本发明涉及民用电工领域插座、转换器和开关中插套用新型铜合金材料，具体涉及一种插套用高性能铜合金材料及制造方法。
背景技术：
：锡磷青铜是应用最广泛的弹性铜合金，通过锡元素固溶强化和冷加工硬化可获得较高的机械性能，同时具有较高的延伸率，易于加工成复杂形状的弹性元件。由于锡原子半径与铜原子半径尺寸相差较大，锡固溶造成的晶格失配度大，导致锡磷青铜形变硬化率非常高，因此在冷加工生产过程中中间退火次数多，生产周期较长；另锡元素、磷元素显著降低铜的导电率，一般锡4-9％、磷0.1-0.25％含量的锡磷青铜导电率偏低，介于11％至19％iacs之间；加之锡为贵金属、价格偏高，故锡磷青铜的成本也一直居高不下；鉴于以上原因材料工作者一直致力于研制低锡或无锡铜合金来代替锡磷青铜。插套是插座中载流核心部件，冲制插套的材料通常采用铜合金，其性能指标一般要求如下：抗拉强度在490-540mpa、屈服强度470-510mpa、延伸率≥10％、硬度hv150-170；当材料力学性能过高时，材料冲压困难、尺寸不稳定；而力学性能过低时，材料虽易于冲型但降低插套插拔手感及使用寿命；因此在插套开口尺寸一定的前提下，尽量提高材料的弹性模量，改善插拔手感，一般要求材料的弹性模量≥110gpa；另在插套结构一定的前提下，还要尽量提高材料的导电率，降低插套温升，一般要求材料的导电率≥12％；插套在使用过程中承载一定的电流负载并同时存在一定量的弹性变形，因此材料必须具有良好的抗应力松弛性能，另插套在使用过程中必须能经受住数以万计次的插拔，因此材料必须具有良好的抗插拔疲劳性。目前国内外插座中插套主打材料仍是锡磷青铜，也有部分插套采用普通黄铜(如h62)和紫铜(如t2)；然而作为插套材料的普通黄铜、紫铜以及锡磷青铜都存在不足，如黄铜、紫铜的抗应力松弛特性较差、疲劳寿命低；而锡磷青铜成本高、导电率偏低。现有的先进铜合金材料也多有报道，如现有技术提及了一种强度、屈服强度、延伸率及导电性优异且具有良好弯曲加工性能的电气元件用铜合金材料，该铜合金具有抗拉强度大于等于700mpa，延伸率大于等于10％，导电率大于等于40％iacs。其制造方法包括：第1冷轧工序，形成铜合金原料后，将铜合金原料冷轧至目标最终板厚的1.1-1.3倍厚度；第1热处理工序，将第1冷轧后的材料加热至700-850℃后，以每分钟25℃以上的速度冷却至300℃以下；第2冷轧工序，将第1热处理后的材料冷轧至目标最终板厚；第2热处理工序，将第2冷轧后的材料加热至400-500℃，保持0.5-3小时。详细工艺流程可见附图1。但是按该合金材料成分配比和加工工艺，所获得材料的抗拉强度太高、应用于插套将会导致插套的成型加工困难；此外该合金在制造过程其第2冷轧工序的冷加工率仅仅约17％，加工率太小，不利于镍硅、镍磷化合物的析出，显著降低材料弹性模量和抗应力松弛特性。又如现有技术公开一种强度、弯曲性及耐应力松弛特性都优异的cu-zn-sn-ni-p系合金，其含有质量3％以上的、原料费相比cu、ni较便宜的zn，同时允许含有混入到铜屑中的sn；其以质量％计含有sn：0.2-0.8％、zn：3-18％、ni：0.3-1.2％、p：0.01-0.12％，剩余部分包含cu及不可避免的杂质，晶体粒径为1μm以上且10μm以下，将来自(220)面的x射线衍射强度设为i(220)，将来自(311)面的x射线衍射强度设为i(311)且将纯铜粉末标准试样来自(220)、(311)面的x射线衍射强度分别设为i0(220)，i0(311)时，满足i(220)/i0(220)≤3.0且i(311)/i0(311)≤0.5；且cu-zn-sn-ni-p系合金的抗拉强度为540mpa以上，沿轧制方向的应力松弛率最高达25％。