CN109338149A - 适用于导电弹性元器件的高强钛铜合金棒材及制备方法 - Google Patents

适用于导电弹性元器件的高强钛铜合金棒材及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于导电弹性元器件的高强钛铜合金棒材及制备方法，属于钛铜合金技术领域。其化学成分wt％为C 0～0.01％，Ti 2.6～3.4％，Ce 0.001～0.2％，W+Ta+Hf+Fe≤0.3％，余量为Cu及不可避免的杂质。制备过程包括：真空冶炼、锻造、热轧、固溶、时效、成品修磨、质量检查。在合金中加入Ce、W、Ta、Hf、Fe等元素，通过与之匹配的制备工艺，使合金的冷热加工性能、力学性能、热导率、电导率等综合性能得到提高；产品性能为：抗拉强度为1100～1250MPa，屈服强度为1000～1150MPa，导热系数为92～125W/(m·℃)，电导率为19～27％IACS，晶粒尺寸为15～90μm，硬度为300～380HV，超声检测达到A级以上。合金高强度、高热导率及高电导率的匹配满足导电弹性元器件强度、散热性能的要求。

Description

适用于导电弹性元器件的高强钛铜合金棒材及制备方法
技术领域
本发明属于钛铜合金技术领域，涉及一种适用于导电弹性元器件的高强度钛铜合金棒材及其制备方法。
背景技术
超高强铜合金材料是我国战略型新兴产业，超高强弹性铜合金主要指抗拉强度超过1000MPa的导电弹性铜合金，它们主要应用于制备导电弹性元器件，如机器仪表、模具、温度控制器、继电器、汽车零配件等。铍青铜是典型的沉淀强化型合金，因其具有高的强度、硬度、弹性极限，并且具有耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温等一系列优点，得到广泛应用，被誉为“有色弹性材料之王”。然而，铍青铜中的铍具有毒性，铍青铜生产和使用中的安全性问题不容忽视。
钛青铜是20世纪50年代末期出现的一种新型铜基沉淀强化型弹性合金，多个国家的学者均对钛青铜的合金成分、机械性能等开展了研究，并且部分代替铍青铜，用于制造精密仪器、仪表的弹性元件、特殊形状结构元件、互联器和耐磨零件等。目前，钛铜合金牌号主要有HPTC、NKT322、YCuT-M、YCuT-F。随着科学技术的发展与进步，为适应越来越苛刻的工作条件和复杂特殊的形状结构，对导电弹性元器件的强度、散热性能等要求越来越高，因而对钛铜合金高强度、高热导率及高电导率的匹配提出了更高要求：抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥1000MPa，导热系数≥90W/(m·℃)，电导率≥19％IACS。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电元器件用高强度钛铜合金棒材及其制备方法，其抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥1000MPa，导热系数≥90W/(m·℃)，电导率≥19％IACS。
本发明高强度钛铜合金棒材的化学成分质量百分比为：C 0～0.01％，Ti 2.6～3.4％，Ce 0.001～0.2％，W+Ta+Hf+Fe≤0.3％，余量为Cu及不可避免的杂质。
C：C元素的添加，一方面与Ti结合生成TiC，弥散分布在晶界，可以显著提高合金的强度；另一方面，消耗过饱和的Ti有利于降低合金的电阻率。
Ce：Ce元素的添加，有利于净化合金晶界，改善合金的加工性能。
W、Ta、Hf、Fe：微量W、Ta和Hf的添加，可以作为结晶核心细化晶粒，同时，还可以起到固溶强化作用，进一步提高合金的强度。微量Fe可以改善合金加工性能。
本发明采用如下制备工艺：采用真空感应炉冶炼，以充分降低和去除合金中的气体和夹杂物含量。冶炼后的合金经锻造、热轧、固溶和时效、成品修磨、质量检查等工序得到成品，具体制备工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)真空冶炼：原材料按比例混合后装入坩埚。合金精炼温度为1200～1250℃，出钢温度为1160～1200℃；
(2)锻造：在700-920℃下锻造为60～160mm直径的棒料；
(3)热轧：锻造后棒料在700-920℃下进行热轧，热轧总变形量为60％～99％，单次变形量控制在25～50％；
(4)固溶：初轧后的合金棒材进行固溶，固溶温度为700～850℃；保温时间至少为10min；
(5)时效：按照(4)中工艺固溶后的合金进行时效处理，时效温度为350～500℃，时效时间至少为20min；
(6)成品修磨：时效后进行成品修磨；
(7)质量检查：对修磨后的成品进行外观检查和超声检测。
根据制备需要，(3)与(4)交替进行，在进行成品修磨前，进行时效处理。
本发明通过在合金中加入Ce、W、Ta、Hf、Fe等元素，及与之匹配的制备工艺，使合金的冷热加工性能、力学性能、热导率、电导率等综合性能得到提高；最终产品性能为：抗拉强度1100～1250MPa，屈服强度为1000～1150MPa，导热系数为92～125W/(m·℃)，电导率为19～27％IACS，晶粒尺寸为15～90μm，硬度为300～380HV，超声检测达到A级以上。本发明合金高强度、高热导率及高电导率的匹配满足导电弹性元器件的强度、散热性能的要求。
具体实施方法
下面通过实施例具体说明本发明的技术方案。
实施例1：
合金具体化学成分质量百分比为：C：0.005％，Ti：2.7％，Ce：0.05％，W：0.03％，Ta：0.08％，Hf：0.06％，Fe：0.10％，余Cu及不可避免的杂质。
纯度为99.9％的电解铜、纯度为99.9％的海绵钛、C、Ce、W、Ta、Hf、Fe按比例混合后装入坩埚。在真空感应炉中进行冶炼，合金精炼温度为1250℃，出钢温度为1200℃，浇铸成钢锭。钢锭在850℃保温锻成60mm直径的棒料，在900℃保温热轧，首次变形量控制为50％，热轧变形总变形量为97％。随后在800℃进行固溶，保温时间为10min，然后在400℃进行时效，保温时间为20min。经过成品修磨得到直径10mm棒材。其抗拉强度1242MPa，屈服强度为1128MPa，导热系数为98W/(m·℃)，电导率为23％IACS，晶粒尺寸为18μm，硬度为373HV，超声检测达到AAA级。
实施例2：
合金具体化学成分质量百分比为：C：0.008％，Ti：3.2％，Ce：0.04％，W：0.02％，Ta：0.03％，Fe：0.18％，余Cu及不可避免的杂质。
纯度为99.9％的电解铜、纯度为99.9％的海绵钛、C、Ce、W、Ta、Fe按比例混合后装入坩埚。在真空感应炉中进行冶炼，合金精炼温度为1245℃，出钢温度为1195℃，浇铸成钢锭。钢锭在850℃保温锻成160mm直径的棒料，在890℃保温热轧，首次变形量控制为30％，热轧变形总变形量为61％。随后在850℃进行固溶，保温时间为60min，然后在400℃进行时效，保温时间为120min。经过成品修磨得到直径100mm棒材。其抗拉强度1123MPa，屈服强度为1050MPa，导热系数为101W/(m·℃)，电导率为21％IACS，晶粒尺寸为78μm，硬度为336HV，超声检测达到AA级。
实施例3：
合金具体化学成分质量百分比为：C：0.008％，Ti：3.0％，Ce：0.08％，W：0.03％，Hf：0.06％，Fe：0.15％，余Cu及不可避免的杂质。
纯度为99.9％的电解铜、纯度为99.9％的海绵钛、C、Ce、W、Fe按比例混合后装入坩埚。在真空感应炉中进行冶炼，合金精炼温度为1250℃，出钢温度为1195℃，浇铸成钢锭。钢锭在850℃保温锻成100mm直径的棒料，在880℃保温热轧，首次变形量控制为35％，热轧变形总变形量为70％。随后在830℃进行固溶，保温时间为45min，然后在410℃进行时效，保温时间为100min。经过成品修磨得到直径54mm棒材。其抗拉强度1182MPa，屈服强度为1070MPa，导热系数为111W/(m·℃)，电导率为20％IACS，晶粒尺寸为55μm，硬度为351HV，超声检测达到AA级。

