一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法技术

本发明专利技术公开了一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法，按照如下步骤进行：步骤1：以铜块和硼颗粒为原材料，采用定向凝固方法制备出铜硼合金铸锭；步骤2：对铜硼合金铸锭进行机械加工和铜套包覆，进行热挤压变形，得到热挤压后的铜硼合金材料样品；步骤3：对铜硼合金材料样品进行机械加工得到热挤压态铜硼合金材料，采用空气锤进行室温冷锻，得到冷锻态高强度、高耐磨铜硼合金材料。本发明专利技术方法制备的铜硼合金材料表面质量优良、组织均匀，硼颗粒细小弥散分布，通过形变处理制备出导电率，强度，伸长率高于，摩擦系数，磨损量均较为优良的，可以为电子电气、通信及轨道交通等领域提供基础原材料的铜硼合金材料。域提供基础原材料的铜硼合金材料。域提供基础原材料的铜硼合金材料。

A method for preparing high strength and high wear-resistant copper boron alloy by hot extrusion and cold forging

【技术实现步骤摘要】
一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法


[0001]本专利技术属于铜合金材料制备
，具体涉及一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法。

技术介绍

[0002]铜合金具有良好的导电、导热性及优良的综合力学性能，成为现代工业广泛应用的结构材料之一。目前铜合金主要应用在电工电子、新能源汽车、5G通信、武器装备等各个领域，是重大装备关键部件的核心导体材料。但随着装备制造更新换代和核心科技的不断发展，部件服役环境愈加严苛，要求铜合金不仅要具备高导电导热性，还应兼具高强度、高耐磨、耐高温稳定等优良的综合性能。由于单质硼(B)具有良好的导电率(10
‑5S/m)、高硬度、高杨氏模量、高耐磨等优点，并且作为孕育剂能够有效细化合金晶粒，因此硼元素常被用作铜合金材料的强化元素从而提升材料的综合服役性能(强度、耐磨性)，被认为是极有发展潜力和应用前景的新型铜合金材料。
[0003]传统铜合金材料一般采用熔铸法制备，合金成分容易偏析引起微观组织分布不均匀，并且存在缩孔、缩松等铸造缺陷，导致材料综合力学性能不佳。上述问题虽然可通过固溶时效等热处理工艺使其导电率和强度得到部分提升，但合金元素在铜基体中的固溶度有限，尤其是铜硼二元合金中硼元素在铜基体中的固溶度较低，导致硼元素在合金中常以单质硼颗粒的形式稳定存在，热处理对于合金的力学性能提升十分有限，最终限制了铜硼合金在严苛工况下的服役和工程应用。然而，需要提出一种合理的形变处理方式(例如挤压、轧制、锻造等)能够使合金产生加工硬化，在改善合金铸态组织的同时提升合金力学性能，因此成为制备高强度、高耐磨铜硼合金的有效技术手段。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法，解决了解决常规铸造法制备的铜硼合金的组织分布不均匀、耐磨性和强度不匹配的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，
[0006]一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法，具体按照如下步骤进行：
[0007]步骤1：根据铜硼二元合金相图，按照硼含量为2.5wt.％
‑
3.5wt.％的比例称取硼颗粒和铜块，通过机加工对铜块进行预处理，在氩气保护下经真空感应熔炼、浇铸定向凝固制备出铜硼合金铸锭；
[0008]步骤2：对铜硼合金铸锭进行机械加工，得到短棒状合金铸锭，然后对铜硼合金铸锭进行包覆封装后在马弗炉内保温，随后对铜硼合金进行热挤压变形，通过改变挤压比、挤压速度、挤压筒温度以及热挤压工艺参数，将铜硼合金铸锭挤压至目标变形量，制备出热挤压态铜硼合金棒材；
[0009]步骤3：对热挤压后的铜硼合金棒材进行机械加工去除表面铜包套，得到冷锻所需的铜硼合金坯料，然后采用空气锤对铜硼合金坯料进行多道次镦拉，通过改变锻打方向及
单道次变形量工艺参数，将热挤压态铜硼合金锻打至目标变形量，制备出冷锻态的铜硼合金。
[0010]本专利技术的特点还在于；
[0011]步骤1中，铜块预处理的具体过程为：通过机加工在铜块中心打孔，再对铜块表面的氧化皮进行打磨，随后将表面处理过的铜块放入超声波清洗器中清洗15
‑
20min，取出漂洗干净后烘干。
[0012]步骤2具体为：采用外加包套的方式对机加工后的合金铸锭进行包覆封装，经包覆封装的铜硼合金铸锭在马弗炉内随炉升温至880
‑
920℃并保温40
‑
60min，设置挤压筒温度为200℃
‑
400℃，挤压比为4
‑
16，设定挤压速度为200
‑
500mm/min，然后将铜硼合金铸锭夹持至挤压筒内进行热挤压，挤压过程在出口处沿轴向拉拔样品端部，获得不同变形量热挤压态的铜硼合金棒材。
