一種傳感器用高強度銅合金材料及制造方法

一種傳感器用高強度銅合金材料及制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種傳感器用高強度銅合金材料及制造方法，該銅合金材料，主要成分是銅，還包括鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷。該制造方法，包括以下步驟：（1）加熱熔化銅和鋁，得到銅和鋁熱熔液；（2）加熱熔化鈦、鈹、鈷和鋅得到鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液；（3）將鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與銅和鋁熱熔液混合，得到銅合金熱熔液；（4）在銅合金熱熔液中加入磷；（5）將步驟（4）所得的銅合金熱熔液冷卻。本發明的銅合金材料具有較高較穩定的強度，平均抗拉強度達到890MPa～948MPa，延伸率達到3.2%～5%，適用范圍更廣，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種傳感器用高強度銅合金材料及制造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種傳感器用高強度銅合金材料及制造方法，屬于金屬材料及合金制 造【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 銅合金被廣泛應用于汽車部件、家電部件、電氣、電子、光學部件、配管構件、水暖 金屬件或者各種閥門等。且由于近年來全球變暖，強烈要求制品或者構件的小型、輕量化和 薄壁化，在比重比鐵大的銅合金中，需要通過高強度化來應對上述要求。
[0003] 尤其在氣象機械、氣象光學儀器領域，對儀器的重量有著較高的要求，以及對儀器 的精密程度要求較高，就需要使用高強度的且輕質的合金材料，很多氣象觀測站，由于地 域、交通的限制，不能夠滿足較重儀器的搬運和安裝，儀器更換也存在很大的難度，這就需 要在儀器的配備上有著較高的要求，儀器的精密度，以及儀器的使用壽命要求高。對于儀器 制作時使用的材料，尤其是傳感器，以及數據采集芯片使用的銅合金的要求很高，傳統的簡 單的銅合金材料基本無法滿足要求。傳統的銅合金不僅在質量重、感應的靈敏度差以及能 夠被使用的次數少，不能滿足氣象領域的儀器使用要求。
[0004] 高導高強銅合金是一類有優良綜合物理性能和力學性能的結構功能材料，廣泛應 用于電阻焊、電力、電子、機械制造等工業領域。
[0005] 現有的晶體管、IC等半導體，或集成電路等組件，其連結電極與外部導線一般是以 高純度4N系（純度> 99. 99mass (質量）％ )的黃金與其他微量金屬元素制成的金線作為 電性連接的接合線，然而，由于黃金較高的價格，以及黃金市場的不穩定性，在考慮成本和 行業風險的情況下，使用黃金存在一定的弊端，不利于工業化應用和大規模的生產。使用 銅合金替代高價位的高純度4N系（純度> 99. 99mass (質量）％ )的黃金與其他微量金屬 元素制成的金線作為電性連接的接合線成為業內人士考慮的方向。使用銅合金時，由于封 裝用樹脂與導線的熱膨脹系數差異過大，隨著半導體啟動后溫度上升，因熱形成的體積膨 脹對形成回路的銅接合線產生外部應力，特別是對暴露于嚴酷的熱循環條件下的半導體組 件，容易使銅接合線產生短線的問題。
[0006] 用于作為載流部件（例如連接件、引流框、繼電器和開關）的電氣和電子部件的材 料具有良好的電導率，以抑制因為載流而產生焦耳熱，要求所使用的材料的高強度能承受 在使用此材料的電氣和電子設備的組裝和運行過程中向其施加的應力。用于電氣和電子部 件的材料還要求具有極佳的可彎曲加工性，而且，為了確保電氣和電子部件之間的接觸可 靠性，要求用于該部件的材料具有極佳的耐應力松弛性。尤其近年來，電氣和電子部件存在 集成化、微型化和輕質化的傾向，碎玉材料的性能要求更高，銅合金板的厚度要變薄，強度 以及敏感度要求更高。
[0007] 發明人通過檢索得到專利號為2010800134044,發明名稱為高度強銅合金專利，該 銅合金中的組分為鋅20%?45%、鐵0. 3?1. 5%、鉻0. 3?1. 5%，余量為銅，且該銅合金 內部分散有鐵-鉻系化合物粒子和A12Ca的金屬間化合物粒子，以重量標準計所述鐵相對 于所述鉻的含有比率Fe/Cr為0. 5?2。在具體實施例中公布了抗拉強度和破斷延伸率的試 驗數據，但是對于這種配比的銅合金材料，只能通過使用該專利中公開的制作方法來得到， 對于銅合金材料內部的成型結構，無法實現具體控制，且該銅合金材料的抗變形系數，以及 導電系數并不能達到在氣象機械的傳感器中的要求，無法應用到氣象機械的傳感器中，無 法解決減輕氣象機械的重量和提高氣象機械的傳感靈敏度的問題。
