CN103131894B - 一种高弹性高导电铜合金及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种高弹性高导电铜合金，铜合金成分的质量分数为：0.1~1%Fe，0.05~0.3%P，0.1~1.0%Sn，0.1~1.0%Ni，13~20%Zn，0.005~0.05%B，其余为Cu和不可避免的杂质。生产工艺流程为：熔炼→拉铸→热轧→铣面→粗轧→退火→酸洗→中轧→固溶处理→精轧→时效处理→分剪→成品包装。采用上述制备的高弹性铜合金经过温升测试、吊重测试、插拔5000次、吊重测试、拔出插头所需最大力测试，抗应力松驰性能优良。上述组成和方法生产的铜合金具有高弹性和高导电性能，成本较低，可以替代锡磷青铜合金作弹性电接插件材料使用。
Description
技术领域
本发明涉及弹性材料，具体地说涉及一种高弹性高导电铜合金及其生产方法。
背景技术
锡磷青铜具有很高的强度、弹性、耐磨性和导电性等优良性能，被广泛应用于电器接插弹性元件，随着电子、通讯和汽车行业的高速发展，锡磷青铜带材的需求量与日剧增，但是锡资源的紧缺导致锡磷青铜价格较为昂贵，所以开发一些新型替代产品就显得迫在眉睫。已有不少专利文献介绍多种弹性铜合金，但是只限于适合特种材料应用。例如CN101984107A介绍CuNiSiAl系弹性铜合金具有超高强度、高抗应力松驰等特性，适用于航天航空以及微电工业高导电弹性器件。CN102041407A介绍一种高强度高导电性微硼铜合金材料，适合高速电气化铁路接触网导线，大规格集成电路引线框架电极材料，上述合金成份复杂，制造成本不低于锡磷青铜，目前还没有可以替代锡磷青铜的产品和生产工艺。
发明内容
本发明的目的是开发出一种替代锡磷青铜的高弹性高导电铜合金及其生产方法，该合金的性能高于或相当于锡磷青铜，可替代部分锡磷青铜和铍青铜制作的各种元件。
高弹性高导电铜合金，其组成成分为： 0.1~1%Fe，0.05~0.3%P，0.1~1.0%Sn，0.1~1.0%Ni，13~20%Zn，0.005~0.05%B，其余为Cu和不可避免的杂质。
上述合金的生产工艺流程为：熔炼→拉铸→热轧→铣面→粗轧→退火→酸洗→中轧→固溶处理→精轧→时效处理→分剪→成品包装。
本发明的高弹性高导电铜合金是在高铜含量的黄铜基础上添加以下少量强化合金的元素。
Fe、P元素的添加形成纳米级粒子Fe3P，通过固溶时效处理后，其溶解度随温度下降而骤降，以单质或合金化合物质点的形式析出，通过弥散微粒阻碍位错滑移和抑制再结晶来提高强化效果和热稳定性。
Sn、Ni元素的添加形成调幅分解强化机制，可以由母相通过浓度起伏连续长大形成新相，不需形核过程，脱溶分解后在整个晶粒范围内形成微细的成分呈周期变化的显微组织，这一成分不同的两相保持共格而产生的弹性应变场能强烈阻止位错移动，从而产生强化效果，可以节约大量Sn元素材料。
B元素具有很高的化学活性，添加微量的B会在晶界处会出现大量富B小颗粒，由于B原子从固溶体中向非晶界的迁移困难，所以在热处理时，这些小颗粒会有很好的粗化抗力，并且定扎于晶界，防止晶界移动，最终细化晶粒，提高材料的力学性能和工艺性能。
本合金中适当降低锌用量，用少量铁代替部分镍，用微量的硼代替部分磷，以提高合金的弹性和抗应力松驰能力，以比较高的铜含量以保持高的导电性能；在形成高弹性高导电的铜合金同时降低对锡和镍用量，用于替代锡磷青铜作高弹性接插件材料。
附图说明
图1为本发明铜合金产品的金相图（放大200倍）。
具体实施方式
以下结合表1的实施例对本发明作进一步描述。
实施例
按表1所列配比，采用工频感应炉熔炼，先加入含Fe量25%的铜铁合金、纯镍板、纯电解铜，熔炼温度1150-1220℃,待熔化后，加入0#锌锭，出现喷火后，加入纯锡块、14%的磷铜合金和单质硼，为了防止磷铜合金和单质硼在加入炉时被氧化用铜管包裹，锡块直接加入炉内，全部熔化后搅拌均匀，采用半连续拉铸，拉铸温度为1120-1200℃，拉铸速度为80-90mm/min，铸锭尺寸为270mm×400mm×4800mm。铜合金主要成分如表1所示。
表1 合金成分表（wt%）
| 元素 | Cu | Zn | Fe | P | Sn | Ni | B | 杂质 |
| 实施例一 | 78.8 | 19.69 | 0.78 | 0.25 | 0.25 | 0.20 | 0.02 | 0.01 |
| 实施例二 | 80.5 | 18.08 | 0.58 | 0.12 | 0.34 | 0.36 | 0.007 | 0.013 |
| 实施例三 | 82.2 | 15.89 | 0.42 | 0.08 | 0.67 | 0.70 | 0.03 | 0.01 |
