專利名稱：銅合金,制造銅合金的方法,復(fù)合銅材料和制造復(fù)合銅材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于電動車輛等的配線連接器(wiringconnector)和電焊條材料的銅合金和復(fù)合銅材料，并涉及制造該銅合金和復(fù)合銅材料的方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車EV(電動車輛)設(shè)計的增加，配線和配線的連接零件連接器的消耗趨于增加。在采用EV中，通過電子控制技術(shù)確保安全性和里程油耗(gas mileage)也是一個目的。
引入汽車中的連接器在高溫和振動的苛刻環(huán)境中使用，因此，需要連接的可靠性和接觸穩(wěn)定性。并且，隨著采用EV的增加，需要能量損耗小，即電導(dǎo)率高的銅基質(zhì)料。
并且，對于電焊條材料，需要在機(jī)械強(qiáng)度、熱性能和電氣性能各個方面具有高于規(guī)定值的性能。
對于機(jī)械強(qiáng)度，通常通過使金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)細(xì)化來提高機(jī)械強(qiáng)度，這被稱為Hall-Petch定律。
例如，當(dāng)使金屬或合金材料變形時，由于形變強(qiáng)化導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高。對此的理解如下。即，由于加工(塑性變形)，不同種類的缺陷(點(diǎn)缺陷、位錯、堆垛層錯等)在材料中積累，并且由于這些缺陷相互作用，新缺陷的引入和移動變得困難，從而材料獲得抗外力的能力。
迄今已經(jīng)進(jìn)行擠壓、拉拔、剪切、軋制、鍛造等來向金屬材料施加塑性變形(應(yīng)變)。具體地說，已經(jīng)提出了包括在向材料施加高壓的同時扭曲該材料的HIP(高壓扭曲)方法、包括使材料反復(fù)通過縮頸管的CEC(循環(huán)擠壓壓縮)方法和ARB(累積滾壓結(jié)合)方法，該方法包括切割金屬板，該金屬板的厚度已通過軋制并反復(fù)軋制疊加的金屬板而降低，特別是提出了ECAE(等通道轉(zhuǎn)角擠壓)方法作為使鋁合金顆粒細(xì)化的具體方法，該方法包括通過橫擠壓向材料施加剪切變形而不降低該材料的橫截面積，正如日本專利特許公開JP 9-137244、日本專利特許公開JP 10-258334、日本專利特許公開JP 11-114618，日本專利特許公開JP 2000-271621等中公開的。
另一方面，對于銅合金，已經(jīng)提出了日本專利特許公開JP 11-140568、日本專利特許公開JP 2000-355746等中公開的方法。在這些常規(guī)方法中，為了提高連同與其它銅合金一起用作水龍頭配件等用材料的黃銅(Cu-Zn)的性能(可加工性和脫鋅腐蝕)，通過熱擠壓使動態(tài)再結(jié)晶出現(xiàn)，從而獲得晶粒的細(xì)化和晶體結(jié)構(gòu)的特定比(α-相、β-相和γ-相的比)。
并且，為了從向其中加入在室溫下不或幾乎不以固溶體狀態(tài)溶解的元素如鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈹(Be)、鈦(Ti)和硼(B)的時效硬化型銅合金中產(chǎn)生規(guī)定的性能，首先，使此元素在高溫下以固溶體狀態(tài)下充分溶解，然后驟冷并造成過飽和狀態(tài)，隨后在規(guī)定溫度下進(jìn)行時效處理，從而使加入的、過飽和狀態(tài)的元素析出。
即使當(dāng)將上述加工時效或鋁合金和銅合金用時效處理照原樣用于向其中加入元素如鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈹(Be)、鈦(Ti)和(B)的時效硬化型銅合金時，也不可能同時滿足機(jī)械強(qiáng)度、熱性能和電氣性能各個方面。
即，為了保證在電動車輛等中使用的連接器、電焊條材料等所需的熱性能和電氣性能發(fā)展，必須保證使加入的、以固溶體狀態(tài)溶解的元素以最大可能的量析出。為了使此元素大量析出，必須提高時效溫度。然而，當(dāng)提高時效溫度時，出現(xiàn)晶粒生長，且力學(xué)性能下降。即，機(jī)械強(qiáng)度與熱性能和電氣性能有折衷關(guān)系(tradeoff relation)。
