CN101100712A - 一种抗疲劳的Cu-Ti合金及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗疲劳的Cu-Ti合金及其生产方法,该合金中含有2.5~5.0wt%的Ti,含有0.01~0.5wt%的Cr、Co、V、Zr、B和Ni中的至少一种,0.1~0.5wt%的混合稀土。其制法:在惰性气体保护条件下进行熔铸,热轧和挤压的加热温度控制在850℃~950℃,保温20~40分钟,淬火前的冷轧和拉拔的总变形量大于80%以上,淬火温度控制在Cu中Ti的浓度所对应的Ti的溶解度曲线温度左右,且快速冷却,淬火后的冷轧和拉拔总变形量控制在10~50%,时效温度在350℃~450℃,时效时间在5~20小时。本发明技术方案从优化合金的化学成分、熔炼工艺及独特的热处理工艺等环节入手,通过控制相结构和晶粒尺寸,获得质量优良的疲劳性能优异的铜钛合金。
Description
技术领域
本发明涉及Cu-Ti合金,尤其涉及应用于弹性接插元件和导电弹簧的具有优异疲劳强度的高性能Cu-Ti合金及其生产方法,属于有色金属技术领域。
背景技术
Cu-Ti合金除具有较高的力学性能和良好的耐热性、耐蚀性外,还具有优良的弹性性能,可用于仪器、仪表及各种测试装置的弹性元件;此外,铜钛合金还具有较好的导电率,也可用于各种导电弹簧。随着现代工业和科学技术的发展,对弹性接插元件提出了更高更新的要求,如具有精度高、耐高温、耐腐蚀及抗强磁场、较好的疲劳性能以延长使用寿命等要求。弹性接插元件及导电弹簧应用较多的合金是铍青铜,但铍青铜由于铍的剧毒将逐渐被淘汰。目前铜钛合金不能完全替代铍青铜合金的主要原因是铜钛合金的导电率和抗疲劳性能不及铍青铜合金。作为弹性接插元件和导电弹簧材料,疲劳性能的好坏将直接影响材料的使用寿命。因此,开发一种既具有较高力学性能和导电率,又具有优异疲劳性能的铜钛弹性材料具有重要意义。
除了合金元素和冶金缺陷外,材料的微观组织对疲劳性能也有重要影响。由于Cu-Ti合金的相变过程非常复杂,在低温进行时效将产生调幅分解组织,在过时效及在高温下将发生胞状反应,生成魏氏片层组织。当生成片层组织时,合金的性能下降。如何控制铜钛合金的化学成分、减少冶金缺陷,以及采用合理的生产工艺控制微观组织,将是获得具有较好疲劳性能铜钛合金的关键环节。
添加的合金元素以及杂质元素对铜合金的疲劳性能有重要影响,部分合金元素起固溶强化或弥散强化作用,提高材料的变形抗力,阻止循环滑移带的形成和开裂,从而阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳强度。部分合金元素可通过提高材料的淬透性和改善材料的强韧性来影响疲劳强度。在铜钛合金中,Ti元素的添加量以及其它合金元素的合理添加都会影响到铜钛合金的疲劳性能,是提高铜钛合金疲劳强度的关键环节之一。
从疲劳裂纹沿第二相或夹杂物的形成机制来看,非金属夹杂物也是降低疲劳度的一个因素。减少夹杂物的数量和尺寸都能有效地提高合金的疲劳强度。同时熔炼过程中还会产生气孔、缩孔、偏析、白点等冶金缺陷,也会降低疲劳强度。
合金的显微组织也严重影响疲劳强度,如细化晶粒可以提高合金的疲劳强度。原因是细化晶粒,使合金内部晶界增加,可阻碍裂纹沿晶界扩展,同时细化晶粒还可提高材料的变形抗力,抑制循环滑移带的形成和开裂,增加裂纹扩展的晶界阻力,提高疲劳强度;但是晶粒尺寸太小也不利于疲劳强度的提高。另外,合金的淬火时效析出相也是影响疲劳性能的重要因素。如何通过加工和热处理获得具有较好疲劳性能的显微组织将是提高铜钛合金疲劳强度的又一关键环节。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异疲劳强度的高性能Cu-Ti合金及其生产方法,从优化合金的化学成分、熔炼工艺及独特的热处理工艺等环节入手,通过控制相结构和晶粒尺寸,从而可获得疲劳性能优异的铜钛合金。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
