CN112111671A - 一种环保型导电弹性铜合金及其制备方法和在连接器中的应用 - Google Patents

一种环保型导电弹性铜合金及其制备方法和在连接器中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于有色金属加工技术领域，提供了一种环保型导电弹性铜合金及其制备方法和应用。本发明提供的铜合金包括以下含量的化学成分：Ni2.0~4.3%，Si0.5~0.85%，Mn0.05~0.4%，Mg0.01~0.2%，稀土元素0.01~1.0%，其余为Cu。本发明提供的铜合金在具有超高强度的同时能保持高导电性，具有耐高温、抗应力松弛、耐复杂环境腐蚀、高弹性的特点，成形性能优异、可靠性高，能满足不同应用场景下连接器的使用需求，是一种新一代连接器用合金材料。本发明通过熔炼、铸造、热轧、初轧、中间退火、中轧、快速固溶处理、精轧和时效处理制备铜合金，能有效控制铜合金的微观组织，保证铜合金的各方面性能。

Description

一种环保型导电弹性铜合金及其制备方法和在连接器中的 应用
技术领域
本发明涉及有色金属加工技术领域，尤其涉及一种环保型导电弹性铜合金及其制备方法和在连接器中的应用。
背景技术
连接器作为电流或信号连接的关键元件，是工业体系的重要组成部分，广泛地应用于军工、通讯、汽车、电子等领域，其中高性能铜合金材料是连接器实现其功能的关键原材料。随着5G通讯、移动终端、人工智能、航空航天等重要领域的快速发展，连接器技术主要向着微小型化、集成化、智能化、高性能化及使用人性化方向发展，这就要求连接器的尺寸不仅更加小型化，而且要求性能向着高频化、高功率大电流、低阻抗低温升、耐极限环境、使用可靠性及绿色环保方向发展。对铜合金材料的性能也提出了更加苛刻的要求，不仅要求具有高的屈服强度（＞900 MPa）、高的弹性性能（＞125 GPa）、优良的导电性能（＞30 %IACS）、长时耐高温抗应力松弛性能（150℃保温1000小时应力松弛率小于20%），而且还要求优良的弯曲成形性能（横向纵向在R/T=3时，折弯90度不出现任何缺陷）。
目前常规连接器用超高强弹性铜合金材料主要有铍青铜和锡磷青铜两大类。其中铍青铜是目前国内外高可靠性连接器使用的主要铜合金弹性材料，但由于铍青铜合金含剧毒物质铍且在高于150℃环境下应力松弛率急剧增大，极易导致弹性元器件在工作状态下的接触压力发生改变，致使连接器工作失效。另外，由于锡磷青铜合金属于加工硬化型合金，合金在弯曲成形、高温抗应力松弛和导电性能方面均较差，无法满足高端连接器的使用需求。
铜钛、铜镍锡合金具有与铍青铜相媲美的高强度、弹性等性能及更优越的加工成形性能、耐腐蚀性能和耐高温应力松弛性能，以上两种合金相继被美国、日本等国家研究开发并产业化，典型牌号分别为C19900、NKT322和C72700、C72900等，前者具有更加优异的弯曲成形性能，满足更加小型化结构连接器使用需求，后者具有更加优异的耐腐蚀性能，满足耐腐蚀环境连接器的使用需求，分别应用于航空航天、通讯、移动终端等重要领域，但由于导电率不足，无法满足功能端子连接器材料的使用需求，而新一代的高强导电材料为Cu-Ni-Co-Si系合金，其产业化生产的屈服强度为800~850MPa，强度还有待提高，同时Cu-Ni-Co-Si系合金的折弯性能也较差。
因此，开发新一代具有超高强、抗应力松弛、成形性能优异、高可靠性的环保型导电弹性铜合金，满足不同应用场景下连接器的使用需求，是解决我国重点行业和重大工程需求的重要举措。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种环保型导电弹性铜合金及其制备方法和在连接器中的应用。本发明提供的环保型导电弹性铜合金具有超高强、抗应力松弛、弹性好、导电性高的特点，成形性能优异、可靠性高，且不含有毒元素，环保性好，能够满足不同应用场景下连接器的使用需求，是一种新一代连接器用铜合金材料。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种环保型导电弹性铜合金，包括以下质量百分含量的化学成分：Ni：2.0~4.3%，Si：0.5~0.85%，Mn：0.05~0.4%，Mg：0.01~0.2%，稀土元素0.01~1.0%，余量为Cu；所述铜合金中镍元素和硅元素的质量比为(4.8~5.5):1。
优选的，所述铜合金的纵向和横向截面上有棒状和/或圆盘状的Ni2Si相，所述棒状和/或圆盘状的Ni2Si相的平均粒径独立地为6~20nm。
优选的，所述铜合金中的S{123}<634>织构占7~25%，Brass{011}<211>织构占14~40%，Cu{112}<111>织构占10~28%，Cube{001}<100>织构占20~35%。
优选的，所述铜合金中还包括辅助元素；所述辅助元素为Co、Fe、Cr、Sn、Ti、Ag、Zr和Zn中的一种或多种；所述辅助元素的质量百分含量独立地为0.01~1.0%。
本发明还提供了上述方案所述环保型导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铜合金原料进行熔炼和铸造，得到铸锭；
（2）将所述铸锭依次进行热轧、初轧、中间退火处理、中轧、快速固溶处理、精轧和时效处理，得到环保型导电弹性铜合金。
优选的，所述熔炼在非真空感应炉中进行，所述熔炼的温度为1230~1270℃；所述铸造的温度为1120~1180℃。
优选的，所述热轧的开轧温度为920~960℃，终轧温度为760~820℃；
所述初轧为冷轧，加工率为60~80%；
所述中间退火处理的退火温度为500~600℃，保温时间为5~8h，冷却方式为气体冷却，所述气体冷却所用气的为氢气和氮气的混合气；
所述中轧为冷轧，加工率为50~80%；