對于熱性能和電氣性能，其中氧化物如氧化鋁分散在銅基質(zhì)中的銅合金在電導(dǎo)率和耐熱性方面是優(yōu)異的，因此，在電器零件用材料中廣泛使用這些銅合金。已經(jīng)提出了許多提高性能和這些銅合金制造方法的建議。
例如，已經(jīng)提出的一個建議是通過不但加入鋁作為進(jìn)行內(nèi)部氧化的元素，而且加入錫作為第三種元素來提高電導(dǎo)率和軟化性能。(日本專利特許公開JP 59-150043)已經(jīng)提出了一種銅合金，其中由于使用通過霧化法制造的、不大于300微米的銅合金粉末，所以不大于50微米的顆粒的量不少于70wt％，并且其中使容易氧化的金屬如鋁以固溶體狀態(tài)溶解。(日本專利特許公開JP 60-141802)還提出了一種方法，該方法包括內(nèi)部氧化Cu-Al合金粉末，從而將Al轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3，這使此合金粉末的表面光滑，壓坯該粉末從而形成生坯，并在600-1,000℃下熱鍛此生坯。(日本專利特許公開JP 63-241126)并且，提出了一種方法，該方法包括內(nèi)部氧化含Al的板狀銅合金以將Al轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3，將此板狀合金加工成線圈形狀，將此線圈狀合金密封在金屬管中，按所需的形狀在900℃下熱加工此金屬管。(日本專利特許公開JP 2-38541)并且，還提出了一種方法，該方法包括將通過內(nèi)部氧化Cu-Al合金片獲得的合金粉末裝填進(jìn)碳模具中，在900℃、400kg/cm2的壓力下熱壓該合金粉末。(日本專利特許公開JP 2-93029)而且，提出了一種方法，該方法包括通過使Al2O3的環(huán)狀硬質(zhì)層存在于Cu-Al合金粉末的內(nèi)部來提高可燒結(jié)性。(日本專利特許公開JP4-80301)在上述所有的常規(guī)方法中，都在高溫下進(jìn)行熱加工，因此，由于晶粒生長，結(jié)構(gòu)易于變粗。因此，在常規(guī)方法中，不可能獲得同時滿足電動車輛連接器和電焊條材料所需性能的材料，這些要求是硬度不小于30HRB、優(yōu)選不小于40HRB，電導(dǎo)率不小于85IACS％、優(yōu)選不小于90IACS％，熱導(dǎo)率不小于350W/(m·K)，優(yōu)選不小于360W/(m·K)。
當(dāng)硬度不小于30HRB時，能夠防止電焊條材料的尖端變形并發(fā)熱。當(dāng)電導(dǎo)率不小于85IACS％時，能夠防止電焊條材料與鋼板反應(yīng)并粘到鋼板上。當(dāng)熱導(dǎo)率不小于350W/(m·K)時，因?yàn)槔鋮s效率提高，所以能夠防止電焊條材料在焊接的過程中沉積。
因?yàn)锳l2O3即使在高溫下也不以固溶體狀態(tài)溶解在Cu中，所以不能將通過在以固溶體溶解后進(jìn)行時效處理而使Al2O3析出的常規(guī)方法用于Cu-Al合金。
發(fā)明公開通過保證以下條件獲得同時滿足在電動車輛配線中使用的材料或電焊條材料所需的機(jī)械強(qiáng)度、熱性能和電氣性能中所有性能的材料即使在高溫下以固溶體狀態(tài)溶解，但在室溫下不或幾乎不以固溶體狀態(tài)(不能保持固溶體狀態(tài))溶解的第二種元素以固溶體狀態(tài)溶解在基質(zhì)金屬(Cu)中，通過向此材料施加相當(dāng)于不小于200％延伸率的應(yīng)變而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，并且在施加此應(yīng)變的同時或之后對此材料進(jìn)行時效處理，從而促使第二種元素在晶粒中析出。
具體地說，在含室溫下不或幾乎不以固溶體狀態(tài)溶解的第二種元素的銅合金中，能夠獲得其平均粒徑不大于20微米并且第二種元素在晶粒中析出的銅合金。此銅合金的硬度不小于30HRB，電導(dǎo)率不小于85IACS％，熱導(dǎo)率不小于350W/(m·K)。該第二種元素是鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈹(Be)、鈦(Ti)和硼(B)中的任何一種。
可以將擠壓、拉拔、剪切、軋制或鍛造視為向該材料施加應(yīng)變的方法，擠壓的條件是這樣的，即在400-500℃的模具溫度、0.5-2.0毫米/秒的擠壓速度下進(jìn)行橫擠壓。并且，還可能在向材料施加應(yīng)變前，預(yù)先對材料進(jìn)行時效處理。
