CN104404292A - 一种传感器用高强度铜合金材料及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器用高强度铜合金材料及制造方法，该铜合金材料，主要成分是铜，还包括钛、铍、钴、铝、锌和磷。该制造方法，包括以下步骤：（1）加热熔化铜和铝，得到铜和铝热熔液；（2）加热熔化钛、铍、钴和锌得到钛、铍、钴和锌热熔液；（3）将钛、铍、钴和锌热熔液与铜和铝热熔液混合，得到铜合金热熔液；（4）在铜合金热熔液中加入磷；（5）将步骤（4）所得的铜合金热熔液冷却。本发明的铜合金材料具有较高较稳定的强度，平均抗拉强度达到890MPa～948MPa，延伸率达到3.2%～5%，适用范围更广，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器用高强度铜合金材料及制造方法，属于金属材料及合金制造技术领域。
背景技术
铜合金被广泛应用于汽车部件、家电部件、电气、电子、光学部件、配管构件、水暖金属件或者各种阀门等。且由于近年来全球变暖，强烈要求制品或者构件的小型、轻量化和薄壁化，在比重比铁大的铜合金中，需要通过高强度化来应对上述要求。
尤其在气象机械、气象光学仪器领域，对仪器的重量有着较高的要求，以及对仪器的精密程度要求较高，就需要使用高强度的且轻质的合金材料，很多气象观测站，由于地域、交通的限制，不能够满足较重仪器的搬运和安装，仪器更换也存在很大的难度，这就需要在仪器的配备上有着较高的要求，仪器的精密度，以及仪器的使用寿命要求高。对于仪器制作时使用的材料，尤其是传感器，以及数据采集芯片使用的铜合金的要求很高，传统的简单的铜合金材料基本无法满足要求。传统的铜合金不仅在质量重、感应的灵敏度差以及能够被使用的次数少，不能满足气象领域的仪器使用要求。
高导高强铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应用于电阻焊、电力、电子、机械制造等工业领域。
现有的晶体管、IC等半导体，或集成电路等组件，其连结电极与外部导线一般是以高纯度4N系(纯度＞99.99mass(质量)％)的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为电性连接的接合线，然而，由于黄金较高的价格，以及黄金市场的不稳定性，在考虑成本和行业风险的情况下，使用黄金存在一定的弊端，不利于工业化应用和大规模的生产。使用铜合金替代高价位的高纯度4N系(纯度＞99.99mass(质量)％)的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为电性连接的接合线成为业内人士考虑的方向。使用铜合金时，由于封装用树脂与导线的热膨胀系数差异过大，随着半导体启动后温度上升，因热形成的体积膨胀对形成回路的铜接合线产生外部应力，特别是对暴露于严酷的热循环条件下的半导体组件，容易使铜接合线产生短线的问题。
用于作为载流部件(例如连接件、引流框、继电器和开关)的电气和电子部件的材料具有良好的电导率，以抑制因为载流而产生焦耳热，要求所使用的材料的高强度能承受在使用此材料的电气和电子设备的组装和运行过程中向其施加的应力。用于电气和电子部件的材料还要求具有极佳的可弯曲加工性，而且，为了确保电气和电子部件之间的接触可靠性，要求用于该部件的材料具有极佳的耐应力松弛性。尤其近年来，电气和电子部件存在集成化、微型化和轻质化的倾向，碎玉材料的性能要求更高，铜合金板的厚度要变薄，强度以及敏感度要求更高。
发明人通过检索得到专利号为2010800134044，发明名称为高度强铜合金专利，该铜合金中的组分为锌20％～45％、铁0.3～1.5％、铬0.3～1.5％，余量为铜，且该铜合金内部分散有铁-铬系化合物粒子和Al2Ca的金属间化合物粒子，以重量标准计所述铁相对于所述铬的含有比率Fe/Cr为0.5～2。在具体实施例中公布了抗拉强度和破断延伸率的试验数据，但是对于这种配比的铜合金材料，只能通过使用该专利中公开的制作方法来得到，对于铜合金材料内部的成型结构，无法实现具体控制，且该铜合金材料的抗变形系数，以及导电系数并不能达到在气象机械的传感器中的要求，无法应用到气象机械的传感器中，无法解决减轻气象机械的重量和提高气象机械的传感灵敏度的问题。
发明人还检索到申请号为201110228500.7，发明名称为一种铜合金材料的发明专利，该发明公开的铜合金材料，由以下以重量百分比计的原料制成：Pb0.641％～0.704％，Si 1.23％～1.36％，Mn1.94％～2.32％，Ni 1.95％～2.21％，Fe0.093％～0.153％，Sn0.025％～0.048％，Zn35.3％～35.76％，Cu余量。该发明的铜合金材料具有高强度、耐磨、耐腐蚀、延展性好、易加工、不易拉脱等优点，适合于制造高压柱塞泵的核心零件如滑靴和配流盘。但是这种铜合金材料的导电性能不好，不适应于制作传感器部件，尤其不适应于制作气象领域的传感器。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种传感器用高强度铜合金材料及制造方法，其具体方案为：