[0008] 發明人還檢索到申請號為201110228500. 7,發明名稱為一種銅合金材料的發明專 利，該發明公開的銅合金材料，由以下以重量百分比計的原料制成：PbO. 641%?0. 704%， Sil.23%?1.36%，Mnl.94%?2.32%，Nil.95%?2.21%，Fe0.093%?0.153%， SnO. 025%?0. 048%，Zn35. 3%?35. 76%，Cu余量。該發明的銅合金材料具有高強度、耐 磨、耐腐蝕、延展性好、易加工、不易拉脫等優點，適合于制造高壓柱塞泵的核心零件如滑靴 和配流盤。但是這種銅合金材料的導電性能不好，不適應于制作傳感器部件，尤其不適應于 制作氣象領域的傳感器。


【發明內容】

[0009] 為了解決上述存在的問題，本發明公開了一種傳感器用高強度銅合金材料及制造 方法，其具體方案為：
[0010] 該傳感器用高強度銅合金材料，其主要成分是銅元素，還包括鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和 磷，上述各組分在銅合金中的重量百分比例為：鈦0. 2 %?0. 8 %、鈹0. 5 %?I. 0 %、鈷 0.4%?0.9%、鋁 1.2%?2. 2%、鋅 4.0%?6.0%和磷 0.7%?1.5%。
[0011] 所述鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦〇. 3%?0. 7%、鈹 0· 6%?0· 9%、鈷 0· 5%?0· 8%、鋁 1. 5%?1. 9%、鋅 4. 5%?5. 5%和磷 0· 9%?1. 3%。
[0012] 所述鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0. 5%、鈹0. 75%、鈷 0.65%、鋁 L 7%、鋅 5.0%和磷 I. 1%。
[0013] 一種制造傳感器用高強度銅合金材料方法，其特征是包括以下步驟：
[0014] (1)將鋁按照在銅合金中重量百分比例為1.2%?2. 2%和銅同時投放到一個 密閉的坩堝中加熱熔化，坩堝內部保持真空，坩堝內溫度升至1480°C，停止加熱，并保溫 0. 5?I. 0個小時，得到銅和鋁熱熔液；
[0015] (2)將鈦、鈹、鈷和鋅按照在銅合金中重量百分比例為鈦0.2%?0.8%、鈹 0. 5%?1. 0%、鈷0. 4%?0. 9%、鋅4. 0%?6. 0%同時投放到一個密閉的坩堝中加熱熔 化，坩堝內部保持真空，坩堝內溫度升至1680°C，停止加熱，并保溫I. 0?1. 5個小時，得到 鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液；
[0016] (3)將步驟（2)所得的鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與步驟（1)所得的銅和鋁熱熔液混合， 并保持真空熱熔，溫度保持在1580?1680°C，得到銅合金熱熔液；
[0017] (4)在步驟（3)所得的銅合金熱熔液中加入在銅合金中重量百分比例為0. 7%? 1. 5%的磷，溫度保持在1580?1680°C，真空保溫1. 5?2. 5個小時；
[0018] (5)將步驟（4)所得的銅合金熱熔液置于溫度為1000°C的環境中冷卻0. 5?1. 5 個小時，再置于500°C的環境中冷卻0. 8?1. 6個小時，再置于250°C的環境中冷卻0. 5? 1. 〇個小時，最后置于常溫環境中冷卻，直至自然冷卻。
[0019] 所述步驟（1)、步驟⑵和步驟⑶中熱熔的環境真空度為KT4?l(T5MPa。
[0020] 所述步驟（4)中銅合金熱熔液在1000°C和/或500°C的環境中冷卻的過程中進行 熱鍛處理。
[0021] 本發明的有益效果是：
[0022] 本發明的銅合金材料具有較高較穩定的強度，平均抗拉強度達到890Mpa? 948Mpa，延伸率達到3. 2%?5%，適用范圍更廣，能滿足一些現有的銅合金不能滿足的高 要求的設備，具有廣闊的應用前景，應用在傳感器外殼上，能讓外殼具有穩定的強度，不會 被擠壓變形，使用壽命長。
[0023] 本發明的制造傳感器用高強度銅合金材料的方法，分成三個溫度梯度冷卻，在 1000°C和/或500°C的環境中冷卻的過程中進行熱鍛處理，有效提高銅合金的的抗拉強度 和延伸率，改善銅合金的內部組織機構，提高銅合金的強度，得到更加穩定和嚴密的內部合 金組織。