另一方面，為了用甚至在高溫下也不以固溶體狀態(tài)溶解在銅中的陶瓷粉(氧化鋁或硼化鈦)獲得同時滿足機(jī)械強(qiáng)度、熱性能和電氣性能中全部性能的材料，將銅粉和陶瓷粉混合在一起，從而將混合粉末形成為第一成型體，向此第一成型體施加應(yīng)變，從而形成具有細(xì)化粒徑的第二成型體，在該第二成型體中基底材料和陶瓷顆粒結(jié)合在一起。這樣做的結(jié)果是，獲得硬度不小于60HRB、電導(dǎo)率不小于85IACS％、熱導(dǎo)率不小于350W/(m·K)、硬度不小于30HRB的復(fù)合銅材料。
順便提及，作為用于施加應(yīng)變的方法，例如，在不低于400℃但不高于1,000℃的材料溫度和不低于400℃但不高于500℃的模具溫度下進(jìn)行橫擠壓。原材料溫度限定為400-1,000℃的原因是，如果原材料溫度低于400℃，則由于變形阻力大，擠壓將變得困難，并且不能在母相(基質(zhì))與顆粒之間獲得足夠的結(jié)合強(qiáng)度，如果原材料溫度超過1,000℃，則此溫度超過了銅的熔點(diǎn)，銅熔化，使得不能施加應(yīng)變。規(guī)定模具溫度為400-500℃的原因是，如果模具溫度太低，則擠壓變得困難，而如果模具溫度過高，則模具本身被退火。
可以通過壓實(shí)或?qū)⒒旌戏勰┨畛涞焦苤蝎@得第一成型體。而且，陶瓷粉的平均粒徑為0.3-10微米，向第一成型體施加的應(yīng)變相當(dāng)于不低于200％的延伸率，要獲得的第二成型體的基底材料的平均粒徑不大于20微米，陶瓷顆粒的平均粒徑不大于500納米。
如上所述，因?yàn)椴皇菍⑴鸹伵c銅粉混合，而是將由于反應(yīng)而變成硼化鈦的鈦粉與硼粉在銅基質(zhì)中形成，所以可能以微粒的形式提高機(jī)械強(qiáng)度。因此，在本發(fā)明的另一個方面中，制造其中硼化鈦分散在銅基質(zhì)中的復(fù)合銅材料包括以下步驟[1]-[3][1]將銅粉、鈦粉和硼粉混合在一起，從而形成第一成型體的步驟；[2]向第一成型體供給熱能，從而使鈦粉和硼粉彼此反應(yīng)以在銅基質(zhì)中形成硼化鈦的步驟；和[3]向第一成型體施加應(yīng)變從而形成第二成型體的步驟，其中，通過使該第一成型體塑性變形來形成硼化鈦。
例如，如果鈦粉和硼粉的平均粒徑為0.3-10微米，則可以保證要獲得的第二成型體的基底材料的平均粒徑不大于20微米，硼化鈦顆粒的平均粒徑不大于400納米，因此能夠通過在作為電焊條材料時的焊接過程中加壓而獲得具有小的變形的復(fù)合銅材料(由于材料的壓縮強(qiáng)度低)。
當(dāng)向第一成型體施加熱能時，部分鈦和硼以固溶體狀態(tài)溶解于銅中。然而，如果此固溶體狀態(tài)的鈦和硼以未反應(yīng)的狀態(tài)存留，則復(fù)合銅材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率變差。因此，優(yōu)選的是在與通過塑性變形施加應(yīng)變的步驟相同的步驟中或在此步驟之后的步驟中對第二成型體進(jìn)行熱處理，由此使未反應(yīng)的溶質(zhì)元素(鈦和硼)析出。
施加塑性變形的方法、材料溫度、模具溫度、擠壓速度和擠壓的次數(shù)與上面描述的相同。
附圖簡述

圖1是說明獲得本發(fā)明銅合金的步驟的圖；圖2是說明在ECAE處理中使用的模具的圖；圖3(a)是本發(fā)明銅合金晶體結(jié)構(gòu)的顯微照片；圖3(b)是ECAE處理之前的晶體結(jié)構(gòu)的顯微照片；圖4是說明模具溫度與硬度之間關(guān)系的圖；圖5是說明模具溫度與電導(dǎo)率之間關(guān)系的圖；
圖6是說明模具溫度與熱導(dǎo)率之間關(guān)系的圖；圖7是比較通過本發(fā)明制造方法獲得的銅合金的焊接性與常規(guī)銅合金的焊接性在出現(xiàn)飛濺(spattering)和焊接粘連(welding sticking)方面的圖；圖8是比較通過本發(fā)明制造方法獲得的銅合金的焊接性與常規(guī)銅合金的焊接性在連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫(weld)數(shù)量方面的圖；圖9是說明加入Ti的量與經(jīng)時效處理的銅合金和未經(jīng)時效處理的銅合金的電導(dǎo)率之間關(guān)系的圖；圖10是說明加入Ti的量與經(jīng)時效處理的銅合金和經(jīng)時效處理及重加工(heavy