專利名稱：一種高性能彈性銅合金及其制備和加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能彈性銅合金及其制備和加工方法，具體為一種銅鎳硅鈷合金，該銅合金具有高強(qiáng)度、高彈性、高疲勞性、耐熱性好的特點(diǎn)，同時(shí)兼?zhèn)淞烁邔?dǎo)電性和抗應(yīng)力松弛的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于電器接插件、彈簧、連接器、開關(guān)、觸頭等各類電子元件中，在很多要求高導(dǎo)電性的場(chǎng)合能夠替代高彈性鈹銅。
背景技術(shù)：
高性能彈性銅合金是指在就有優(yōu)良的彈性的同時(shí)又兼顧高的強(qiáng)度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和優(yōu)異高溫性能的合金。該合金材料主要用作汽車、手機(jī)、電工、電子、電力等行業(yè)中的連接器、傳感器、引線框架、導(dǎo)電橋等材料，還可在制作繼電器和接插件元件等中代替有毒的鈹青銅。銅基電子接插件材料作為特殊彈性材料，廣泛用于儀器儀表、電子元件領(lǐng)域，隨著各種裝置向高可靠、小型化、長壽命方向的發(fā)展，對(duì)材料的質(zhì)量、品種提出了更高的要求，例如對(duì)材料的精度、規(guī)格、抗應(yīng)力松弛性能、抗沖擊震動(dòng)性能、可焊性等方面要求極其嚴(yán)格。目前接插件用銅合金主要有黃銅、錫磷青銅、科森合金(Cu-Ni-Si)、鈹青銅、鈦青銅、鋅白銅、鐵磷青銅、銅鉻鋯合金。按性能可分為高強(qiáng)合金、中強(qiáng)合金、低成本黃銅，其中低成本合金主要為H65簡單黃銅，中高檔彈性材料主要為析出強(qiáng)化型銅合金、調(diào)幅分解(spinodal)合金、固溶低溫強(qiáng)化型銅合金。銅基合金材料主要用作汽車、手機(jī)、電工、電子、電力等行業(yè)中的連接器、傳感器、引線框架、導(dǎo)電橋等材料，還可在制作繼電器和接插件元件等中代替有毒的鈹青銅。近年來，隨著電子信息、現(xiàn)代通訊、交通、電力等工業(yè)發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)高彈等高性能銅合金提出了更多的要求，如在室溫和高溫下保持高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，硬度好，具有良好的變形和加工能力等。以銅鎳硅鈷為主要元素的高性能彈性銅合金具有高強(qiáng)度、高彈性、高疲勞性、耐熱性好，同時(shí)兼?zhèn)淞烁邔?dǎo)電性和抗應(yīng)力松弛的優(yōu)點(diǎn)成為了新一代的高強(qiáng)高彈銅合金。檢索表明，美國專利No. 6506269公開了具有控制添加量的鎳、鈷、硅和鎂或磷兩者之一的銅合金。該專利介紹采用高溫方法或者低溫方法處理銅合金。高溫方法獲得的性能達(dá)不到上述強(qiáng)度和導(dǎo)電性的目標(biāo)組合。當(dāng)采用高溫方法處理時(shí)，據(jù)報(bào)道示例性合金的導(dǎo)電性為51. 9% IACS，抗拉強(qiáng)度為709MPa ；當(dāng)采用低溫方法處理時(shí)，示例性合金的導(dǎo)電性為51. 5%IACS，抗拉強(qiáng)度為905MPa。但是，低溫方法對(duì)銅合金實(shí)施過量的冷加工，預(yù)計(jì)會(huì)導(dǎo)致成型性變差和應(yīng)力松弛抗力下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種新型高性能彈性銅合金，該合金具有高強(qiáng)度、高彈性、高疲勞性、耐熱性好，同時(shí)兼?zhèn)淞烁邔?dǎo)電性和抗應(yīng)力松弛的優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)現(xiàn)代電子元件對(duì)材料的要求。