一种抗疲劳的Cu-Ti合金,其特征在于:合金中含有2.5~5.0wt%的Ti,含有0.01~0.5wt%的Cr、Co、V、Zr、B和Ni中的至少一种,微量混合稀土0.1~0.5wt%,其余组分为Cu和不可避免的杂质。
进一步地,上述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金,所述Cu-Ti合金的抗拉强度为1000Mpa~1200Mpa,延伸率大于14.8%,导电率大于15.2%IACS,抗疲劳强度大于260Mpa。
更进一步地,上述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金,所述Cu-Ti合金中Ti的含量为3.0~4.0wt%。
再进一步地,上述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金的生产方法,其特征在于包括以下步骤——
①非真空熔铸:首先将主原料及辅原料投入非真空中频感应炉中,在惰性气体保护条件下进行熔铸;
②热轧和挤压:热轧和挤压的加热温度控制在850℃~950℃,保温20~40分钟;
③淬火前的冷轧和拉拔:总变形量大于80%以上;
④淬火:淬火温度控制在Cu中Ti的浓度所对应的Ti的溶解度曲线温度左右,且快速冷却;
⑤淬火后的冷轧和拉拔:淬火后的冷轧和拉拔总变形量控制在10~50%;
⑥时效:时效温度在350℃~450℃,时效时间在5~20小时,另外,在时效冷却过程中,从时效温度至200℃的冷却速度不高于50℃/小时。
再进一步地,上述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金的生产方法,步骤④淬火工艺控制晶粒直径在2~20μm。
再进一步地,上述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金的生产方法,步骤⑤淬火后的冷轧和拉拔总变形量控制在20~40%。
本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在:
(1)本发明技术方案采用非真空熔炼技术,从优化合金的化学成分、熔炼工艺及独特的热处理工艺等环节入手,通过控制相结构和晶粒尺寸,从而可获得质量优良的疲劳性能优异的铜钛合金;
(2)本发明通过合适的生产工艺,控制合金的相组织结构和晶粒尺寸,明显提高了合金综合性能,大大降低了生产成本,优化了生产工艺,具有很好的应用前景。
具体实施方式
本发明疲劳强度优异的高性能Cu-Ti合金,含有2.5~5.0wt%的Ti,含有0.01~0.5wt%的Cr、Co、V、Zr、B和Ni中的一种以上,0.1~0.5wt%的微量混合稀土,其余由铜与不可避免的杂质构成。其中合金的抗拉强度为1000Mpa~1200Mpa,延伸率大于14.8%,导电率大于15.2%IACS,抗疲劳强度大于260MPa。