working，施加相當(dāng)于不低于200％延伸率的應(yīng)變)的銅合金的電導(dǎo)率之間關(guān)系的圖；圖11是說明加入Ti的量與經(jīng)時效處理的銅合金和經(jīng)時效處理及重加工(施加相當(dāng)于不低于200％延伸率的應(yīng)變)的銅合金的硬度(mHV)之間關(guān)系的圖；圖12是說明電導(dǎo)率與硬度(mHV)之間關(guān)系的圖；圖13是說明加入TiB的方法與電導(dǎo)率之間關(guān)系的圖；圖14是說明制造本發(fā)明復(fù)合銅材料方法的圖；圖15(a)和15(b)各自是通過本發(fā)明制造方法獲得的銅合金的晶體結(jié)構(gòu)的顯微照片，圖15(a)說明了向其中加入氧化鋁的復(fù)合銅合金，圖15(b)說明了向其中加入硼化鈦的復(fù)合銅合金；圖16是比較通過本發(fā)明制造方法獲得的復(fù)合銅材料的焊接性與常規(guī)復(fù)合銅材料的焊接性在連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫數(shù)量方面的圖；圖17是說明制造本發(fā)明復(fù)合銅材料方法的圖；圖18是說明燒結(jié)后結(jié)構(gòu)狀況的顯微照片；和圖19是說明當(dāng)進(jìn)行重加工時和不進(jìn)行重加工時，電導(dǎo)率與加入的TiB量之間關(guān)系的圖。
圖20是比較通過本發(fā)明制造方法獲得的復(fù)合銅材料的焊接性與常規(guī)復(fù)合銅材料的焊接性在連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫數(shù)量方面的圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式如圖1所示，首先使0.1-1.4wt％的Cr熔入基底材料(Cu)中，通過驟冷熔體獲得其中Cr以過飽和方式的固溶體狀態(tài)溶于Cu中的材料。隨后，向此材料施加相當(dāng)于不小于200％延伸率的應(yīng)變。順便提及，理想的是使用在固溶體處理后經(jīng)時效處理的材料。
當(dāng)加入的元素為Zr時，Zr含量為0.15-0.5wt％。在Be的情況下，Be含量為0.1-3.0wt％。在Ti情況下，Ti含量為0.1-6.0wt％。在B情況下，B含量為0.01-0.5wt％。
圖2說明利用Cu管施加應(yīng)變的模具。將上述混合物填充到銅管中，并在400-500℃的模具溫度、約1毫米/秒的擠壓速度下擠壓，重復(fù)該擠壓4次(ECAE處理)。因此，將應(yīng)變施加到其中Cr以過飽和方式的固溶體狀態(tài)溶解的銅合金中。通過此操作，晶粒尺寸從200微米下降至不大于20微米。
如果Δe應(yīng)變量，ψ接頭內(nèi)角的1/2，ERR加工前后的面積比，A0加工前的橫截面積，A加工后的橫截面積，EAR加工前后等效斷面面積的下降比，EE當(dāng)量應(yīng)變(延伸率)，那么，以下關(guān)系式保持Δe＝2/√3cotanψERR＝A0/A＝exp(Δe)EAR＝(1-1/ERR)×100EE＝(ERR-1)×100通過上述橫擠壓(ECAE處理)使晶體結(jié)構(gòu)的顆粒細(xì)化。因?yàn)閿D壓條件與時效處理重疊，所以在晶粒細(xì)化的同時促使第二種元素析出。
通過此ECAE處理獲得的銅合金的晶體結(jié)構(gòu)示于圖3(a)的顯微照片中。ECAE處理前的晶體結(jié)構(gòu)示于圖3(b)的顯微照片中。從這些顯微照片中很明顯看出，由于ECAE處理，加入的元素在晶粒中析出(照片中的黑點(diǎn))。
圖4是說明模具溫度與硬度之間關(guān)系的圖，圖5是說明模具溫度與電導(dǎo)率之間關(guān)系的圖，圖6是說明模具溫度與熱導(dǎo)率之間的圖。從這些圖中很明顯看出，本發(fā)明的銅合金具有電焊條材料如焊嘴(weldingtip)所需的性能，即不小于30HRB的硬度、不小于85IACS％的電導(dǎo)率和不小于350W/(m·K)的熱導(dǎo)率。
即，從圖4-6中很明顯看出，未經(jīng)ECAE處理(固溶處理+時效處理)的材料在電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率方面遜色，盡管其具有高硬度；通過對只經(jīng)固溶處理的材料進(jìn)行ECAE處理獲得的材料在電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率方面優(yōu)異，盡管其具有低的硬度；通過對在固溶處理之后經(jīng)時效處理的材料進(jìn)行ECAE處理而獲得的材料在硬度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率中的各個方面都是優(yōu)異的。