该专利材料沿轧制方向的应力松弛性能较差，其应力松弛率最高能达到25％；而且按其搭配的合金成分及制造方法，该合金材料的抗拉强度也偏高，不利于插套的成型加工。技术实现要素：本发明针对上述现有技术的不足，提供一种强度适中、屈强比高以及弹性模量、导电率、抗应力松弛等综合性能优异的插套用高性能铜合金材料。为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：一种插套用高性能铜合金材料，该材料包含：0.5-2.0质量％的ni，0.5-2.0质量％的sn，0.15-0.5质量％的si，2.0-12.0质量％的zn，0.03-0.10质量％的p，余量是铜和不可避免的杂质。在一个实施方案中，本发明的插套用高性能铜合金材料，该材料包含：0.5-2.0质量％的ni，0.5-2.0质量％的sn，0.15-0.5质量％的si，2.0-12.0质量％的zn，0.03-0.10质量％的p；其中ni的质量与si和p的合计质量之比3.2-4.5，余量是铜和不可避免的杂质。在一个实施方案中，本发明的插套用高性能铜合金材料，该材料包含：0.5-2.0质量％的ni，0.7-1.5质量％的sn，0.2-0.45质量％的si，4.0-10.0质量％的zn，0.03-0.08质量％的p；其中ni的质量与si和p的合计质量之比3.2-4.5，余量是铜和不可避免的杂质。为了解决上述技术问题，作为本发明的插套用高性能铜合金材料，另一个技术方案为：一种插套用高性能铜合金材料，该材料包含：0.5-2.0质量％的ni，0.5-2.0质量％的sn，0.15-0.5质量％的si，2.0-12.0质量％的zn，0.03-0.10质量％的p，总量不超过1.0质量％的选自cr、zr、la和ce中的至少一种，余量是铜和不可避免的杂质。在一个实施方案中，所述的cr、zr、la和ce中的至少一种在插套用高性能铜合金材料中的添加量为0.01-1.0％。在一个实施方案中，所述的cr、zr、la和ce中的至少一种在插套用高性能铜合金材料中的添加量为0.05-0.65％。本发明上述的插套用高性能铜合金材料中添加了选自cr、zr、la和ce中的至少一种元素，添加总量不超过1.0质量％的范围，因为这样通过改善材料的组织状态如cr或zr显著细化晶粒、la或ce显著净化铜合金的晶界，因此可以获得更好的特性。这些元素分别具有进一步改善抗应力松弛特性、弹性和导电性能的作用，但是，其合计含量不足0.0l质量％时，其产生的效果不显著，超过1.0质量％时，提升效果并不显著且显著增加材料的成本，尤其cr、zr在铜合金熔炼铸造过程中会产生显著增加熔体粘度、降低铸造性。因此cr、zr和la、ce的组成范围规定为合计0.0l-1.0质量％，更优选规定为0.05-0.65质量％。本发明要解决的另一个技术问题是提供上述插套用高性能铜合金材料的制造方法，工序包括：在熔炼、铸造形成上述配方成分的合金铸锭后，进入热轧工序，第一次冷轧，第一次退火，第二次冷轧，第二次退火，第三次冷轧然后成品退火；其中热轧工序的总加工率大于90％，三次冷轧工序中第一次冷轧工序以大于60％小于90％的总冷加工率进行轧制、第二次冷轧工序以45％-75％的总冷加工率冷轧至留底厚度，第三次冷轧工序以15％-35％总冷加工率冷轧至最终厚度。