所述快速固溶处理的温度为920~1020℃，退火速度为10~20m/min，冷却速度为60~80℃/s，冷却方式为气体冷却，所述气体冷却所用气体为氢气和氮气的混合气；
所述精轧为冷轧，加工率为30~60%；
所述时效处理的时效温度为450~600℃，保温时间为1~6h，冷却方式为气体冷却，所述气体冷却所用的气体为氢气和氮气的混合气。
优选的，所述热轧后还包括将热轧后的合金坯进行铣面。
本发明还提供了上述方案所述的环保型导电弹性铜合金或上述方案所述制备方法制备的环保型导电弹性铜合金在连接器中的应用。
本发明提供了一种环保型导电弹性铜合金，包括以下质量百分含量的化学成分：Ni：2.0~4.3%，Si：0.5~0.85%，Mn：0.05~0.4%，Mg：0.01~0.2%，稀土元素0.01~1.0%，余量为Cu。本发明通过对铜合金成分的设计与优化及微观组织的调控，获得一种组织细小均匀、析出相弥散分布的高强度铜镍硅锰镁系合金材料，该合金材料在具有超高强度的同时能保持较高导电性能，且具有抗应力松弛性好、弹性好的特点，成形性能优异、可靠性高；此外，本发明提供的环保型导电弹性铜合金还具有优异的耐高温和耐复杂环境腐蚀的性能。本发明提供的环保型导电弹性铜合金屈服强度为800~1050MPa，导电率为30~45%IACS，硬度为220~375HV，150℃×1000h的应力松弛率为12~18%，横向纵向在R/T=3时，折弯90°不出现任何缺陷，具有较好的综合性能，能够满足不同应用场景下连接器的使用需求。
本发明还提供了上述方案所述环保型导电弹性铜合金的制备方法，本发明通过熔炼、铸造、热轧、初轧、中间退火、中轧、快速固溶处理、精轧和时效处理制备得到本发明的铜合金。本发明提供的制备方法能够有效控制铜合金的微观组织，保证铜合金的各方面性能，得到综合性能优异的铜合金材料。
附图说明
图1为本发明实施例6所得环保型导电弹性铜合金纵向截面的金相图。
具体实施方式
本发明提供了一种环保型导电弹性铜合金，包括以下质量百分含量的化学成分：Ni：2.0~4.3%，Si：0.5~0.85%，Mn：0.05~0.4%，Mg：0.01~0.2%，0.01~1.0%，余量为Cu。
以质量百分含量计，本发明提供的环保型导电弹性铜合金中Ni的含量为2.0~4.3%，优选为2.5~4.0%，Si的含量为0.5~0.85%，优选为0.6~0.75%。在本发明中，所述镍元素和硅元素的质量比为(4.8~5.5):1，更优选为(5.0~5.3):1。在本发明中，所述铜合金的纵向和横向截面上有棒状和/或圆盘状的Ni2Si相，所述棒状和/或圆盘状的Ni2Si相的平均粒径独立地优选为6~20nm；本发明将Ni2Si相的平均粒径控制在上述范围内，能够使得析出相在基体组织中呈弥散分布，形成弥散均匀的组织强化，改善铜合金的抗应力松弛性能，同时Ni2Si相弥散均匀的分布有助于改善材料的各项异性，显著改善材料的弯曲折弯性能；尤其是对于折弯性能，若是存在大小析出相的不均匀分布，在材料折弯成型过程中大颗粒的析出会造成折弯成型性能的显著降低，这也是析出相尺寸需要控制在一定范围的原因，同时析出相的结构为类似圆形，与基体组织形成共格界面，这也有利于材料的折弯性能的改善。
在本发明中，Ni元素在时效过程中主要与Si元素形成Ni2Si析出相，随着Ni含量的增加，Ni2Si析出相析出数量越多，当Ni含量过多时，合金中Ni2Si相发生团聚，失去强化相的作用，因此需要合理控制合金中镍元素与硅元素的比例，本发明将Ni元素和Si元素的含量及比例控制在上述范围内，能够使元素充分析出并形成细小弥散的强化相。
以质量百分含量计，本发明提供的环保型导电弹性铜合金中Mn的含量为0.05~0.4%，优选为0.1~0.3%。在本发明中，Mn元素能够形成少量的Mn2Si相，增加合金的屈服强度和硬度，同时细化晶粒，通过调整Mn含量，实现强度和导电率的良好匹配；同时Mn元素可以显著改善析出相粒子的分布，从而改变各向异性状态，大幅度提高材料的折弯性能。
以质量百分含量计，本发明提供的环保型导电弹性铜合金中Mg的含量为0.01~0.2%，优选为0.05~0.15%。在本发明中，所述Mg元素一方面在时效过程中可以阻止析出相的长大，另一方面可以提高合金的耐疲劳性能，增加可靠性。
以质量百分含量计，本发明提供的环保型导电弹性铜合金中稀土元素的含量优选0.01~1.0%，更优选为0.03~0.6%。本发明对所述稀土元素的种类没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，所述稀土元素具体可以为镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钇(Y)和钪(Sc)等，所述稀土元素可以为单一稀土或混合稀土，当为混合稀土时，本发明对混合稀土中稀土元素的种类和比例没有特殊要求，任意种类和比例均可。在本发明中，所述稀土元素一方面可以净化熔体，改善熔体的流动性能，有利于材料的铸造及后续的加工处理，同时细化晶粒，提升材料的力学性能，另一方面有利于加速第二相粒子Ni2Si相粒子的析出，并改善析出的相结构为类似圆形的形貌分布，从而提升材料的力学性能和改善折弯性能。
本发明提供的环保型导电弹性铜合金包括余量的Cu。
在本发明中，所述环保型导电弹性铜合金优选还包括辅助元素；所述辅助元素优选为Co、Fe、Cr、Sn、Ti、Ag、Zr中的一种或多种；所述辅助元素的质量百分含量独立地优选为0.01~1.0%，更优选为0.05~0.6%。在本发明中，Co、Fe、Cr、Ti、Ag、Zr和Zn能促进Ni2Si相析出或形成单质相，阻碍粒子运动，可以提高合金的导电性能、耐应力松弛性能及耐高温软化性能，但这些元素的添加量过高会降低镍硅沉淀相的数量，从而降低合金的力学性能，本发明将Co、Fe、Cr、Ti、Ag、Zr的含量控制在上述范围内，能够避免合金力学性能的降低。Zn、Sn能够固溶在铜中，改善合金的力学性能。
