当各方向的真应变量累积到1.2时，停止压缩变形；随后对试件进行人工时效处理。温度为450℃，保温3.6×10³秒后，出炉水淬，检测得其硬度为270HV。

实施例6

将第六组矩形块状试件置于炉内加热到980℃保温0.5小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为10^-4s^-1，每道次真应变量控制在0.2，当各方向的真应变量累积到4.8时，停止压缩变形；随后对试件进行人工时效处理。温度为450℃，保温10²～10⁵秒后，分别出炉水淬，将第六组试件进行硬度检测，得到附图6的显微硬度随时效时间的变化曲线4。参见附图6可知，其最佳时效时间为2×10³秒；同时参见附图4，此时试件组织中存在大量细晶，在其晶界处出现了大量析出物，硬度高达281HV。

实施例7

将第七组矩形块状试件置于炉内加热到900℃保温3小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为10^-2s^-1，每道次真应变量控制在0.4，当各方向的真应变量累积到4.8时，停止压缩变形；随后对试件进行人工时效处理。温度为400℃，保温10²～10⁷秒后，分别出炉水淬，将第七组试件进行硬度检测，得到附图6的显微硬度随时效时间的变化曲线5。参见附图6可知，其最佳时效时间为1.08×10⁴秒；硬度高达284HV。

实施例8

将第八组矩形块状试件置于炉内加热到800℃保温8小时后水淬冷却后，在室温下分别沿矩形块的X轴、Y轴、Z轴三个方向依次进行多道次、多轴向压缩变形，应变速率为10¹s^-1，每道次真应变量控制在0.6，当各方向的真应变量累积到4.8时，停止压缩变形；随后对试件进行人工时效处理。温度为350℃，保温10²～10⁷秒后，分别出炉水淬，将第八组试件进行硬度检测，得到附图6的显微硬度随时效时间的变化曲线6。参见附图6可知，其最佳时效时间为2.016×10⁵秒；硬度高达302HV。