用惰性气体保护代替真空的方法熔铸,来避免合金元素与空气中氧、氮的作用,在熔炼和浇注时都有气体保护,实现Cu-Ti合金的连续生产,同时控制熔炼过程中夹杂量,减少冶金缺陷的出现。合金产品的生产可采用两种方式,一种是带材生产工艺:热轧-固溶-冷轧-淬火-冷轧-时效;一种是线、杆材生产工艺:挤压-固溶-拉拔-淬火-拉拔-时效。在热变形过程(热轧或挤压)后的固溶温度,以及冷变形(冷轧或拉拔)中的淬火温度要略高于合金的固溶线,使合金元素尽可能固溶于基体中,避免合金在此过程中生成片层组织。铜钛合金时效时,随温度的提高,Ti将发生调幅分解,生成调幅组织,调幅组织转变成Cu4Ti亚稳共格相,继续提高温度,析出相为粗大的片层组织稳定相Cu3Ti。当合金中调幅组织转变成Cu4Ti亚稳共格相时,强度最高,疲劳性能最好,导电率也较高,此时合金的综合性能最好。因此,要提高铜钛合金的疲劳强度,在时效时应严格控制时效温度与保温时间,防止铜钛合金中粗大片层组织的析出。
1)合金成分控制
疲劳性能优异的高性能Cu-Ti合金含有2.5~5.0wt%的Ti,0.01~0.5wt%的Cr、Co、V、Zr、B和Ni中的一种以上,微量混合稀土0.1~0.5wt%,其余由铜与不可避免的杂质构成。
对铜钛合金进行时效处理时,引起钛调幅分解,形成调幅结构可得到较高的强度。钛含量小于2.5wt%时,难以满足较高强度和疲劳强度的要求,合金的疲劳强度较差;另一方面,钛含量超过5.0wt%时,难以获得较高的电导率,当为获得较高电导率而进行过时效后,会产生粗大的Cu-Ti金属间化合物相析出,材料的强度和疲劳性能降低。因此合理的选取Ti含量既可以使铜钛合金获得高强度、较好电导率的高性能,又可以通过加工和热处理获得优异的疲劳强度,本发明合金优选3.0~4.0wt%的Ti。
为了延缓再结晶退火过程中的晶粒长大,抑制Cu3Ti相的析出,有必要加入适量的第3元素群来形成第2相粒子。这种元素的加入不影响调幅组织的形成。所形成的第二相粒子不是以析出硬化为目的,而是以抑制晶粒的长大和过时效为目的。这里所说的第3元素群,含有0.01~0.5wt%的Cr、Co、V、Zr、B和Ni中的一种以上。
2)非真空熔炼
由于Cu-Ti合金中含有2.5~5.0wt%的Ti,钛在650℃以上,氧将向钛中扩散,形成一层坚硬的氧化层,另外在700℃以上氮和钛将发生剧烈作用,形成TiN,若在大气中熔炼,将会产生吸气、吸氧、非金属夹杂等问题,另外,在敞开式浇注过程中也易产生类似的问题,影响材料的性能。传统熔铸方法是在真空炉里进行。而本发明采用潜流式Cu-Ti合金水平连续铸造技术,该技术在传统的水平连续铸造技术的基础上,采用潜流式补铜工艺,使流槽和熔炉完全密封,并充入惰性气体,保证熔体与空气完全隔绝。避免在熔炼、流槽和浇注过程中,熔体产生吸气、夹渣等缺陷。在生产过程中可以通过加料孔随时进行加料,调整合金成分,既可以实现Cu-Ti合金的连续生产,又可以控制熔炼过程中夹杂量,减少冶金缺陷的出现。
3)变形过程中的淬火处理
Cu-Ti合金在经过一定程度的冷变形后进行一种特殊的淬火处理工艺可使晶粒细化,这对合金的强度和疲劳性能都非常有益。因为晶粒细化使得合金内部晶界增加,可阻碍裂纹沿晶界扩展,同时细化晶粒还可提高材料的变形抗力,抑制循环滑移带的形成和开裂,增加裂纹扩展的晶界阻力,提高疲劳强度,本环节是铜钛合金获得优异疲劳性能的一个关键环节。淬火温度应控制在Cu中Ti的浓度所对应的Ti的溶解度曲线温度左右,且应快速冷却。在远高于该温度以上淬火,晶粒尺寸会快速长大,使强度与疲劳性能下降;在远低于该温度下淬火,晶粒尺寸极小,强度很高,但是太细小的晶粒同样对疲劳性能有害,晶粒太小失去对疲劳裂纹的阻碍作用,疲劳性能下降。合理的晶粒尺寸应使截面上的晶粒尺寸控制在2~20μm之间。若低于2μm或超过20μm,都不能达到提高疲劳性能的要求。
另外,这种淬火处理由于其温度高于Ti在Cu中的固溶度线,接近于固溶处理。Cu-Ti合金通过固溶处理形成过饱和的固溶体,在该状态进行低温时效时,生成亚稳态的调幅组织,在这个过程中的某一时期内合金显著硬化,继续时效时将产生过时效,最终析出稳定相Cu3Ti,而使合金软化。另一方面,在固溶不充分的条件下,未固溶完全的钛将以Cu3Ti的状态残留在母相中,因此为了最大限度地达到时效下的硬化而有必要在其前工序的固溶处理中使Cu3Ti相完全消失。换言之,使钛完全固溶在母相中,因此,有必要加热到使钛的固溶限度超过钛含有量的温度。