圖7是比較通過本發(fā)明制造方法獲得的銅合金的焊接性與常規(guī)銅合金的焊接性在出現(xiàn)飛濺與焊接粘連方面的圖。本發(fā)明的銅合金在合適的電流條件方面相當(dāng)于分散有氧化鋁的銅和時效處理前的銅合金，焊接粘連未出現(xiàn)。
圖8是比較通過本發(fā)明制造方法獲得的銅合金的焊接性與常規(guī)銅合金的焊接性在連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫數(shù)量方面的圖。當(dāng)使用本發(fā)明的銅合金作為焊嘴時，在連續(xù)的點(diǎn)焊中能夠制造1475條焊縫。
如上所述，本發(fā)明的銅合金具有細(xì)小的晶體結(jié)構(gòu)，并且大量加入的元素在晶粒中析出，因此，有可能保證本發(fā)明的銅合金同時提供迄今存在折衷關(guān)系的機(jī)械強(qiáng)度、熱性能和電氣性能。
特別是，能夠獲得具有電焊條材料如焊嘴所需性能的銅合金，具體地說，不小于30HRB的硬度、不小于85IACS％的電導(dǎo)率和不小于350W/(m·K)的熱導(dǎo)率的銅合金。
然后，選擇鈦(Ti)作為待加入的元素，以與上面所述相同的方法獲得銅合金。結(jié)果示于圖9-12中。
圖9是說明加入鈦的量與電導(dǎo)率之間關(guān)系的圖。固溶體狀態(tài)的Ti的最大溶解度基本上為約8wt％，并不是非常大。如圖9所示，甚至在時效處理之后，也有約0.5wt％的Ti以固溶體狀態(tài)殘留。此固溶體狀態(tài)的Ti有可能降低了銅合金的電導(dǎo)率。
圖10是說明于470℃下進(jìn)行時效處理2小時之后重加工的銅合金的電導(dǎo)率和只經(jīng)時效處理的銅合金的電導(dǎo)率的圖。從此圖中很明顯看出，經(jīng)重加工的銅合金的電導(dǎo)率極大增加。這可能是因?yàn)橛捎谥丶庸?dǎo)致固溶體狀態(tài)的Ti析出。
圖11是比較重加工銅合金的硬度與只經(jīng)時效處理的銅合金的硬度的圖。如此圖所示，重加工銅合金的硬度比只經(jīng)時效處理的銅合金的硬度低。有可能由于重加工導(dǎo)致有助于固溶體強(qiáng)化的Ti析出。
圖12是說明硬度、電導(dǎo)率與重加工溫度之間關(guān)系的圖。從此圖中很明顯看出，Cu-Ti合金在電導(dǎo)率方面遜色，并且盡管隨著重加工溫度的提高硬度下降，但電導(dǎo)率增加。并且，在這種情況下，有可能由于重加工導(dǎo)致有助于固溶體強(qiáng)化作用的Ti析出。
因此，通過將重加工與時效處理結(jié)合能夠使以固溶體狀態(tài)溶解的Ti從銅基質(zhì)中析出，盡管迄今為止不能通過時效處理使此Ti析出。此外，可以通過控制重加工的程度而控制析出的Ti的量。因此，能夠制造具有滿足目的的性能的銅合金。
然后，選擇硼(B)作為待加入的元素，通過不同的方法制造銅合金。獲得的銅合金中的硼(TiB)與電導(dǎo)率之間的關(guān)系示于圖13中。作為獲得銅合金的方法，采用[1]制備經(jīng)固溶處理的細(xì)化材料，[2]向銅中加入作為化合物(陶瓷)的TiB2粉，和[3]向銅中獨(dú)立加入Ti粉和B粉的方法。
從圖13中可以看出，在所有情況下，電導(dǎo)率都隨著TiB加入比的提高而下降，在生產(chǎn)方法方面，在細(xì)化材料的情況下獲得最高的電導(dǎo)率，盡管通過進(jìn)行重加工可以提高電導(dǎo)率。
圖14-16說明了另一個實(shí)施方案(復(fù)合銅材料)。首先，如圖14所示，將氧化鋁(Al2O3)粉或硼化鈦(TiB2)與基底材料(銅粉)混合?；旌媳葹?.1-5.0wt％。如果混合比低于0.1wt％，不會提高耐磨性。如果混合比超過5.0wt％，則電導(dǎo)率下降，并且模具壽命也縮短。因此，規(guī)定為上述范圍。
隨后，將上述混合粉末形成為第一成型體以進(jìn)行橫擠壓。例如，通過壓坯(green compacting)或通過將該混合粉末填充到Cu(銅)管中形成第一成型體。隨后，通過橫擠壓向該第一成型體施加相當(dāng)于不小于200％，優(yōu)選約220％的應(yīng)變。