本發(fā)明還在熔煉過程中解決了鑄錠吸氣和縮孔等鑄造缺陷，和鑄錠在壓力加工過程中易開裂不利于后續(xù)加工處理等問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案—種高性能彈性銅合金，按照質(zhì)量百分比，其基礎(chǔ)成分包括Ni 1% 4%，SiO. 4% 1%，Co 0.5% 1.5%，其余為Cu，所述銅合金制品中的成分需要滿足(a) 2. 5 彡 Ni/Si 彡 5 ； (b) 1. 4 % 彡 Ni+Si 彡 4. 0 % ； (c) 1. 5 % 彡 Ni+Co ^ 4 % ；(d) 1 彡(Ni+Si)/Co 彡 5. 0。一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于所述銅合金中還包含選自Mg、Ag、Sn和RE中的至少一種微合金化附帶元素，其含量為Mg 0. 0. 3%，Ag 0. 1%，Sn 0. 1 %, RE (稀土元素)0. 01 % 0. 1 %，總量應(yīng)滿足 0. 01 % 彡 Mg+Ag+Sn+RE 彡 0. 5 %。所添加元素的作用鎳和鈷鎳和鈷與硅結(jié)合，形成對(duì)時(shí)效硬化有效的硅化合物，抑止晶粒長大和提高抗應(yīng)力松弛能力。鎳的含量應(yīng)控制在 4%。當(dāng)鎳的含量低于時(shí)，上述益處不明顯。當(dāng)鎳的含量超過4%時(shí)，電導(dǎo)率和加工性能下降。鈷的含量應(yīng)控制在0. 5% 1. 5%，當(dāng)鈷的含量低于0.5%時(shí)，不能充分析出鈷的硅化物第二相粒子，所述益處也不明顯。當(dāng)鈷的含量超過1. 5%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致析出鈷的硅化物第二相粒子過多，影響合金的加工性能。硅在本發(fā)明中，硅和鎳、鈷會(huì)形成硅化物第二相強(qiáng)化粒子來提高合金的強(qiáng)度。硅的含量應(yīng)控制在0. 4% 1%。當(dāng)硅含量低于0. 4%時(shí)，合金經(jīng)過時(shí)效后析出的硅化物第二相粒子過少，不能完全提高合金的強(qiáng)度。當(dāng)硅含量高于時(shí)，會(huì)使合金的電導(dǎo)率和加工性能下降。鎳硅比及(鎳+硅)/鈷鎳硅比對(duì)合金的強(qiáng)度及電導(dǎo)率影響較大，當(dāng)鎳硅比小于2. 5時(shí)，電導(dǎo)率明顯下降，合金強(qiáng)度也處于一個(gè)較低的水平；鎳硅比大于5時(shí)，電導(dǎo)率處于平衡，但合金的強(qiáng)度會(huì)呈緩慢下降的趨勢(shì)。而當(dāng)(鎳+硅)/鈷處于優(yōu)選方案中時(shí)，合金具有較好的電導(dǎo)率和強(qiáng)度。鎂、銀、錫和稀土 本發(fā)明的特點(diǎn)之一是添加一些微量元素(各元素含量均低于1%)來提高合金的性能。添加鎂、錫等元素能提高合金的鑄造質(zhì)量，增加合金的流動(dòng)性，提高合金的加工性能。添加銀能提高合金的抗應(yīng)力松弛能力。稀土能凈化合金，提高合金的電導(dǎo)率、強(qiáng)度以及局部抗應(yīng)力腐蝕。稀土的添加量應(yīng)控制在0.01% 0. 1%。若稀土含量低于0. 01%，上述益處不明顯。若稀土含量高于0. 1%，其作用和雜質(zhì)一樣，會(huì)影響合金的各項(xiàng)性能。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述的新型銅鎳硅鈷高性能彈性銅合金的制備方法和加工方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，采取以下技術(shù)方案一種高性能彈性銅合金的制備和加工方法，包括以下工藝流程a.按照質(zhì)量百分比進(jìn)行配料、投料、熔煉及澆鑄，b.銑面，c.熱軋，d.固溶處理，e.冷加工，f. 一次時(shí)效，g.冷加工，h. 二次時(shí)效，i.酸洗，j.成品退火。步驟a中，所述投料的具體順序?yàn)橄燃尤脬~(Cu)和鎳(Ni)，熔化后，再加入硅(Si)，硅(Si)要用銅包裹入爐，出爐前加入鈷粉。步驟a中，出爐前還加入銅銀中間合金、銅錫中間合金、鎂和/或稀土。步驟a中，所述熔煉的溫度為1100 1300°C，所述澆鑄的溫度控制在1100 1200 "C。