4)时效处理
时效温度应在350℃~450℃,低于350℃,则Cu-Ti金属间化合物相析出不充分,不能得到高的强度和电导率;若高于450℃,则Cu-Ti金属间化合物相易于粗大化,并且易于过时效,致使合金强度降低。时效时间在5~20小时。另外,在时效冷却过程中,为了引起Cu-Ti金属间化合物相的充分析出,从时效温度到200℃的冷却速度应不高于50℃/小时
铜钛合金时效时,Ti在低温短时将发生调幅分解,生成调幅组织,此时合金的强度会迅速提高,导电率也会迅速增加。要获得较高的强度与电导率,必须让Ti尽可能地析出,进行长时间的保温。提高时效温度,调幅组织转变成Cu4Ti亚稳共格相,此时可获得较好的强度与电导率。继续提高温度,析出相为粗大的片层组织稳定相Cu3Ti,强度变差,同时这种粗大的片层组织不利于疲劳性能的提高。合金中调幅组织转变成Cu4Ti亚稳共格相时,强度最高,疲劳性能最好,导电率也较高,此时合金的综合性能最好。因此,要提高铜钛合金的疲劳强度,在时效时应严格控制时效温度与保温时间,防止铜钛合金中粗大片层组织的析出。优选的时效温度为360℃~430℃,保温5~20小时。
6)生产加工方法
根据铜钛合金应用的不同,其产品的生产可采用两种方式,一种是带材生产工艺:熔铸-热轧-固溶-冷轧-淬火-冷轧-时效;一种是线、杆材生产工艺:熔铸-挤压-固溶-拉拔-淬火-拉拔-时效。
I.非真空熔炼
合金在非真空熔炼炉中,经成分控制合格后,在气体保护下浇注成铜钛合金锭。生产铜钛带材则浇注铜钛合金扁锭,生产线、杆材则浇注铜钛合金圆锭。
II.热轧和挤压
铜钛合金的热轧和挤压时加热温度一般控制在850℃~950℃,保温30分钟左右,使铸造时形成的粗大金属间化合物固溶到基体中。
III.淬火前的冷轧和拉拔
铜钛合金进行淬火处理时,在此前的冷变形所产生的位错、空位等缺陷储存大量的变形能,在再结晶时能促进晶核的形成,这种冷变形(冷轧和拉拔)的变形量越大,再结晶晶核的生成越显著,晶粒的长大可以一定程度的受到抑制,得到微细的晶粒。一般这种总变形量大于80%以上,可以获得10μm左右的平均粒径。
IV.冷变形过程中的淬火
淬火温度应控制在Cu中Ti的浓度所对应的Ti的溶解度曲线温度左右,且应快速冷却。合理的晶粒尺寸应使截面上的晶粒尺寸控制在2~20μm之间。
V.淬火后的冷轧和拉拔
淬火后的冷轧和拉拔,其目的是提高淬火后合金产品的强度与疲劳强度。其变形量小于10%时,不能通过加工硬化而提高合金的强度与疲劳性能;变形量大于50%时,合金因变形量过大而导致内部变形不均匀,出现局部应力集中,加上不可避免的杂质和冶金缺陷,使合金的疲劳性能急剧下降。因此淬火后的冷轧和拉拔总变形量应控制在10~50%,优选20~40%。
VI时效
时效温度应在350℃~450℃,时效时间在5~20小时之间。另外,在时效冷却过程中,为了使Cu-Ti金属间化合物相的充分析出,从时效温度到200℃的冷却速度应不高于50℃/小时。为了提高铜钛合金的疲劳强度,在时效时控制时效温度与保温时间,使合金中析出相为亚稳共格相Cu4Ti,防止与减少铜钛合金中粗大片层组织相Cu3Ti的析出。优选的时效温度为360℃~430℃,保温5~20小时。
【实施例】
以工业电解铜、海绵钛及其它微量合金元素为原料,在气体保护非真空中频感应炉中,采用石墨坩埚熔炼。浇注20Kg的铸锭(扁锭:50×100×500mm3,圆锭:Φ120mm),通过ICP分析,合金成分见表1。然后,铸锭在850℃进行热轧或挤压,热轧后在860℃进行1h的固溶处理。