【具體實施方式】
[0024] 下面結合【具體實施方式】，進一步闡明本發明。應理解下述【具體實施方式】僅用于說 明本發明而不用于限制本發明的范圍。
[0025] 本傳感器用高強度銅合金材料，其主要成分是銅元素，還包括鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和 磷。
[0026] 實施例1 :
[0027] 銅合金材料中的鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0.2%、 鈹 0· 5%、鈷 0.4%、鋁 L 2%、鋅 4.0%和磷 0· 7%。
[0028] 制造該傳感器用高強度銅合金材料方法，包括以下步驟：
[0029] (1)將鋁按照在銅合金中重量百分比例為1. 2%和銅同時投放到一個密閉的坩堝 中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT4MPa,坩堝內溫度升至1480°C，停止加熱，并保溫0. 5 個小時，得到銅和鋁熱熔液；
[0030] (2)將鈦、鈹、鈷和鋅按照在銅合金中重量百分比例為鈦0.2 %、鈹0.5 %、鈷 0. 4%、鋅4. 0%同時投放到一個密閉的坩堝中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT4MPa,坩 堝內溫度升至1680°C，停止加熱，并保溫I. 0個小時，得到鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液；
[0031] (3)將步驟（2)所得的鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與步驟（1)所得的銅和鋁熱熔液混合， 并保持真空熱熔，環境真空度為KT 4MPa,溫度保持在1580°C，得到銅合金熱熔液；
[0032] (4)在步驟（3)所得的銅合金熱熔液中加入在銅合金中重量百分比例為0. 7%的 磷，溫度保持在1580°C，環境真空度為KT4MPa,真空保溫1. 5個小時；
[0033] (5)將步驟（4)所得的銅合金熱熔液置于溫度為KKKTC的環境中冷卻0. 5個小 時，并同步進行熱鍛處理，再置于500°C的環境中冷卻0. 8個小時，并同步進行熱鍛處理，再 置于250°C的環境中冷卻0. 5個小時，最后置于常溫環境中冷卻，直至自然冷卻。
[0034] 實施例2 :
[0035] 銅合金材料中的鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0.3%、 鈹 0.6%、鈷 0· 5%、鋁 L 5%、鋅 4. 5%和磷 0.9%。
[0036] 制造該傳感器用高強度銅合金材料方法，包括以下步驟：
[0037] (1)將鋁按照在銅合金中重量百分比例為1. 5%和銅同時投放到一個密閉的坩堝 中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT4MPa,坩堝內溫度升至1480°C，停止加熱，并保溫0. 7 個小時，得到銅和鋁熱熔液；
[0038] (2)將鈦、鈹、鈷和鋅按照在銅合金中重量百分比例為鈦0.3 %、鈹0.6 %、鈷 0. 5 %、鋅4. 5 %同時投放到一個密閉的坩堝中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT4MPa,坩 堝內溫度升至1680°C，停止加熱，并保溫1. 2個小時，得到鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液；
[0039] (3)將步驟（2)所得的鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與步驟（1)所得的銅和鋁熱熔液混合， 并保持真空熱熔，環境真空度為KT 4MPa,溫度保持在1600°C，得到銅合金熱熔液；
[0040] (4)在步驟（3)所得的銅合金熱熔液中加入在銅合金中重量百分比例為0. 9%的 磷，溫度保持在1600°C，環境真空度為KT4MPa,真空保溫1. 7個小時；
[0041] (5)將步驟（4)所得的銅合金熱熔液置于溫度為1000°C的環境中冷卻0. 5?1. 5 個小時，并同步進行熱鍛處理，再置于500°C的環境中冷卻I. 0個小時，并同步進行熱鍛處 理，再置于250°C的環境中冷卻0. 6個小時，最后置于常溫環境中冷卻，直至自然冷卻。
[0042] 實施例3 :