该传感器用高强度铜合金材料，其主要成分是铜元素，还包括钛、铍、钴、铝、锌和磷，上述各组分在铜合金中的重量百分比例为：钛0.2％～0.8％、铍0.5％～1.0％、钴0.4％～0.9％、铝1.2％～2.2％、锌4.0％～6.0％和磷0.7％～1.5％。
所述钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.3％～0.7％、铍0.6％～0.9％、钴0.5％～0.8％、铝1.5％～1.9％、锌4.5％～5.5％和磷0.9％～1.3％。
所述钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.5％、铍0.75％、钴0.65％、铝1.7％、锌5.0％和磷1.1％。
一种制造传感器用高强度铜合金材料方法，其特征是包括以下步骤：
(1)将铝按照在铜合金中重量百分比例为1.2％～2.2％和铜同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空，坩埚内温度升至1480℃，停止加热，并保温0.5～1.0个小时，得到铜和铝热熔液；
(2)将钛、铍、钴和锌按照在铜合金中重量百分比例为钛0.2％～0.8％、铍0.5％～1.0％、钴0.4％～0.9％、锌4.0％～6.0％同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空，坩埚内温度升至1680℃，停止加热，并保温1.0～1.5个小时，得到钛、铍、钴和锌热熔液；
(3)将步骤(2)所得的钛、铍、钴和锌热熔液与步骤(1)所得的铜和铝热熔液混合，并保持真空热熔，温度保持在1580～1680℃，得到铜合金热熔液；
(4)在步骤(3)所得的铜合金热熔液中加入在铜合金中重量百分比例为0.7％～1.5％的磷，温度保持在1580～1680℃，真空保温1.5～2.5个小时；
(5)将步骤(4)所得的铜合金热熔液置于温度为1000℃的环境中冷却0.5～1.5个小时，再置于500℃的环境中冷却0.8～1.6个小时，再置于250℃的环境中冷却0.5～1.0个小时，最后置于常温环境中冷却，直至自然冷却。
所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中热熔的环境真空度为10-4～10-5MPa。
所述步骤(4)中铜合金热熔液在1000℃和/或500℃的环境中冷却的过程中进行热锻处理。
本发明的有益效果是：
本发明的铜合金材料具有较高较稳定的强度，平均抗拉强度达到890Mpa～948Mpa，延伸率达到3.2％～5％，适用范围更广，能满足一些现有的铜合金不能满足的高要求的设备，具有广阔的应用前景，应用在传感器外壳上，能让外壳具有稳定的强度，不会被挤压变形，使用寿命长。
本发明的制造传感器用高强度铜合金材料的方法，分成三个温度梯度冷却，在1000℃和/或500℃的环境中冷却的过程中进行热锻处理，有效提高铜合金的的抗拉强度和延伸率，改善铜合金的内部组织机构，提高铜合金的强度，得到更加稳定和严密的内部合金组织。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本传感器用高强度铜合金材料，其主要成分是铜元素，还包括钛、铍、钴、铝、锌和磷。
实施例1：
铜合金材料中的钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.2％、铍0.5％、钴0.4％、铝1.2％、锌4.0％和磷0.7％。
制造该传感器用高强度铜合金材料方法，包括以下步骤：
(1)将铝按照在铜合金中重量百分比例为1.2％和铜同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-4MPa，坩埚内温度升至1480℃，停止加热，并保温0.5个小时，得到铜和铝热熔液；
(2)将钛、铍、钴和锌按照在铜合金中重量百分比例为钛0.2％、铍0.5％、钴0.4％、锌4.0％同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-4MPa，坩埚内温度升至1680℃，停止加热，并保温1.0个小时，得到钛、铍、钴和锌热熔液；
(3)将步骤(2)所得的钛、铍、钴和锌热熔液与步骤(1)所得的铜和铝热熔液混合，并保持真空热熔，环境真空度为10-4MPa，温度保持在1580℃，得到铜合金热熔液；
(4)在步骤(3)所得的铜合金热熔液中加入在铜合金中重量百分比例为0.7％的磷，温度保持在1580℃，环境真空度为10-4MPa，真空保温1.5个小时；