Claims (4)

1.一种适用于导电弹性元器件的高强钛铜合金棒材，其特征在于，化学成分质量百分比为：C 0～0.01％，Ti 2.6～3.4％，Ce 0.001～0.2％，W+Ta+Hf+Fe≤0.3％，余量为Cu及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的钛铜合金棒材，其特征在于，所制备的钛铜合金棒材抗拉强度为1100～1250MPa，屈服强度为1000～1150MPa，导热系数为92～125W/(m·℃)，电导率为19～27％IACS，晶粒尺寸为15～90μm，硬度为300～380HV，超声检测达到A级以上。
3.一种制备权利要求1或2所述钛铜合金棒材的制备方法，其特征在于，制备步骤及控制的技术参数如下：
(1)真空冶炼：原材料按比例混合后装入坩埚，合金精炼温度为1200～1250℃，出钢温度为1160～1200℃；
(2)锻造：在700-920℃下锻造为60～160mm直径的棒料；
(3)热轧：锻造后棒料在700-920℃下进行热轧，热轧总变形量为60％～99％，单次变形量控制在25～50％；
(4)固溶：初轧后的合金棒材进行固溶，固溶温度为700～850℃；保温时间至少为10min；
(5)时效：按照(4)中工艺固溶后的合金进行时效处理，时效温度为350～500℃，时效时间至少为20min；
(6)成品修磨：时效后进行成品修磨；
(7)质量检查：对修磨后的成品进行外观检查和超声检测。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，根据制备需要，(3)与(4)交替进行，在进行成品修磨前，进行时效处理。
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