固溶后的板材厚度为10mm,铣面后进行冷轧,轧制1.5mm带材,在820℃氩气保护条件下保温5min后进行淬火,淬火后的板材再冷轧至1mm后,最后380℃时效处理10h,对合金的性能进行测试。固溶后的线杆直径为Φ20mm,拉拔至Φ8mm,淬火后拉拔至Φ6mm测试性能,结果见表1。
表1 合金的成分和最终态性能
试样编号 | 样品形式 | 成分 | 性能 | ||||
硬度Hv | 强度Rm | 延伸率% | 电导率%IACS | 疲劳强度MPa | |||
1 | 带材 | Cu-3.0Ti-0.08Cr-RE | 345 | 1085 | 15.6 | 15.4 | 260.4 |
1 | 线材 | 349 | 1159 | 17.1 | 16.5 | 278.8 | |
2 | 带材 | Cu-3.5Ti-0.1Cr-RE | 351 | 1096 | 16.5 | 15.9 | 263.1 |
2 | 线材 | 356 | 1167 | 18.2 | 17.3 | 280.4 |
实施例表明,本发明技术方案采用非真空熔炼技术,从优化合金的化学成分、熔炼工艺及独特的热处理工艺等环节入手,通过控制相结构和晶粒尺寸,获得质量优良的疲劳性能优异的铜钛合金,可广泛应用于弹性接插元件和导电弹簧。
需要说明的是,除上述实施方式以外,本发明尚有其它多种实施方式。凡采用等同替换或者等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种抗疲劳的Cu-Ti合金,其特征在于:合金中含有2.5~5.0wt%的Ti,含有0.01~0.5wt%的Cr、Co、V、Zr、B和Ni中的至少一种,0.1~0.5wt%的混合稀土,其余组分为Cu和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金,其特征在于:所述Cu-Ti合金的抗拉强度为1000Mpa~1200Mpa,延伸率大于14.8%,导电率大于15.2%IACS,抗疲劳强度大于260Mpa。
3.根据权利要求1所述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金,其特征在于:所述Cu-Ti合金中Ti的含量为3.0~4.0wt%。
4.生产权利要求1所述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金的方法,其特征在于包括以下步骤——
①非真空熔铸:首先将主原料及辅原料投入非真空中频感应炉中,在惰性气体保护条件下进行熔铸;
②热轧和挤压:热轧和挤压的加热温度控制在850℃~950℃,保温20~40分钟;
③淬火前的冷轧和拉拔:总变形量大于80%以上;
④淬火:淬火温度控制在Cu中Ti的浓度所对应的Ti的溶解度曲线温度左右,且快速冷却;
⑤淬火后的冷轧和拉拔:淬火后的冷轧和拉拔总变形量控制在10~50%;
⑥时效:时效温度在350℃~450℃,时效时间在5~20小时,另外,在时效冷却过程中,从时效温度至200℃的冷却速度不高于50℃/小时。
5.根据权利要求4所述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金的生产方法,其特征在于:步骤④淬火工艺控制晶粒直径在2~20μm。
6.根据权利要求4所述的一种抗疲劳的Cu-Ti合金的生产方法,其特征在于:步骤⑤淬火后的冷轧和拉拔的总变形量控制在20~40%。
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