[发明专利]一种抗疲劳的Cu-Ti合金及其生产方法

说明书

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。