CN109504871B - 适用导电弹性元器件的高强度钛铜合金丝材及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用导电弹性元器件的高强度钛铜合金丝材及制备方法,属于钛铜合金技术领域。其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+Fe+Hf≤0.3％，余量为Cu及不可避免的杂质。最终产品性能为：抗拉强度为1130～1230MPa，屈服强度为1028～1100MPa，导热系数为92～125W/(m·℃)，电导率为19～27％IACS，晶粒尺寸为5.6～44.9μm，硬度为320～370HV，芯棒直径等于丝材直径时，缠绕≥3圈无裂纹。所述合金生产过程包括：真空冶炼、锻造、热轧、固溶、冷拔、时效、成品拔制、去应力退火等步骤。优点在于，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。

Description

适用导电弹性元器件的高强度钛铜合金丝材及制造方法
技术领域
本发明属于钛铜合金领域，涉及一种适用于导电弹性元器件的高强度钛铜合金丝材及其制备方法。
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，主要需求形状为带材和丝材等，目前带材研究较多，而丝材的相关研究报道较少。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、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，越来越复杂的设计结构，对导电弹性元器件的形状、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
本发明提供了一种适用导电弹性元器件的高强度钛铜合金丝材及制造方法，其抗拉强度≥1100MPa，屈服强度≥1000MPa，导热系数≥90W/(m·℃)，电导率≥19％IACS。
本发明的高强度钛铜合金丝材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+Fe+Hf≤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和Fe：微量W、Ta、Hf的添加，可以作为结晶核心细化晶粒，起到固溶强化作用，进一步提高合金的强度，Fe元素的添加改善合金加工性能。
在合金中加入Ce、W、Ta、Fe、Hf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；最终产品性能为：抗拉强度为1130～1230MPa，屈服强度为1028～1100MPa，导热系数为92～125W/(m·℃)，电导率为19～27％IACS，晶粒尺寸为5.6～44.9μm，硬度为320～370HV，芯棒直径等于丝材直径时，缠绕≥3圈无裂纹。
本发明合金采用如下生产工艺：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、冷拔交替进行、时效、成品冷拔、去应力退火等工序得到成品，具体生产工艺如下：
(1)真空冶炼：相关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、热轧：在700～920℃下锻造为(30×30)～(110×110)mm厚的方坯；锻造后方坯在700～920℃下进行热轧，热轧总变形量为90～99％，盘条直径Φ7～Φ10mm；
(3)冷拔：合金冷拔变形量控制在30～80％；
(4)固溶：冷拔后的合金丝材在保护气氛中进行退火，固溶温度为700～850℃；保温时间为1～10min；
(5)根据生产需要，(3)与(4)交替进行，在进行成品冷拔前，进行时效处理；
(6)时效：按照(4)中工艺固溶后的合金丝材进行时效处理，时效温度为350～500℃，时效时间为1～24h；
(7)成品冷拔：时效后进行成品冷拔，成品冷拔变形量为10～50％，成品丝材直径范围在Φ0.5～Φ8mm；
(8)去应力退火：根据需要进行去应力退火。
采用上述方法生产的合金丝材，其抗拉强度为1130～1230MPa，屈服强度为1028～1100MPa，导热系数为92～125W/(m·℃)，电导率为19～27％IACS，晶粒尺寸为5.6～44.9μm，硬度为320～370HV，芯棒直径等于丝材直径时，缠绕≥3圈无裂纹。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％，Fe：0.16％，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、Fe、W和Ce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1200℃，出钢温度为1160℃，浇铸成钢锭。钢锭在850℃保温锻成40×40mm方坯，在900℃保温热轧，热轧成Φ8mm盘条，热轧变形量为97％。热轧后盘条进行固溶，固溶温度850℃，保温时间1.5h，固溶后进行冷拔，冷拔变形量为60％，然后在850℃进行固溶，保温时间为120s。退火后再次进行冷拔，冷拔至Φ4.0mm，变形量为75％，随后在850℃进行固溶，保温时间为90s，然后在450℃进行时效，保温时间为6h。丝材经固溶、时效后进行成品冷拔，冷拔至Φ3.1mm变形量为40％。性能参数为：抗拉强度为1152MPa，屈服强度为1038MPa，导热系数为95W/(m·℃)，电导率为20％IACS，晶粒尺寸为5.6μm，硬度为330HV，芯棒直径等于丝材直径时，缠绕4圈无裂纹。
实施例2：
合金具体化学成分质量百分比为：C：0.003％，Ti：3.0％，Ce：0.05％，Ta：0.04％，Hf：0.06％，Fe：0.1％，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、Ta、Fe、Hf和Ce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1240℃，出钢温度为1180℃，浇铸成钢锭。钢锭在840℃保温锻成35×35mm方坯，在900℃保温热轧，盘条直径Φ7mm，热轧变形量为97％。热轧后盘条进行固溶，固溶温度850℃，保温时间2h，固溶后进行冷拔，冷拔至Φ4.95mm，冷拔变形量为50％，然后在850℃进行固溶，保温时间为120s。退火后再次进行冷拔，冷拔至Φ2.68mm，变形量为71％，随后在850℃进行固溶，保温时间为100s，然后在480℃进行时效，保温时间为8h。丝材经固溶、时效后进行成品冷拔，冷拔至Φ2mm，变形量为44％。性能参数为：抗拉强度为1210MPa，屈服强度为1080MPa，导热系数为110W/(m·℃)，电导率为25％IACS，晶粒尺寸为5.6μm，硬度为340HV，芯棒直径等于丝材直径时，缠绕4圈无裂纹。
实施例3：
合金具体化学成分质量百分比为：C：0.008％，Ti：3.2％，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、Ta、Fe、W和Ce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840℃保温锻成50×50mm厚方坯，在900℃保温热轧，冷轧成Φ10mm盘条，热轧变形量为97％。热轧后盘条进行固溶，固溶温度850℃，保温时间1.5h，固溶后进行冷拔，冷拔至Φ8mm，冷拔变形量为36％，然后在850℃进行固溶，保温时间为180s。退火后再次进行冷拔，冷拔至Φ5.66mm，变形量为50％，随后在850℃进行固溶，保温时间为120s，然后在480℃进行时效，保温时间为10h。丝材经固溶、时效后进行成品冷拔，冷拔至Φ4.9mm，变形量为25％。性能参数为：抗拉强度为1200MPa，屈服强度为1070MPa，导热系数为120W/(m·℃)，电导率为24％IACS，晶粒尺寸为32μm，硬度为350HV，芯棒直径等于丝材直径时，缠绕4圈无裂纹。