步驟c中，所述熱軋的溫度為800 1000°C，時(shí)間為1 10h。步驟d中，所述的固溶處理的溫度為900 1000°C，時(shí)間為1 釙。步驟f中，所述一次時(shí)效的溫度為400 600°C，時(shí)間為1 20h，冷卻方式為空冷或隨爐冷卻。步驟h中，所述二次時(shí)效的溫度為300 500°C，時(shí)間為1 20h，冷卻方式為空冷或隨爐冷卻。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于與其他彈性銅合金相比，本發(fā)明的銅鎳硅鈷高性能彈性銅合金無論在強(qiáng)度、導(dǎo)電性還是彈性、耐腐蝕、可加工性能方面都是非常優(yōu)良的，同時(shí)還具有優(yōu)良的抗應(yīng)力松弛性能。并且，該合金材料的制備過程比較簡單，工藝流程短，解決了熔煉鑄造過程中的極易吸氣從而導(dǎo)致鑄錠內(nèi)部存在大量的氣孔的問題和鑄錠在壓力加工過程中易開裂不利于后續(xù)加工處理的問題等。應(yīng)用于電器接插件、彈簧、連接器、開關(guān)、觸頭等各類電子元件中，在很多要求高導(dǎo)電性的場(chǎng)合能夠替代高彈性鈹銅。本發(fā)明的高性能彈性銅合金的抗拉強(qiáng)度σ b可達(dá)到780 950MPa，塑性延伸率δ為4 10%，電導(dǎo)率為35 55% IACS。該銅合金具有高彈性、高強(qiáng)度、高疲勞性、耐熱性好，同時(shí)兼?zhèn)淞烁邔?dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)。下面通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中所述的新型高強(qiáng)高彈銅鎳硅鈷合金的制備工藝過程為a.按照質(zhì)量百分比進(jìn)行配料、投料及熔煉——b.銑面——C.熱軋——d.固溶處理——e.冷加工——f. 一次時(shí)效——g.冷加工——h. 二次時(shí)效——i.酸洗——j.成品退火；其中，具體的投料順序?yàn)殂~(Cu) +鎳(Ni)，熔化后，加入硅(Si)，其中，硅(Si)要用銅包裹入爐，出爐前加入銅銀中間合金和銅錫中間合金以及鎂、鈷粉和稀土，用于細(xì)化晶粒和除雜。熔煉溫度為1100 1300°C，澆鑄溫度控制在1100 1200°C;熱軋溫度為800 1000°C，時(shí)間為2 IOh ；固溶處理的溫度為900 1000°C，時(shí)間為1 釙；第一次時(shí)效溫度為400 600°C，時(shí)間為1 20h，冷卻方式為空冷或隨爐冷卻；第二次時(shí)效溫度為300 500°C，時(shí)間為1 20h，冷卻方式為空冷或隨爐冷卻。實(shí)施例1按表1所列各元素質(zhì)量百分比進(jìn)行配料。將稱取的電解鎳和電解銅放入坩堝內(nèi)，用5mm的木炭層覆蓋，再用細(xì)小的石墨鱗片在木炭層上撒均勻，目的是覆蓋木炭層留下的縫隙，然后用石墨板封住坩堝口 ；將坩堝放入中頻爐中，快速加熱，按照熔煉工藝進(jìn)行熔煉；待坩堝內(nèi)原料全部熔化，加入硅，用木炭、石墨鱗片、石墨板覆蓋熔體和坩堝；硅完全熔化后，加入鈷粉、鎂，然后木炭、石墨鱗片、石墨板覆蓋熔體和坩堝；熔煉溫度為1250°C，攪拌，保溫5min ；出爐，扒渣，鐵模澆鑄，澆鑄溫度控制在1150°C，制得該合金。表1合金各元素質(zhì)量百分比
權(quán)利要求