(5)将步骤(4)所得的铜合金热熔液置于温度为1000℃的环境中冷却0.5个小时，并同步进行热锻处理，再置于500℃的环境中冷却0.8个小时，并同步进行热锻处理，再置于250℃的环境中冷却0.5个小时，最后置于常温环境中冷却，直至自然冷却。
实施例2：
铜合金材料中的钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.3％、铍0.6％、钴0.5％、铝1.5％、锌4.5％和磷0.9％。
制造该传感器用高强度铜合金材料方法，包括以下步骤：
(1)将铝按照在铜合金中重量百分比例为1.5％和铜同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-4MPa，坩埚内温度升至1480℃，停止加热，并保温0.7个小时，得到铜和铝热熔液；
(2)将钛、铍、钴和锌按照在铜合金中重量百分比例为钛0.3％、铍0.6％、钴0.5％、锌4.5％同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-4MPa，坩埚内温度升至1680℃，停止加热，并保温1.2个小时，得到钛、铍、钴和锌热熔液；
(3)将步骤(2)所得的钛、铍、钴和锌热熔液与步骤(1)所得的铜和铝热熔液混合，并保持真空热熔，环境真空度为10-4MPa，温度保持在1600℃，得到铜合金热熔液；
(4)在步骤(3)所得的铜合金热熔液中加入在铜合金中重量百分比例为0.9％的磷，温度保持在1600℃，环境真空度为10-4MPa，真空保温1.7个小时；
(5)将步骤(4)所得的铜合金热熔液置于温度为1000℃的环境中冷却0.5～1.5个小时，并同步进行热锻处理，再置于500℃的环境中冷却1.0个小时，并同步进行热锻处理，再置于250℃的环境中冷却0.6个小时，最后置于常温环境中冷却，直至自然冷却。
实施例3：
所述钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.5％、铍0.75％、钴0.65％、铝1.7％、锌5.0％和磷1.1％。
制造该传感器用高强度铜合金材料方法，包括以下步骤：
(1)将铝按照在铜合金中重量百分比例为1.7％和铜同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-5MPa，坩埚内温度升至1480℃，停止加热，并保温0.8个小时，得到铜和铝热熔液；
(2)将钛、铍、钴和锌按照在铜合金中重量百分比例为钛0.5％、铍0.75％、钴0.65％、锌5.0％同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-5MPa，坩埚内温度升至1680℃，停止加热，并保温1.2个小时，得到钛、铍、钴和锌热熔液；
(3)将步骤(2)所得的钛、铍、钴和锌热熔液与步骤(1)所得的铜和铝热熔液混合，并保持真空热熔，环境真空度为10-5MPa，温度保持在1620℃，得到铜合金热熔液；
(4)在步骤(3)所得的铜合金热熔液中加入在铜合金中重量百分比例为1.1％的磷，温度保持在1620℃，环境真空度为10-5MPa，真空保温2.0个小时；
(5)将步骤(4)所得的铜合金热熔液置于温度为1000℃的环境中冷却1.0个小时，并同步进行热锻处理，再置于500℃的环境中冷却1.2个小时，并同步进行热锻处理，再置于250℃的环境中冷却0.75个小时，最后置于常温环境中冷却，直至自然冷却。
实施例4：
铜合金材料中的钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.7％、铍0.9％、钴0.8％、铝1.9％、锌5.5％和磷1.3％。
制造该传感器用高强度铜合金材料方法，包括以下步骤：
(1)将铝按照在铜合金中重量百分比例为1.9％和铜同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-5MPa，坩埚内温度升至1480℃，停止加热，并保温0.85个小时，得到铜和铝热熔液；
(2)将钛、铍、钴和锌按照在铜合金中重量百分比例为钛0.7％、铍0.9％、钴0.8％、锌5.5％同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-5MPa，坩埚内温度升至1680℃，停止加热，并保温1.3个小时，得到钛、铍、钴和锌热熔液；
(3)将步骤(2)所得的钛、铍、钴和锌热熔液与步骤(1)所得的铜和铝热熔液混合，并保持真空热熔，环境真空度为10-5MPa，温度保持在1640℃，得到铜合金热熔液；
(4)在步骤(3)所得的铜合金热熔液中加入在铜合金中重量百分比例为1.3％的磷，温度保持在1640℃，环境真空度为10-5MPa，真空保温2.0个小时；