順便提及，在圖14中，為了容易理解，Cu管的直徑比在模具中形成的插入孔的直徑大。然而，實(shí)際上是，Cu管的直徑幾乎與模具中形成的插入孔的直徑相同。用夾具等支撐該Cu管，因此銅管不下降，同時利用沖壓機(jī)推動Cu管。
橫擠壓的具體條件是這樣的，模具溫度為400-1000℃，擠壓速度約為1毫米/秒，通過在這些條件下重復(fù)擠壓12次而進(jìn)行ECAE處理。通過重復(fù)該擠壓，母相顆粒變細(xì)，并且陶瓷出現(xiàn)粉碎和分散。
通過此ECAE處理獲得的銅合金的晶體結(jié)構(gòu)的顯微照片示于圖15(a)和15(b)中。圖15(a)說明向其中加入氧化鋁粉的復(fù)合材料，圖15(b)說明向其中加入硼化鈦粉的復(fù)合材料。根據(jù)這些照片可以確定，粒徑為若干納米的氧化鋁或硼化鈦均勻分散在銅基質(zhì)中。
圖16是比較通過本發(fā)明制造方法獲得的復(fù)合銅材料的焊接性與常規(guī)復(fù)合銅材料的焊接性在連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫數(shù)量方面的圖。當(dāng)使用其中氧化鋁分散在銅中的市售復(fù)合銅材料作為焊嘴時，連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫的數(shù)量約為1200，而在經(jīng)ECAE(等通道轉(zhuǎn)角擠壓)處理的分散氧化鋁復(fù)合銅材料的情況下，連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫的數(shù)量約為1600，當(dāng)使用硼化鈦分散在其中的本發(fā)明復(fù)合銅材料作為焊嘴時，在連續(xù)點(diǎn)焊中，可能獲得1900條焊縫。
因?yàn)樵诖藢?shí)施方案中固溶處理不是起點(diǎn)，所以以固溶體狀態(tài)溶解的限度沒有限制，并且能夠任意地設(shè)定銅合金中第二種元素(Al2O3或TiB2)顆粒的比例。因此，有可能獲得在常規(guī)復(fù)合銅材料中不能獲得的性能。
即，銅合金基質(zhì)的純度高，則銅合金的電氣性能優(yōu)異，并且因?yàn)橐种凭ЯＩL，所以在基質(zhì)顆粒界面處析出的Al2O3或TiB2顆粒的粒徑為納米級(不大于500納米)。并且，可以任意設(shè)定要加入的量。
然后，將要描述這樣一個實(shí)施方案，其中將作為起始材料的鈦(Ti)粉和硼(B)粉與基底材料(Cu粉)混合。
圖17是說明獲得該實(shí)施方案復(fù)合銅材料的方法的圖，其中起始材料中鈦粉和硼粉的混合比都為0.1-5.0wt％。如果混合比低于0.1wt％，不會提高耐磨性。如果混合比超過5.0wt％，則電導(dǎo)率下降，并且模具壽命也縮短。因此，規(guī)定為上述范圍。
隨后，將上述混合粉末形成為第一成型體以進(jìn)行橫擠壓。獲得第一成型體可利用的有兩種方法。當(dāng)要制造的產(chǎn)品是小的產(chǎn)品像連接器和電焊條時，將上述混合物填充到銅管中，從而形成第一成型體。另一方面，當(dāng)要制造的產(chǎn)品是長的產(chǎn)品或大型產(chǎn)品時，通過壓坯形成第一成型體。
隨后，燒結(jié)上述第一成型體。來源于此燒結(jié)的熱能導(dǎo)致加入的鈦(Ti)和硼(B)反應(yīng)，從而形成硼化鈦。圖18說明了燒結(jié)后結(jié)構(gòu)的狀況。從此圖中很明顯看出，燒結(jié)后，在銅基質(zhì)中形成燒結(jié)前未形成的硼化鈦。
順便提及，盡管在該實(shí)施方案中進(jìn)行燒結(jié)作為施加熱能的方法，但是可以通過除此方法以外的方法施加熱能。
在燒結(jié)后，對第一成型體施加相當(dāng)于不小于200％，優(yōu)選不小于約220％的應(yīng)變以進(jìn)行橫擠壓。通過與上面描述相同的方法進(jìn)行橫擠壓。
橫擠壓的具體條件是這樣的，材料溫度為400-1000℃，模具溫度為400-500℃，擠壓速度約為1毫米/秒，通過在這些條件下重復(fù)擠壓12次而進(jìn)行ECAE(等通道轉(zhuǎn)角擠壓)處理。通過重復(fù)該操作，母相顆粒變細(xì)，并且在銅基質(zhì)中形成的硼化鈦出現(xiàn)粉碎和分散。