[0043] 所述鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0. 5%、鈹0. 75%、鈷 0.65%、鋁 L 7%、鋅 5.0%和磷 I. 1%。
[0044] 制造該傳感器用高強度銅合金材料方法，包括以下步驟：
[0045] (1)將鋁按照在銅合金中重量百分比例為1. 7%和銅同時投放到一個密閉的坩堝 中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT5MPa,坩堝內溫度升至1480°C，停止加熱，并保溫0.8 個小時，得到銅和鋁熱熔液；
[0046] (2)將鈦、鈹、鈷和鋅按照在銅合金中重量百分比例為鈦0.5 %、鈹0.75 %、鈷 0. 65 %、鋅5. 0 %同時投放到一個密閉的坩堝中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT5MPa,坩 堝內溫度升至1680°C，停止加熱，并保溫1. 2個小時，得到鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液；
[0047] (3)將步驟（2)所得的鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與步驟（1)所得的銅和鋁熱熔液混合， 并保持真空熱熔，環境真空度為KT 5MPa,溫度保持在1620°C，得到銅合金熱熔液；
[0048] (4)在步驟（3)所得的銅合金熱熔液中加入在銅合金中重量百分比例為1. 1%的 磷，溫度保持在1620°C，環境真空度為KT5MPa,真空保溫2. 0個小時；
[0049] (5)將步驟（4)所得的銅合金熱熔液置于溫度為KKKTC的環境中冷卻I. 0個小 時，并同步進行熱鍛處理，再置于500°C的環境中冷卻1. 2個小時，并同步進行熱鍛處理，再 置于250°C的環境中冷卻0. 75個小時，最后置于常溫環境中冷卻，直至自然冷卻。
[0050] 實施例4 :
[0051] 銅合金材料中的鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0.7%、 鈹 0.9%、鈷 0.8%、鋁 1.9%、鋅 5. 5%和磷 1.3%。
[0052] 制造該傳感器用高強度銅合金材料方法，包括以下步驟：
[0053] (1)將鋁按照在銅合金中重量百分比例為1. 9%和銅同時投放到一個密閉的坩堝 中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT5MPa,坩堝內溫度升至1480°C，停止加熱，并保溫0. 85 個小時，得到銅和鋁熱熔液；
[0054] (2)將鈦、鈹、鈷和鋅按照在銅合金中重量百分比例為鈦0.7 %、鈹0.9 %、鈷 0. 8 %、鋅5. 5 %同時投放到一個密閉的坩堝中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT5MPa,坩 堝內溫度升至1680°C，停止加熱，并保溫1. 3個小時，得到鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液；
[0055] (3)將步驟（2)所得的鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與步驟（1)所得的銅和鋁熱熔液混合， 并保持真空熱熔，環境真空度為KT 5MPa,溫度保持在1640°C，得到銅合金熱熔液；
[0056] (4)在步驟（3)所得的銅合金熱熔液中加入在銅合金中重量百分比例為1. 3%的 磷，溫度保持在1640°C，環境真空度為KT5MPa,真空保溫2. 0個小時；
[0057] (5)將步驟（4)所得的銅合金熱熔液置于溫度為1000°C的環境中冷卻I. 0個小 時，并同步進行熱鍛處理，再置于500°C的環境中冷卻1. 4個小時，并同步進行熱鍛處理，再 置于250°C的環境中冷卻0. 8個小時，最后置于常溫環境中冷卻，直至自然冷卻。
[0058] 實施例5 :
[0059] 銅合金材料中的鈦、鈹、鈷、鋁、鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0.8%、 鈹 1. 0%、鈷 0· 9%、鋁 2. 2%、鋅 6. 0%和磷 L 5%。
[0060] 制造該傳感器用高強度銅合金材料方法，包括以下步驟：
[0061] (1)將鋁按照在銅合金中重量百分比例為2. 2%和銅同時投放到一個密閉的坩堝 中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT5MPa,坩堝內溫度升至1480°C，停止加熱，并保溫I. 0 個小時，得到銅和鋁熱熔液；