在本发明中，所述铜合金中的S{123}<634>织构优选占7~25%，更优选占8~22%，Brass{011}<211>织构优选占14~40%，更优选占20~35%，Cu{112}<111>织构优选占10~28%，更优选占15~25%，Cube{001}<100>织构优选占20~35%，更优选占25~30%。
本发明还提供了上述方案所述环保型导电弹性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铜合金原料进行熔炼和铸造，得到铸锭；
（2）将所述铸锭依次进行热轧、初轧、中间退火处理、中轧、快速固溶处理、精轧和时效处理，得到环保型导电弹性铜合金。
本发明将铜合金原料进行熔炼和铸造，得到铸锭。本发明根据上述铜合金中元素的质量百分比进行配料，然后将铜合金原料依次进行熔炼和铸造。在本发明中，所述铜合金原料优选为电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金和铜镁合金。
在本发明中，所述熔炼优选在非真空感应炉中进行，所述熔炼的温度优选为1230~1270℃，更优选为1235~1260℃，所述铸造的温度优选为1120~1180℃，更优选为1130~1160℃。本发明优选在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待原料完全熔化后，将熔体倒入保温炉中搅拌均匀，保温20min后浇铸。
得到铸锭后，本发明将所述铸锭进行热轧。在本发明中，所述热轧的开轧温度优选为920~960℃，更优选为930~950℃，终轧温度优选为760~820℃，更优选为780~800℃。本发明优选先将铸锭在步进箱式炉中进行加热，加热至920~960℃后保温2~6h，然后再进行热轧，热轧完成后进行水冷。
热轧完成后，本发明优选将所得热轧坯进行铣面。本发明对所述铣面的操作方法不做具体限定，使用本领域技术人员熟知的方法即可。
铣面后，本发明将铣面后的热轧坯进行初轧。在本发明中，所述初轧优选为冷轧，加工率优选为60~80%，更优选为65~75%。
初轧完成后，本发明将所得初轧坯进行中间退火处理。在本发明中，所述中间退火处理的退火温度优选为500~600℃，更优选为530~560℃，保温时间优选为5~8h，更优选为6~7h，冷却方式优选气体冷却，所述气体冷却所用的气体优选为氢气和氮气的混合气；所述混合气中氢气和氮气的体积比优选为(2~3):1；本发明用气体冷却的方式进行冷却，在带走热量的同时还能实现光亮保护；所述中间退火处理优选在钟罩式退火炉中进行；本发明将中间退火处理的温度控制在500~600℃，能够保持Ni2Si相较好的完全析出，并析出相尺寸不被长大，同时析出相的均匀析出有利于提升带材的导电率性能；若中间退火处理温度高于600℃，析出相的晶粒尺寸会长大，而且析出相呈现尺寸大小不等的情况，虽材料可以保持一定的机械强度和较好的导电率，但此时材料的折弯性能会显著下降，这也是在综合性能匹配方面一定要严格控制退火温度的重要考虑。
中间退火处理完成后，本发明将所得中间坯进行中轧。在本发明中，所述中轧优选为冷轧，加工率优选为50~80%，更优选为60~70%。
中轧完成后，本发明将所得中轧坯进行快速固溶处理。在本发明中，所述快速固溶处理的温度优选为920~1020℃，更优选为950~1000℃，退火速度优选为10~20m/min，更优选为13~15m/min，冷却速度优选为60~80℃/s，更优选为65~75℃/s，冷却方式优选为气体冷却，所述气体冷却所用的气体优选为氢气和氮气的混合气，所述混合气中氢气和氮气的体积比和上述方案一致，在此不再赘述。
快速固溶处理完成后，本发明将所得合金固溶体进行精轧。在本发明中，所述精轧优选为冷轧，加工率优选为30~60%，更优选为40~50%。
精轧完成后，本发明将所得精轧坯进行时效处理，得到环保型导电弹性铜合金。在本发明中，所述时效处理的时效温度优选为450~600℃，更优选为500~550℃，保温时间优选为1~6h，更优选为2~5h，冷却方式优选为气体冷却，所述气体冷却所用的气体优选为氢气和氮气的混合气，所述混合气中氢气和氮气的体积比和上述方案一致，在此不再赘述；所述时效处理优选在钟罩式退火炉中进行。
本发明通过快速固溶处理及配套的时效处理技术对铜合金的微观组织进行调控，获得组织细小均匀、析出相弥散分布的高强度、且保持较高导电性能铜镍硅锰镁系合金材料。
本发明还提供了上述方案所述的环保型导电弹性铜合金或上述方案所述制备方法制备的环保型导电弹性铜合金在连接器中的应用。本发明提供的环保型导电弹性铜合金具有超高强、耐高温、抗应力松弛、耐复杂环境腐蚀、导电性好、弹性好的特点，成形性能优异、可靠性高，且不含有毒元素，环保性好，能够满足不同应用场景下连接器的使用需求，是一种新一代连接器用铜合金材料。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1260℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1160℃下浇铸，得到铸锭。
2.热轧：将上述铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为950℃，保温时间为3h，然后再进行热轧，终轧温度控制在800℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为65%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置于钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为550℃，保温时间为7h，冷却方式气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将中间退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为70%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为980℃，退火速度12m/min，冷却速度65℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为45%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉中进行时效处理，时效温度为520℃，保温时间为4h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
