CN113005326A - 一种铜合金带材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜合金带材，其特征在于该铜合金带材的质量百分比组成为，Fe：7～11wt％，P：0.006～0.012wt％，Sn：0.5～1.5wt％，Ni：4～6wt％，余量为铜及不可避免的杂质。本发明通过控制Fe、Sn、Ni、P等元素的添加含量，富Fe相以骨架的形式存在于铜基体中，起到提升强度、折弯的性能，同时净化基体提升导电，该铜合金带材的抗拉强度700～850MPa，导电率≥25％IACS，延伸率在10％以上，90°折弯R/t在GW≤0.5，在BW≤1.5，在500℃保温5min，硬度值为原始硬度的80％。

Description

一种铜合金带材及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金领域，具体涉及一种铜合金带材及其制备方法。

背景技术

LED支架是LED灯珠在封装之前的底基座，在LED支架的基础上，将芯片固定进去，焊上正负电极，再用封装胶一次封装成形。现有的LED支架一般采用锡磷青铜，如C5111、C5191等，锡磷青铜的导电率一般在20％IACS以下，而且在抗拉强度≥600MPa(H态或者EH态)时，折弯性能很差，90°折弯R/t难以满足GW≤0.5，在BW≤1.5，其中GW为沿着垂直轧制方向弯曲，BW为沿着平行轧制方向弯曲，当LED支架的形状较为复杂时，存在变形加工产生裂纹而难以满足使用要求的情况；现有的LED支架一般都是镀锡后使用，但现有的用于LED支架的铜合金存在镀锡困难，镀锡易剥落的问题；对于某些特定的使用领域，对铜合金的高温性能具有一定要求，而现有的锡磷青铜的耐高温性能较差，无法满足使用要求。

发明专利CN201610634673.1公开了一种用于LED支架的铜带生产工艺，包括以下步骤：(1)以A级阴极铜为原料，A级阴极铜在熔炼装置内连续铸造，熔炼装置内覆盖有木炭和石墨磷片，铸造完成后用冷却循环水进行冷却从而制得上引铜杆；(2)将制得的上引铜杆在连续挤压机内进行连续挤压；(3)根据LED支架用铜带的厚度利用冷轧机组进行多道次轧制；(4)轧制后进行光亮退火，然后对铜带表面进行研磨、抛光；(5)利用分切机组对轧制后的铜带进行分切，获得用于LED支架的铜带；上述LED支架的铜带生产工艺制得的铜带，其化学成分中铜含量为99.97％-99.99％，氧含量为6ppm-9ppm；铜带的维氏硬度HV为106-112，抗拉强度为300-340MPa，延伸率为5-7％，表面粗糙度Ra小于0.05mm；边部毛刺小于0.02mm，导电率大于100.5％IACS。该LED支架采用高含量铜，虽然导电率较高，但强度和耐高温性能很差，只能应用在对强度或者耐高温要求不高的场合。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高强度、导电率高且折弯、耐高温性能优异的铜合金带材。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铜合金带材，其特征在于该铜合金带材的质量百分比组成为，Fe：7～11wt％，P：0.006～0.012wt％，Sn：0.5～1.5wt％，Ni：4～6wt％，余量为铜及不可避免的杂质。

Fe能够提高基体强度，本发明绝大部分的Fe是以Fe为基体，少量Cu固溶于Fe的富Fe相(析出相)存在，富Fe相以骨架的形式存在于铜基体中，起到提升强度的作用，少量的Fe固溶于Cu形成Cu固溶体的基体相，还有少量的Fe和P通过固溶并淬火处理溶入基体相中形成过饱和固溶体，然后时效处理析出FeP金属间化合物，析出的FeP金属间化合物起到弥散强化的作用，FeP金属间化合物的存在更进一步提高基体强度和硬度，同时对提高合金的耐高温软化性能起到重要的作用，当Fe元素含量低于7wt％，形成的富铁相比例不足，难于让组织形成富Fe相的骨架，这样导致强度不足，但当Fe超过11wt％以后，铸造过程中富铁相会形成尺寸大于5μm的富铁相，导致材料的塑形变差，不利于加工，同时材料的折弯性差。