圖19是說明當(dāng)進(jìn)行重加工(施加相當(dāng)于220％延伸率的應(yīng)變)時和不進(jìn)行重加工時，電導(dǎo)率與加入的TiB量之間關(guān)系的圖。從此圖中很明顯看出，由于重加工，電導(dǎo)率增加。盡管通過上述熱處理形成了具有電導(dǎo)率的硼化鈦，但電導(dǎo)率沒有提高。不是加入的鈦和硼按化學(xué)計量比反應(yīng)，而是加入的鈦和硼在銅基質(zhì)內(nèi)保持固溶體狀態(tài)，同時它們?nèi)匀晃捶磻?yīng)。因此，有可能當(dāng)進(jìn)行重加工時，未反應(yīng)的溶質(zhì)元素(鈦和硼)析出，結(jié)果是電導(dǎo)率增加。
并且，對于本發(fā)明的復(fù)合銅材料，通過連續(xù)點(diǎn)焊中焊縫的數(shù)量檢驗(yàn)焊接性，獲得與圖16中所示相同的結(jié)果。
因?yàn)楣倘芴幚聿皇侵圃齑藢?shí)施方案復(fù)合銅材料方法中的起點(diǎn)，所以以固溶體狀態(tài)溶解的限度沒有限制，能夠任意設(shè)定要加入到銅中的鈦和硼，并且能夠獲得在常規(guī)復(fù)合銅材料中不能獲得的性能。
特別是，因?yàn)椴皇菍⑴鸹佒苯蛹尤氲姐~中，并且因?yàn)樵诜磻?yīng)之前加入鈦和硼，從而通過在反應(yīng)之前向鈦和硼施加熱能的反應(yīng)使硼化鈦在銅基質(zhì)中形成，所以促進(jìn)了結(jié)構(gòu)的晶粒細(xì)化(約為納米級不大于幾百納米)，且機(jī)械強(qiáng)度提高。
工業(yè)實(shí)用性可以使用本發(fā)明的銅合金和復(fù)合銅材料作為構(gòu)成電動車輛等部分配線的連接器用材料或電焊條材料。
權(quán)利要求
1.一種銅合金，其含在室溫下不或幾乎不以固溶體狀態(tài)溶解的第二種元素，其特征在于此合金的平均粒徑不大于20微米，并且該第二種元素在晶粒中析出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的銅合金，其特征在于該銅合金的硬度不小于30HRB，電導(dǎo)率不小于85IACS％，熱導(dǎo)率不小于350W/(m·K)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的銅合金，其特征在于該第二種元素是鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈹(Be)、鈦(Ti)和硼(B)中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的銅合金，其特征在于該銅合金是配線連接器用材料或電焊條材料。
5.一種制造銅合金的方法，其特征在于該方法包括使在室溫下不或幾乎不以固溶體狀態(tài)溶解的第二種元素以固溶體狀態(tài)溶解在基底材料金屬(Cu)中，通過向此材料施加相當(dāng)于不小于200％延伸率的應(yīng)變而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，在施加此應(yīng)變的同時或之后對此材料進(jìn)行時效處理，從而促使第二種元素在晶粒中析出。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的制造銅合金的方法，其特征在于第二種元素是鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈹(Be)、鈦(Ti)和硼(B)中的任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的制造銅合金的方法，其特征在于向此材料施加此應(yīng)變的方法是擠壓、拉拔、剪切、軋制和鍛造中的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的制造銅合金的方法，其特征在于擠壓的條件是這樣的，即在400-1000℃的材料溫度、400-500℃的模具溫度和0.5-2.0毫米/秒的擠壓速度下進(jìn)行橫擠壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項的制造銅合金的方法，其特征在于在對材料施加應(yīng)變之前先對材料進(jìn)行時效處理。
10.一種復(fù)合銅材料，其中陶瓷粉分散在銅基質(zhì)中，其特征在于此復(fù)合銅材料的硬度不小于30HRB，電導(dǎo)率不小于85IACS％，熱導(dǎo)率不小于350W/(m·K)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的復(fù)合銅材料，其特征在于陶瓷粉是氧化鋁或硼化鈦。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項的復(fù)合銅材料，其特征在于此銅合金是配線連接器用材料或電焊條材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項的復(fù)合銅材料，其特征在于此銅合金是電動車輛的連接器用材料。