实施例2
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1250℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1150℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为930℃，保温时间为5h，然后再进行热轧，终轧温度控制在780℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为70%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为570℃，保温时间为5h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为55%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为960℃，退火速度18m/min，冷却速度75℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为55%。
8.时效处理：将精轧坯放置钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为570℃，保温时间为3h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
实施例3
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1240℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1140℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为960℃，保温时间为5h，然后再进行热轧，终轧温度控制在770℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为70%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置于钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为570℃，保温时间为5h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯材进行中轧，冷轧加工率为55%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为980℃，退火速度15m/min，冷却速度75℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为50%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为550℃，保温时间为3h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
实施例4
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1270℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1170℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为930℃，保温时间为5h，然后再进行热轧，终轧温度控制在780℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为70%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置于钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为570℃，保温时间为5h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为55%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为960℃，退火速度18m/min，冷却速度75℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为55%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为520℃，保温时间为5h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
实施例5
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1270℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1180℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为930℃，保温时间为5h，然后再进行热轧，终轧温度控制在780℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为70%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置于钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为570℃，保温时间为5h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为55%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为1000℃，退火速度18m/min，冷却速度75℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为60%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为530℃，保温时间为4h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
实施例6
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1250℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1140℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为930℃，保温时间为5h，然后再进行热轧，终轧温度控制在780℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为70%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为570℃，保温时间为5h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为55%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为960℃，退火速度18m/min，冷却速度75℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为55%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为570℃，保温时间为3h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
实施例7
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1260℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1160℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为950℃，保温时间为4h，然后再进行热轧，终轧温度控制在810℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为70%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置于钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为560℃，保温时间为6h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为75%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为930℃，退火速度18m/min，冷却速度65℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为30～60%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为55℃，保温时间为2h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
实施例8
合金的成分见表1。
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1260℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1150℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为930℃，保温时间为3h，然后再进行热轧，终轧温度控制在800℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为65%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置于钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为500℃，保温时间为6h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为55%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为960℃，退火速度14m/min，冷却速度70℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为40%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为500℃，保温时间为4h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得环保型导电弹性铜合金的性能见表2。