Sn的作用，Sn和Ni在时效阶段，会从基体的固溶状态下发生调幅分解，与Cu、Ni形成(Cu，Ni)₃Sn粒子，起到调幅分解强化作用，进一步提高合金的强度、弹性和抗高温软化性能。如果Sn含量低时，则调幅分解强化作用不强，含量过高时对合金的导电率影响较大，因此，Sn含量控制在0.5～1.5wt％。

Ni在铜合金中可以无限固溶，也是铜合金中“锌当量”为负数的合金元素，能有效提高铜合金的耐腐蚀性能，同时起到强化作用，同时与Cu、Sn形成(Cu，Ni)₃Sn粒子，起到调幅分解强化作用，进一步提高合金的强度、弹性和抗高温软化性能。Ni含量过低时，合金的耐腐蚀性能差，并且在时效阶段的调幅分解强化也弱。当Ni含量过高时影响合金的导电率，因此，本发明将Ni的添加量控制在4～6wt％。

作为优选，还包括Mg：0.008～0.015wt％。

作为优选，该铜合金带材的微观组织中含有以毛细纤维状析出的富Fe相，所述毛细纤维状富Fe相的长度≤200nm，宽度为长度的1/20～1/10。

本申请中的富Fe相以毛细纤维状析出，与传统的颗粒状富铁相相比，大量的富Fe相毛细纤维状分散在铜基体中，相互重叠、交错，组成材料强有力的骨架，起到支撑基体的作用，提高了材料的强度和折弯性能，同时富Fe相从铜基体中析出，净化了铜基体，提高了合金的导电性能，毛细纤维状富Fe相的长度≤200nm，宽度为长度的1/20～1/10，毛细纤维状富Fe相呈短、细的状态，有利于富铁相的均散，提高材料的力学性能稳定性，在富Fe相的长度大于200nm时，富Fe相易交织在一起，易团聚，造成材料局部塑性差，当宽度为长度超出1/20～1/10之外时，无法形成毛细纤维状或者毛细纤维过于粗大，对于力学性能特别是折弯性能不利。

作为优选，所述毛细纤维状富Fe相占总富Fe相面积含量的80％以上，在10μm×10μm的区域内，所述毛细纤维状富Fe相的数量为50～400根。

为了提高材料的力学性能稳定性，在10μm×10μm的区域内，所述毛细纤维状富Fe相的数量为50～400根，在该范围内，富Fe相能够实现均散的效果，有利于折弯性能的提升。

LED支架在使用时是进行镀锡，为利于后续镀锡后使用，作为优选，该铜合金带材的晶粒度≤3μm，粗糙度为0.025～0.045μm。

作为优选，该铜合金带材的抗拉强度700～850MPa，导电率≥25％IACS，90°折弯R/t在GW≤0.5，在BW≤1.5，在500℃保温5min，硬度值为原始硬度的80％。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铜合金带材的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铜合金带材的制备方法，其特征在于：该铜合金带材的加工工艺流程如下：

熔炼→半连续铸造→热轧→在线固溶→铣面→粗轧→时效退火→清洗→精轧→成品去应力退火→矫直；将铸锭在1000～1050℃温度下加热，保温时间1～5h，热轧开始温度950℃～1000℃，终轧温度≥700℃，热轧的压下率≥80％，终轧后在线喷淋冷却实现在线固溶。

铸锭加热温度1000℃～1050℃。加热到此温度可以将Fe、Sn、Ni等合金化元素最大限度的固溶在基体中去，这样在后期的时效过程中，Fe的析出强化，Ni与Sn的调幅分解强化作用才强，将材料的性能最优化。但当加热温度过高时，则铸锭会易发生过烧现象，热轧产生开裂、起皮缺陷。