1.一種高性能彈性銅合金，按照質(zhì)量百分比，其基礎(chǔ)成分包括Ni 4%，Si 0.4^-1%, 0.5% 1.5%，其余為Cu，所述銅合金制品中的成分需要滿足(a) 2. 5 彡 Ni/Si 彡 5 ； (b) 1. 4 % 彡 Ni+Si 彡 4. 0 % ； (c) 1. 5 % 彡 Ni+Co ^ 4 % ；(d) 1 彡(Ni+Si)/Co 彡 5. 0。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能彈性銅合金，其特征在于所述銅合金中還包含選自Mg、Ag、Sn和RE中的至少一種元素，其含量為Mg 0.1% 0.3%，Ag 0. l%，Sn0. 1%，RE 0. 01% 0. 1%，總量應(yīng)滿足 0. 01%^ Mg+Ag+Sn+RE 彡 0. 5%。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，包括以下工藝流程a.按照質(zhì)量百分比進(jìn)行配料、投料、熔煉及澆鑄，b.銑面，c.熱軋，d.固溶處理，e.冷加工，f. 一次時(shí)效，g.冷加工，h. 二次時(shí)效，i.酸洗，j.成品退火。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，其特征在于步驟a中，所述投料的具體順序?yàn)橄燃尤隒u和Ni，熔化后，再加入Si，Si要用銅包裹入爐，出爐前加入鈷粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，其特征在于步驟a中，出爐前還加入銅銀中間合金、銅錫中間合金、鎂和/或稀土。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，其特征在于步驟a中，所述熔煉的溫度為1100 1300°C，所述澆鑄的溫度控制在1100 1200°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，其特征在于步驟c中，所述熱軋的溫度為800 1000°C，時(shí)間為1 10h。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，其特征在于步驟d中，所述的固溶處理的溫度為900 1000°C，時(shí)間為1 釙。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，其特征在于步驟f中，所述一次時(shí)效的溫度為400 600°C，時(shí)間為1 20h，冷卻方式為空冷或隨爐冷卻。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能彈性銅合金的制備和加工方法，其特征在于步驟h中，所述二次時(shí)效的溫度為300 500°C，時(shí)間為1 20h，冷卻方式為空冷或隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種高性能彈性銅合金及其制備和加工方法，按照質(zhì)量百分比，該合金的基礎(chǔ)成分包括Ni1％～4％，Si 0.4％～1％，Co 0.5％～1.5％，其余為Cu，所述銅合金制品中的成分需要滿足(a)2.5≤Ni/Si≤5；(b)1.4％≤Ni+Si≤4.0％；(c)1.5％≤Ni+Co≤4％；(d)1≤(Ni+Si)/Co≤5.0。它的制備和加工方法包括a.按照質(zhì)量百分比進(jìn)行配料、投料、熔煉及澆鑄，b.銑面，c.熱軋，d.固溶處理，e.冷加工，f.一次時(shí)效，g.冷加工，h.二次時(shí)效，i.酸洗，j.成品退火。本發(fā)明銅合金的抗拉強(qiáng)度σb為780～950MPa，塑性延伸率δ為4～10％，電導(dǎo)率為35～55％IACS。該銅合金具有高彈性、高強(qiáng)度、高疲勞性、耐熱性好，同時(shí)兼?zhèn)淞烁邔?dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C1/03GK102560191SQ20101059353
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者付垚, 熊柏青, 程磊, 米緒軍, 肖翔鵬, 謝水生, 黃國杰 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院