| 实施例四 | 83.4 | 14.53 | 0.24 | 0.06 | 0.85 | 0.87 | 0.045 | 0.005 |
| 实施例五 | 84.7. | 13.14 | 0.12 | 0.05 | 0.97 | 0.98 | 0.035 | 0.005 |
铸锭在步进炉内加热，加热温度850～880℃，加热时间2～3h，在750～830℃进行热轧，热轧后板坯厚度为13～14mm；铣面后采用φ330/760×600粗轧机进行粗轧，在罩式退火炉（TZQ-140/330型）内进行中间退火，退火温度为500～540℃，保温6～8h；在脱脂酸洗机上进行酸洗；中轧采用Φ230/600×560中精轧机进行轧制；在步进炉内加热到800～850℃温度，保温2～3h，吊进固溶水槽内进行固溶处理；精轧采用φ160/550×600精轧机轧制，在罩式退火炉（TZQ-140/330型）内进行时效处理，时效温度420～450℃，保温4～5h；在分条机上进行分剪成成品。
表2 高弹性铜合金成品与锡磷青铜成品性能的比较
| 牌号 | 抗拉强度（Mpa） | 延伸率(%) | 硬度(HV) | 弹性模量(GPa) | 电导率(%IACS) |
| 实施例一 | 482 | 15 | 156 | 121 | 34.8 |
| 实施例二 | 521 | 13 | 162 | 118 | 36.4 |
| 实施例三 | 534 | 12 | 165 | 117 | 35.8 |
| 实施例四 | 508 | 13 | 164 | 119 | 36.7 |
| 实施例五 | 519 | 14 | 160 | 119 | 36.8 |
| 锡磷青铜 | 482 | 29 | 157 | 120 | 14.5 |
表2所示为本发明的高弹性铜合金和锡磷青铜成品性能的比较，该高弹性铜合金的弹性模量在120GPa左右，与锡磷青铜基本相当，说明该合金的弹性性能优良；电导率在35%IACS左右，远远高于锡磷青铜，说明该合金的导电性能远远高于锡磷青铜；在硬度相当时，该合金的延伸率稍微低于锡磷青铜，但是并不影响其冲压工艺，依旧拥有良好的塑韧性。
从图1金相上看，组织全部为α相，晶粒度大小在0.005~0.008mm之间,而锡磷青铜的晶粒度为0.01-0.015mm，本发明的合金的晶粒度相对比较细小，由于应力松弛大部分发生在晶粒内部，较多的晶界能成为有效阻碍应力松弛的障碍，所以细小的晶粒有利于提高材料的抗应力松弛性能，以获得较高的弹性性能；黑色颗粒经透射电镜分析为Fe3P，弥散分布的黑色颗粒阻碍位错滑移和抑制再结晶，提高强化效果和热稳定性，以获得高的强度性能。
该高弹性高导电铜合金制成的墙壁开关，经过温升老化试验（温度70±2℃，保温168h）后，可承受3N吊重，之后经过插拔5000次试验，也可以承受3N吊重，拔出插头最大力<40N测试也合格，经过测试，说明该合金在弹性电接插件领域完全可以替代锡磷青铜材料使用。
Claims (2)
1.一种高弹性高导电铜合金，其特征在于铜合金成分的重量百分数为：0.58~0.78铁，0.12~0.25磷，0.25~0.34锡，0.20~0.36镍，0.007~0.02硼，18.08~19.69锌， 其余为铜和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高弹性高导电铜合金的生产方法，其特征包括以下步骤：
A：采用工频感应炉熔炼，先加入含铁量为25%的铁铜合金、纯镍板、纯电解铜，熔炼温度1150-1220℃,待熔化后，加入0#锌锭，出现喷火后，加入用铜管包裹的14%的磷铜合金和加入用铜管包裹的单质硼，锡块直接加入炉内，全部材料熔化后搅拌均匀，采用半连续拉铸，拉铸温度为1120-1200℃，拉铸速度为80-90mm/min，拉铸成铸锭；
B：铸锭在步进炉内加热2～3小时，加热温度850～880℃，然后在750～830℃进行热轧，热轧后板坯厚度为13～14mm；铣面后采用φ330/760×600粗轧机进行粗轧，在罩式退火炉内进行中间退火，退火温度为500～540℃，保温6～8h；在脱脂酸洗机上进行酸洗；中轧采用Φ230/600×560中精轧机进行轧制；再在步进炉内加热到800～850℃温度，保温2～3h，吊进固溶水槽内进行固溶处理；精轧采用φ160/550×600精轧机轧制，在罩式退火炉进行时效处理，时效温度420～450℃，保温4～5h；在分条机上分剪成成品。
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