热轧开始温度950℃～1000℃，在该温度下铜合金的热加工塑形较佳，不易产生热轧开裂等现象。同时在此温度下，本发明合金的加工固溶效果较好，能有效的使Fe最大限度的固溶在铜合金基体中，同时结合热轧终轧温度≥700℃和后道时效工艺，能实现固溶、时效性能的最优化，将此款铜合金强度和导电性实现耦合控制。结合≥80％压下率的热轧，富铁相在高温大加工率情况下发生纤维状变形，从铸锭的颗粒状转变成纤维状组织，为后期的加工形成毛细纤维状组织提供基体组织。此时的富铁纤维状直径粗大，在后道塑性冷加工过程中，纤维状的富铁相进一步纤维化，富铁相形成毛细纤维状。

作为优选，所述半连续铸造的工艺为：将铜液温度控制在1400～1450℃，半连续铸造时水压控制在100～150KPa，拉铸速度为40～50mm/min，震动器的频率50～70次/min，振幅3～6mm。

作为优选，所述粗轧的压下率≥80％，所述精轧的压下率≥30％。

作为优选，所述时效退火的温度为320～360℃，保温10～15h；所述成品去应力退火温度为400～450℃。在时效退火过程中，基体中的固溶态Fe析出，同时Ni与Sn发生调幅分解形成(Cu，Ni)₃Sn，进一步提高合金的强度、弹性、抗高温软化性，同时大大提高合金的导电率。成品轧制后，由于加工纤维组织变形的不均匀性，组织内部存在加工残余应力，为了消除成品的残余应力，进行气垫炉低温退火。退火温度低于本发明合金的高温软化温度，但同时高于本发明合金的晶粒回复温度，因此将去应力气垫炉退火温度设置在400～450℃。

作为优选，所述清洗流程为脱脂→酸洗→钝化→烘干；所述脱脂剂为PH范围10～13的水溶液，溶液温度70～80℃；所述酸洗采用浓度为100～130g/L的硫酸，温度为≤40℃，酸液中Cu²⁺≤1.2g/L；所述钝化采用溶液浓度为0.07～0.12％的钝化剂；清洗后烘干，烘干温度80～100℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过控制Fe、Sn、Ni、P等元素的添加含量，富Fe相以骨架的形式存在于铜基体中，起到提升强度、折弯的性能，同时净化基体提升导电，该铜合金带材的抗拉强度700～850MPa，导电率≥25％IACS，延伸率在10％以上，90°折弯R/t在GW≤0.5，在BW≤1.5，在500℃保温5min，硬度值为原始硬度的80％。

附图说明

图1为本发明实施例1的半连铸铸造铸坯微观组织照片；

图2为本发明实施例1的成品微观组织照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1至实施例10为本发明成分，具体见表1，工艺流程为：

1)熔炼：按照表1的成分进行配料，将Cu、Ni、Sn加入熔炼炉中升温熔化，待铜液熔化后，加入覆盖剂玻璃进行覆盖。随后将温度升至1450～1550℃，按照合金比例缓慢加入纯铁片。待纯铁片全部熔化在铜液中后，将铜液温度升至1500～1550℃，保温20～30分钟。然后将温度降至1350℃～1400℃，按成分比例先后加入磷铜合金和铜镁合金，保温30分钟后将温度控制在1350～1400℃，捞渣，并添加覆盖剂冰晶石+碳酸(重量比例1:1)进行覆盖。

2)半连铸铸造；铸锭规格为厚220mm*宽620mm。

3)热轧+在线固溶：热轧后厚度12～14mm，带宽655±5mm。

4)铣面：单面铣面量为0.6～0.8mm，铣面后厚度11.5mm。

5)粗轧：轧制厚度1.5±0.015mm。

6)切边：单边剪切为7～8mm，剪切后带宽640±1mm。

7)时效退火：将炉温按照50～70℃/h升温速率将温度升至320～360℃，保温10～15h，退火炉采用H₂气体还原保护。

8)清洗：脱脂剂采用p3试剂(JQ-1型金属清洗剂)水溶液，PH范围为10～13，溶液温度70-80℃。酸洗，硫酸浓度100～130g/l，温度为≤40℃，酸液中Cu²⁺≤1.2g/l，钝化采用CC-2002/高效环保钝化剂，溶液浓度为0.07～0.12％，清洗烘干，烘箱温度80～100℃。