对比例1~4
合金的成分见表1。对比例1~4的制备方法相同，制备步骤如下：
1.熔炼：在非真空感应炉中加入电解铜、电解镍、镍硅合金、铜锰合金，控制熔炼温度为1250℃，待以上材料均熔化后，继续添加铜镁合金，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，保温20min后在1150℃下浇铸。
2.热轧：将所得铸锭在步进箱式炉中进行加热，温度为930℃，保温时间为5h，然后再进行热轧，终轧温度控制在780℃，随后进行水冷。
3.初轧：将水冷后的合金坯铣面后进行初轧，冷轧加工率为70%。
4.中间退火处理：将初轧坯放置于钟罩式退火炉进行中间退火处理，退火温度为570℃，保温时间为5h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
5.中轧：将退火处理后的合金坯进行中轧，冷轧加工率为70%。
6.在线高温快速固溶处理：将中轧坯进行在线高温快速固溶处理，固溶处理温度为960℃，退火速度18m/min，冷却速度75℃/s，冷却方式为气体冷却，所用气体为氮气和氢气的混合气。
7.精轧：将固溶处理后的合金固溶体进行精轧，冷轧加工率为70%。
8.时效处理：将精轧坯放置于钟罩式退火炉进行时效处理，时效温度为570℃，保温时间为3h，冷却方式为气体冷却，所用气体为氢气和氮气的混合气。
所得铜合金的性能见表2。
表1 实施例1~8、对比例1~4的合金成分配方（wt.%）
Figure 1
表2 实施例1~8、对比例1~4的合金性能和组织结构表
Figure DEST_PATH_IMAGE003
根据表2中的结果可以看出，本发明制备的铜合金屈服强度和硬度高，且具有较高的导电率，抗弯折性能好，横向纵向在R/T=3时，折弯90°不出现任何缺陷，能够满足不同应用场景下连接器的使用需求；对比例1中不含稀土元素，且Ni/Si高于本发明的范围，导致合金硬度降低，对比例2中Ni/Si低于本发明的范围，导致合金的硬度和抗折弯性能均有降低；对比例3~4中Mn元素的含量高于本发明的范围，此时所得铜合金的屈服强度和硬度虽然较高，但是导电性能显著下降，无法满足连接器的需求。
金相测试：
实施例6所得环保型导电弹性铜合金纵截面的金相图如图1所示，根据图1可以观察到棒状的Ni2Si相；
对实施例1~5、7~8所得环保型导电弹性铜合金的横纵截面进行金相测试，结果显示合金的横截面或纵截面上均可观察到均匀分布的棒状或圆盘状Ni2Si相。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种环保型导电弹性铜合金，包括以下质量百分含量的化学成分：Ni：2.0~4.3%，Si：0.5~0.85%，Mn：0.05~0.4%，Mg：0.01~0.2%，稀土元素：0.01~1.0%，余量为Cu；所述铜合金中镍元素和硅元素的质量比为(4.8~5.5):1。
2.根据权利要求1所述的环保型导电弹性铜合金，其特征在于，所述铜合金的纵向和横向截面上有棒状和/或圆盘状的Ni2Si相，所述棒状和/或圆盘状的Ni2Si相的平均粒径独立地为6~20nm。
3.根据权利要求1所述的环保型导电弹性铜合金，其特征在于，所述铜合金中的S{123}<634>织构占7~25%，Brass{011}<211>织构占14~40%，Cu{112}<111>织构占10~28%，Cube{001}<100>织构占20~35%。
4.根据权利要求1所述的环保型导电弹性铜合金，其特征在于，所述铜合金中还包括辅助元素；所述辅助元素为Co、Fe、Cr、Sn、Ti、Ag、Zr和Zn中的一种或多种；所述辅助元素的质量百分含量独立地为0.01~1.0%。
5.权利要求1~4任意一项所述环保型导电弹性铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将铜合金原料进行熔炼和铸造，得到铸锭；
（2）将所述铸锭依次进行热轧、初轧、中间退火处理、中轧、快速固溶处理、精轧和时效处理，得到环保型导电弹性铜合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼在非真空感应炉中进行，所述熔炼的温度为1230~1270℃；所述铸造的温度为1120~1180℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述热轧的开轧温度为920~960℃，终轧温度为760~820℃；
所述初轧为冷轧，加工率为60~80%；
所述中间退火处理的退火温度为500~600℃，保温时间为5~8h，冷却方式为气体冷却，所述气体冷却所用气的为氢气和氮气的混合气；
所述中轧为冷轧，加工率为50~80%；
所述快速固溶处理的温度为920~1020℃，退火速度为10~20m/min，冷却速度为60~80℃/s，冷却方式为气体冷却，所述气体冷却所用气体为氢气和氮气的混合气；
所述精轧为冷轧，加工率为30~60%；
所述时效处理的时效温度为450~600℃，保温时间为1~6h，冷却方式为气体冷却，所述气体冷却所用的气体为氢气和氮气的混合气。
8.根据权利要求5、6或7所述的制备方法，其特征在于，所述热轧后还包括将热轧后的合金坯进行铣面。
9.权利要求1~4任意一项所述的环保型导电弹性铜合金或权利要求5~8任意一项所述制备方法制备的环保型导电弹性铜合金在连接器中的应用。
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