[0062] (2)將鈦、鈹、鈷和鋅按照在銅合金中重量百分比例為鈦0.8 %、鈹1.0 %、鈷 0. 9 %、鋅6. 0 %同時投放到一個密閉的坩堝中加熱熔化，坩堝內部保持真空度KT5MPa,坩 堝內溫度升至1680°C，停止加熱，并保溫1. 5個小時，得到鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液；
[0063] (3)將步驟（2)所得的鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與步驟（1)所得的銅和鋁熱熔液混合， 并保持真空熱熔，環境真空度為KT 5MPa,溫度保持在1680°C，得到銅合金熱熔液；
[0064] (4)在步驟（3)所得的銅合金熱熔液中加入在銅合金中重量百分比例為1. 5%的 磷，溫度保持在1680°C，環境真空度為KT5MPa,真空保溫2. 5個小時；
[0065] (5)將步驟（4)所得的銅合金熱熔液置于溫度為KKKTC的環境中冷卻1. 5個小 時，并同步進行熱鍛處理，再置于500°C的環境中冷卻1. 6個小時，并同步進行熱鍛處理，再 置于250°C的環境中冷卻I. 0個小時，最后置于常溫環境中冷卻，直至自然冷卻。
[0066] 本發明的銅合金在制造過程中，分別測試各實施例中步驟（5)中KKKTC的環境 中、500°C的環境中、250°C的環境中熱鍛處理后的銅合金抗拉強度和延伸率，總結數據如下 表：
[0067]

【權利要求】
1. 一種傳感器用高強度銅合金材料，其主要成分是銅元素，其特征是還包括鈦、鈹、 鈷、鋁、鋅和磷，上述各組分在銅合金中的重量百分比例為：鈦0. 29TO. 8%、鈹0. 59T1. 0%、鈷 0? 4%?0. 9%、鋁 1. 2%?2. 2%、鋅 4. 0%?6. 0% 和磷 0? 7%?1. 5%。
2. 根據權利要求1所述的傳感器用高強度銅合金材料，其特征是所述鈦、鈹、鈷、鋁、 鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0. 39T0. 7%、鈹0. 69T0. 9%、鈷0. 59T0. 8%、鋁 1. 5%?1. 9%、鋅 4. 5%?5. 5% 和磷 0? 9%?1. 3%。
3. 根據權利要求1所述的傳感器用高強度銅合金材料，其特征是所述鈦、鈹、鈷、鋁、 鋅和磷在銅合金中的重量百分比例為：鈦0. 5%、鈹0. 75%、鈷0. 65%、鋁1. 7%、鋅5. 0%和磷 1. 1%。
4. 一種制造如權利要求1-3任一所述的傳感器用高強度銅合金材料方法，其特征是包 括以下步驟： (1) 將銅和鋁按照權利要求1所述的重量百分比例同時投放到一個密閉的坩堝中加熱 熔化，坩堝內部保持真空，坩堝內溫度升至1480°C，停止加熱，并保溫0. 5~1. 0個小時，得到 銅和鋁熱熔液； (2) 將鈦、鈹、鈷和鋅按照權利要求1所述的重量百分比例同時投放到一個密閉的坩堝 中加熱熔化，坩堝內部保持真空，坩堝內溫度升至1680°C，停止加熱，并保溫l.(Tl.5個小 時，得到鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液； (3) 將步驟（2)所得的鈦、鈹、鈷和鋅熱熔液與步驟（1)所得的銅和鋁熱熔液混合，并保 持真空熱熔，溫度保持在158(Tl680°C，得到銅合金熱熔液； (4) 在步驟（3)所得的銅合金熱熔液中加入如權利要求1所述重量百分比例的磷，溫度 保持在158(Tl680°C，真空保溫1. 5?2. 5個小時； (5) 將步驟（4)所得的銅合金熱熔液置于溫度為1000°C的環境中冷卻0.5~1.5個小時， 再置于500°C的環境中冷卻0. 8~1. 6個小時，再置于250°C的環境中冷卻0. 5~1. 0個小時， 最后置于常溫環境中冷卻，直至自然冷卻。
5. 根據權利要求4所述的制造傳感器用高強度銅合金材料方法，其特征是所述 步驟（1)、步驟（2)和步驟（3)中熱熔的環境真空度和步驟（4)真空保溫的真空度均為 KT4?l(T5MPa。
6. 根據權利要求4所述的制造傳感器用高強度銅合金材料方法，其特征是所述步驟 (4)中銅合金熱熔液在1000°C和/或500°C的環境中冷卻的過程中進行熱鍛處理。
【文檔編號】C22F1/08GK104404292SQ201410642677
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】禹勝林 申請人:無錫信大氣象傳感網科技有限公司