Claims (4)

1.一种适用导电弹性元器件的高强度钛铜合金丝材，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+Fe+Hf≤0.3％，余量为Cu及不可避免的杂质；
钛铜合金丝材抗拉强度为1130～1230MPa，屈服强度为1028～1100MPa，导热系数为92～125W/(m·℃)，电导率为19～27％IACS，晶粒尺寸为5.6～44.9μm，硬度为320～370HV，芯棒直径等于丝材直径时，缠绕≥3圈无裂纹；
该钛铜合金丝材制备方法的工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)真空冶炼：相关原材料按比例混合后装入坩埚；合金精炼温度为1200～1250℃，出钛铜合金温度为1160～1200℃；
(2)锻造、热轧：在700-920℃下锻造为30×30mm到110×110mm厚的方坯；锻造后方坯在700-920℃下进行热轧，热轧总变形量为90％～99％，盘条直径Φ7～Φ10mm；
(3)冷拔：合金冷拔变形量控制在30～80％；
(4)固溶：冷拔后的合金丝材在保护气氛中进行退火，固溶温度为700～850℃；保温时间为1～10min；
(5)时效：按照(4)中工艺固溶后的合金丝材进行时效处理，时效温度为350～500℃，时效时间为1～24h；
(6)成品冷拔：时效后进行成品冷拔，成品冷拔变形量为10～50％，成品丝材直径范围在Φ0.5～Φ8mm。
2.一种权利要求1所述的钛铜合金丝材的制备方法，其特征在于，工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)真空冶炼：相关原材料按比例混合后装入坩埚；合金精炼温度为1200～1250℃，出钛铜合金温度为1160～1200℃；
(2)锻造、热轧：在700-920℃下锻造为30×30mm到110×110mm厚的方坯；锻造后方坯在700-920℃下进行热轧，热轧总变形量为90％～99％，盘条直径Φ7～Φ10mm；
(3)冷拔：合金冷拔变形量控制在30～80％；
(4)固溶：冷拔后的合金丝材在保护气氛中进行退火，固溶温度为700～850℃；保温时间为1～10min；
(5)时效：按照(4)中工艺固溶后的合金丝材进行时效处理，时效温度为350～500℃，时效时间为1～24h；
(6)成品冷拔：时效后进行成品冷拔，成品冷拔变形量为10～50％，成品丝材直径范围在Φ0.5～Φ8mm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当生产需要时，步骤(3)与(4)交替进行，在进行成品冷拔前，进行时效处理。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当生产需要时，在步骤(6)后进行去应力退火。
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