14.一種制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于該方法包括將銅粉與陶瓷粉混合到一起，從而形成混合粉末作為第一成型體，向此第一成型體施加應(yīng)變，從而形成具有細(xì)化粒徑的第二成型體，在該第二成型體中基底材料與陶瓷顆粒結(jié)合在一起。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于施加應(yīng)變的方法是擠壓，該擠壓是在不低于400℃但不超過1,000℃的材料溫度和不低于400℃但不超過500℃的模具溫度下進(jìn)行的。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于第一成型體是通過壓坯或?qū)⒒旌戏勰┨畛涞焦苤蝎@得的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或15的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于陶瓷粉的平均粒徑為0.3-10微米，向第一成型體施加的應(yīng)變相當(dāng)于不小于200％的延伸率，要獲得的第二成型體的基底材料的平均粒徑不超過20微米，且陶瓷顆粒的平均粒徑不大于500納米。
18.一種制造復(fù)合銅材料的方法，其中硼化鈦分散在銅基質(zhì)中，其特征在于該方法包括以下步驟[1]-[4][1]將銅粉、鈦粉和硼粉混合在一起，從而形成第一成型體的步驟；[2]向第一成型體施加熱能，從而使鈦粉與硼粉彼此相互反應(yīng)以在銅基質(zhì)中形成硼化鈦的步驟；和[3]向第一成型體施加應(yīng)變，從而形成第二成型體的步驟，其中，通過使第一成型體塑性變形形成硼化鈦。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于在與通過塑性變形施加應(yīng)變步驟相同的步驟中或在這步之后的步驟中對第二成型體進(jìn)行熱處理。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于塑性變形包括施加相當(dāng)于不小于200％延伸率的應(yīng)變。
21.根據(jù)權(quán)利要求18-20中任一項的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于塑性變形是擠壓，該擠壓是在不低于400℃但不超過1,000℃的材料溫度下進(jìn)行的。
22.根據(jù)權(quán)利要求18-20中任一項的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于塑性變形是擠壓，該擠壓是在不低于400℃但不超過500℃的模具溫度下進(jìn)行的。
23.根據(jù)權(quán)利要求18-22中任一項的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于第一成型體是通過壓坯或?qū)⒒旌戏勰┨畛涞焦苤蝎@得的。
24.根據(jù)權(quán)利要求18-23中任一項的制造復(fù)合銅材料的方法，其特征在于陶瓷粉的平均粒徑為0.3-10微米，要獲得的第二成型體的基底材料的平均粒徑不超過20微米，且硼化鈦顆粒的平均粒徑不大于500納米。
全文摘要
使元素如Cr在高溫下在基底材料金屬(Cu)中形成固溶體，通過進(jìn)行驟冷獲得處于超飽和狀態(tài)的材料。此后，向此材料施加應(yīng)變，在低溫下，在施加此應(yīng)變的同時或之后對此材料進(jìn)行時效處理。因此，能夠獲得具有作為電焊條材料所需性能的銅合金，例如不小于30HRB的硬度、不小于85 IACS％的電導(dǎo)率和不小于350W /(m·K)的熱導(dǎo)率。
文檔編號H01H1/02GK1681953SQ0382228
公開日2005年10月12日 申請日期2003年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月18日
發(fā)明者船木光弘, 馬場大樹, 大山真哉, 堀向俊之 申請人:本田技研工業(yè)株式會社