(5)将步骤(4)所得的铜合金热熔液置于温度为1000℃的环境中冷却1.0个小时，并同步进行热锻处理，再置于500℃的环境中冷却1.4个小时，并同步进行热锻处理，再置于250℃的环境中冷却0.8个小时，最后置于常温环境中冷却，直至自然冷却。
实施例5：
铜合金材料中的钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.8％、铍1.0％、钴0.9％、铝2.2％、锌6.0％和磷1.5％。
制造该传感器用高强度铜合金材料方法，包括以下步骤：
(1)将铝按照在铜合金中重量百分比例为2.2％和铜同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-5MPa，坩埚内温度升至1480℃，停止加热，并保温1.0个小时，得到铜和铝热熔液；
(2)将钛、铍、钴和锌按照在铜合金中重量百分比例为钛0.8％、铍1.0％、钴0.9％、锌6.0％同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空度10-5MPa，坩埚内温度升至1680℃，停止加热，并保温1.5个小时，得到钛、铍、钴和锌热熔液；
(3)将步骤(2)所得的钛、铍、钴和锌热熔液与步骤(1)所得的铜和铝热熔液混合，并保持真空热熔，环境真空度为10-5MPa，温度保持在1680℃，得到铜合金热熔液；
(4)在步骤(3)所得的铜合金热熔液中加入在铜合金中重量百分比例为1.5％的磷，温度保持在1680℃，环境真空度为10-5MPa，真空保温2.5个小时；
(5)将步骤(4)所得的铜合金热熔液置于温度为1000℃的环境中冷却1.5个小时，并同步进行热锻处理，再置于500℃的环境中冷却1.6个小时，并同步进行热锻处理，再置于250℃的环境中冷却1.0个小时，最后置于常温环境中冷却，直至自然冷却。
本发明的铜合金在制造过程中，分别测试各实施例中步骤(5)中1000℃的环境中、500℃的环境中、250℃的环境中热锻处理后的铜合金抗拉强度和延伸率，总结数据如下表：
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (6)
1.一种传感器用高强度铜合金材料，其主要成分是铜元素，其特征是还包括钛、铍、钴、铝、锌和磷，上述各组分在铜合金中的重量百分比例为：钛0.2%~0.8%、铍0.5%~1.0%、钴0.4%~0.9%、铝1.2%~2.2%、锌4.0%~6.0%和磷0.7%~1.5%。
2.根据权利要求1所述的传感器用高强度铜合金材料，其特征是所述钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.3%~0.7%、铍0.6%~0.9%、钴0.5%~0.8%、铝1.5%~1.9%、锌4.5%~5.5%和磷0.9%~1.3%。
3.根据权利要求1所述的传感器用高强度铜合金材料，其特征是所述钛、铍、钴、铝、锌和磷在铜合金中的重量百分比例为：钛0.5%、铍0.75%、钴0.65%、铝1.7%、锌5.0%和磷1.1%。
4.一种制造如权利要求1-3任一所述的传感器用高强度铜合金材料方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将铜和铝按照权利要求1所述的重量百分比例同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空，坩埚内温度升至1480℃，停止加热，并保温0.5~1.0个小时，得到铜和铝热熔液；
（2）将钛、铍、钴和锌按照权利要求1所述的重量百分比例同时投放到一个密闭的坩埚中加热熔化，坩埚内部保持真空，坩埚内温度升至1680℃，停止加热，并保温1.0~1.5个小时，得到钛、铍、钴和锌热熔液；
（3）将步骤（2）所得的钛、铍、钴和锌热熔液与步骤（1）所得的铜和铝热熔液混合，并保持真空热熔，温度保持在1580~1680℃，得到铜合金热熔液；
（4）在步骤（3）所得的铜合金热熔液中加入如权利要求1所述重量百分比例的磷，温度保持在1580~1680℃，真空保温1.5~2.5个小时；
（5）将步骤（4）所得的铜合金热熔液置于温度为1000℃的环境中冷却0.5~1.5个小时，再置于500℃的环境中冷却0.8~1.6个小时，再置于250℃的环境中冷却0.5~1.0个小时，最后置于常温环境中冷却，直至自然冷却。
5.根据权利要求4所述的制造传感器用高强度铜合金材料方法，其特征是所述步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中热熔的环境真空度和步骤（4）真空保温的真空度均为10-4~10-5MPa。
6.根据权利要求4所述的制造传感器用高强度铜合金材料方法，其特征是所述步骤（4）中铜合金热熔液在1000℃和/或500℃的环境中冷却的过程中进行热锻处理。
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