9)精轧：先将带材厚度轧至0.32±0.005mm，然后再换专用轧辊进行成品抛光轧制，轧制厚度为0.3±0.005mm。专用轧辊采用400目砂轮进行磨削，轧辊表面粗糙度控制在0.020～0.040μm。

10)采用气垫式退火炉进行成品去应力退火。

11)拉弯矫直。矫直后的版型控制在5I以内。

12)成品分条、包装。

对于制备得到的10个实施例合金和1个对比例合金的带材样品，分别测试力学性能、导电率、耐高温氧化性能。

室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。

导电率测试按照《GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品宽度为20mm，长度为500mm。

耐高温软化性能测试：先测试铜合金带材的原始硬度H0，将样品放入500℃的保温炉中，保温30min后测试其硬度H1，H1/H0≥80％表示样品的耐高温软化性能合格。

折弯性能测试按照《GBT 232-2010金属材料弯曲试验方法》在折弯测试机上进行，样品宽度为5mm，长度50mm。

从图1可以看出半连铸铸造的铸坯内分布着大量细小的富铁相，该细小的富铁相为后续热轧+在线固溶后生成纤维状富铁相提供了有利的条件，从而实现最终优异的综合性能。

表1本发明实施例和对比例的成分

表2本发明实施例的关键工艺控制参数

表3本发明实施例的关键工艺控制参数以及微观组织

表4本发明实施例的表面性能以及实施例、对比例的力学性能

Claims (10)

1.一种铜合金带材，其特征在于该铜合金带材的质量百分比组成为，Fe：7～11wt％，P：0.006～0.012wt％，Sn：0.5～1.5wt％，Ni：4～6wt％，余量为铜及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铜合金带材，其特征在于：还包括Mg：0.008～0.015wt％。

3.根据权利要求1所述的铜合金带材，其特征在于：该铜合金带材的微观组织中含有以毛细纤维状析出的富Fe相，所述毛细纤维状富Fe相的长度≤200nm，宽度为长度的1/20～1/10。

4.根据权利要求3所述的铜合金带材，其特征在于：所述毛细纤维状富Fe相占总富Fe相面积含量的80％以上，在10μm×10μm的区域内，所述毛细纤维状富Fe相的数量为50～400根。

5.根据权利要求1所述的铜合金带材，其特征在于：该铜合金带材的晶粒度≤3μm，粗糙度为0.025～0.045μm。

6.根据权利要求1所述的铜合金带材，其特征在于：该铜合金带材的抗拉强度700～850MPa，导电率≥25％IACS，90°折弯R/t在GW≤0.5，在BW≤1.5，在500℃保温5min，硬度值为原始硬度的80％。

7.一种权利要求1至6任一权利要求所述的铜合金带材的制备方法，其特征在于：该铜合金带材的加工工艺流程如下：

熔炼→半连续铸造→热轧→在线固溶→铣面→粗轧→时效退火→清洗→精轧→成品去应力退火→矫直；将铸锭在1000～1050℃温度下加热，保温时间1～5h，热轧开始温度950℃～1000℃，终轧温度≥700℃，热轧的压下率≥80％，终轧后在线喷淋冷却实现在线固溶。

8.根据权利要求7所述的铜合金带材的制备方法，其特征在于：所述半连续铸造的工艺为：将铜液温度控制在1400～1450℃，半连续铸造时水压控制在100～150KPa，拉铸速度为40～50mm/min，震动器的频率50～70次/min，振幅3～6mm。

9.根据权利要求7所述的铜合金带材的制备方法，其特征在于：所述粗轧的压下率≥80％，所述精轧的压下率≥30％。

10.根据权利要求7所述的铜合金带材的制备方法，其特征在于：所述时效退火的温度为320～360℃，保温10～15h；所述成品去应力退火温度为400～450℃。

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