[0013]步骤2中，包套采用T2纯铜包覆并在顶部焊接端盖真空封装，挤压比是按照挤压前后合金截面积之比计算所得。
[0014]步骤3具体为：在室温下对热挤压后的铜硼合金进行冷锻变形，变形方式采用沿样品轴向冷墩2
‑
6次，然后再沿径向锻压2
‑
6次，锻打过程沿轴向和径向进行往复变形，每个方向锻打次数一致，锻打速度恒定，单道次锻压量0.2
‑
0.8mm，保证铜硼合金的各部分发生均匀变形，控制冷锻变形量为30％
‑
90％，最终制备出晶粒细小、硼颗粒均匀分布的高强度、高耐磨铜硼合金。
[0015]步骤3中，变形量是按照铜硼合金轴向和径向的高度变化来计算得到的。
[0016]本专利技术的有益效果是，本专利技术一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法，通过定向凝固方式可以获得较高的冷却速率，细化铸态铜硼合金晶粒，进一步热挤压变形能够改善硼颗粒分布状态，使铜硼合金铸锭组织更加均匀，并且消除了铸锭内部的铸造缺陷，使铸态铜硼合金致密度进一步提升，并且提高合金综合力学性能的同时电导率无明显降低。此外，热挤压变形在高温下进行，合金软化后更容易发生塑性变形，有效降低了合金变形抗力，为后续冷锻处理提供了加工性能良好的铜硼合金坯料。
[0017]利用空气锤进行室温冷锻，通过多个方向的镦拉变形，在细化合金晶粒的同时能够进一步消除合金内部的微观缺陷，使得铜硼合金内部硼颗粒分布更加均匀，并且部分大颗粒初晶硼相破碎细化。此外，冷锻在室温下进行，变形过程合金组织中位错密度增加，产生的加工硬化效应与硼颗粒弥散强化能够有效提升铜硼合金材料综合力学性能。通过上述组合形变强化方法对铜硼合金的导电率损伤较少，且能够极大的提升材料的强度，因此，最终可制备出满足苛刻服役工况下使用的高强度、高耐磨铜硼合金材料。
附图说明
[0018]图1是本专利技术一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法的实施例4中定向凝固铸态铜硼合金的宏观形貌图(a)、微观组织形貌图(b)；
[0019]图2是本专利技术一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法的实施例4中热挤压加冷锻后铜硼合金的宏观形貌图(a)、微观组织形貌图(b)；
[0020]图3是本专利技术一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法中铜硼合金拉伸试验后铜硼合金的应力应变曲线图(a)、断口形貌图(b)；
[0021]图4是本专利技术一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法中铜硼合金的载流摩擦磨损曲线图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法进行详细说明。
[0023]步骤1：按照铜硼二元合金相图，设计硼含量为2.5wt.％
‑
3.5wt.％的铜硼合金，然后称量所需铜块和硼颗粒，并对铜块进行预处理，具体过程为：通过机加工在铜块中心打孔，再对铜块表面的氧化皮进行打磨，随后将表面处理过的铜块放入超声波清洗器中清洗15
‑
20min，取出漂洗干净后烘干；
[0024]将硼颗粒装入预处理后的铜块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法，其特征在于，具体按照如下步骤进行：步骤1：根据铜硼二元合金相图，按照硼含量为2.5wt.％
‑
3.5wt.％的比例称取硼颗粒和铜块，通过机加工对铜块进行预处理，在氩气保护下经真空感应熔炼、浇铸定向凝固制备出铜硼合金铸锭；步骤2：对铜硼合金铸锭进行机械加工，得到短棒状合金铸锭，然后对铜硼合金铸锭进行包覆封装后在马弗炉内保温，随后对铜硼合金进行热挤压变形，通过改变挤压比、挤压速度、挤压筒温度以及热挤压工艺参数，将铜硼合金铸锭挤压至目标变形量，制备出热挤压态铜硼合金棒材；步骤3：对热挤压后的铜硼合金棒材进行机械加工去除表面铜包套，得到冷锻所需的铜硼合金坯料，然后采用空气锤对铜硼合金坯料进行多道次镦拉，通过改变锻打方向及单道次变形量工艺参数，将热挤压态铜硼合金锻打至目标变形量，制备出冷锻态的铜硼合金。2.根据权利要求1所述的一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法，其特征在于，步骤1中，铜块预处理的具体过程为：通过机加工在铜块中心打孔，再对铜块表面的氧化皮进行打磨，随后将表面处理过的铜块放入超声波清洗器中清洗15
‑
20min，取出漂洗干净后烘干。3.根据权利要求1所述的一种热挤压和冷锻制备高强度、高耐磨铜硼合金的方法，其特征在于，步骤2具体为：采用外加包套的方式对机加工后的合金铸锭进行包覆封装，经包覆封装的铜硼合金铸锭在马弗炉内随炉升温至880
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【专利技术属性】
技术研发人员：石浩，张海东，温斌斌，高怀宝，高磊，姜伊辉，曹飞，邹军涛，梁淑华，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：