本发明上述的插套用高性能铜合金材料的制造方法，其中热轧工序，具体为对形成的铜合金原料进行热轧开坯，加热至温度850℃-900℃并保温一定时间，保证整个铸锭温度均匀一致，出炉开始热轧，热轧总加工率大于90％，热轧总加工率要足够大原因是为消除铸锭的粗大柱状晶组织，有利于铸锭成份的均匀化、合金元素的固溶；终轧温度大于680℃且热轧后立即水冷至100℃以下，一是为了获得均匀的晶粒组织，二是可以使ni、si、p元素固溶于基体中、减少析出的第二相颗粒。本发明上述的插套用高性能铜合金材料的制造方法，其中第一次冷轧工序以大于60％小于90％的总冷加工率进行轧制，实际上第一次冷轧工序要尽量利用材料的塑性，冷加工至材料极限厚度(能接受的裂边深度小于5mm为准)。这样，在后续的第一次退火工序中，由于冷加工造成材料严重的塑性变形就会在材料内部储存很大的晶格畸变能，有益于产生再结晶，同时，再结晶后可以得到大小均匀一致的晶粒组织。本发明上述的插套用高性能铜合金材料的制造方法，其中第一次退火工序：以大于等于20℃/分的升温速率，迅速升温至550℃-650℃，保温1-4小时。第一次冷轧工序的严重的塑性变形必然形成严重的轧制织构，为了消除轧制织构以及改善材料垂直轧制方向的性能，要消除轧制织构需要高于再结晶温度约200℃的温度，在此温度下极易造成材料组织粗化及晶粒的异常长大，因此必须保证退火温度与保温时间完美搭配，既要消除轧制织构，又不能使晶粒组织粗化；另外该过程对升温速率也要求较高，若升温速率慢，在再结晶温度至实际退火温度之间时，材料导致异质形核数量较少，容易导致再结晶晶粒的异常长大，因此需要尽可能快的升温速率，使异质形核数量增多，尽量抑制异常长大，促使再结晶晶粒组织均匀一致。本发明上述的插套用高性能铜合金材料的制造方法，其中第二次冷轧工序以45％-75％的总冷加工率冷轧至留底厚度；在第二次冷轧工序中，对第一次退火后的铜合金材料进行冷轧，直至留底板厚；本工序是为第二次退火工序实现第二相析出准备条件，因为要形成均匀微细的析出物材料内部必须满足第二相析出的三个基本条件：一是成分起伏，这个材料本身都存在微区成分不均匀现象；二和三分别是结构起伏和能量起伏，这就需要对材料施加一定量的冷变形，从而在材料内部获得结构起伏和能量起伏。第2冷轧工序的总冷加工率控制在45％-75％，有利于镍硅、镍磷化合物的析出，进而有助于提高材料弹性模量和抗应力松弛特性。本发明上述的插套高性能铜合金材料的制造方法，其中第二次退火工序：以大于等于20℃/分的升温速率，迅速升温至450℃-550℃，保温2-4小时；优选的，迅速升温至480-520℃，保持2-3小时；在第二次退火工序中，进行软化基体以及第二相析出退火处理，将第二次冷轧后的铜合金材料加热至450-550℃，保持2-4小时，更优选的是，加热至480-520℃，保持2-3小时；这样ni与si、p形成化合物，在铜合金基体中以微小形状弥散析出，可以兼具高的抗应力松弛特性和优异的导电性。如果处理的条件比规定范围的“450-550℃，2-4小时”的温度高、时间长，析出物粗大化，抗应力松弛性能会显著下降；反之，如果温度低、时间短，析出不能充分地进行，则导电率会显著下降。另外该过程对升温速率也要求较高，若升温速率慢，第二相异质形核数量较少，容易导致析出第二相颗粒的异常长大，因此需要尽可能快的升温速率，使异质形核数量增多，尽量抑制第二相颗粒异常长大，促使第二相细小颗粒均匀一致地弥散析出。本发明上述的插套用高性能铜合金材料的制造方法，其中成品退火工序：以5-10℃/分的升温速率，缓慢升温至250℃-350℃，保温3-6小时；以充分消除铜带内部的残余应力，同时有利于提高材料的抗应力松弛特性。本发明上述的插套用高性能铜合金材料性能可以实现：抗拉强度在480-550mpa之间、屈强比大于等于93％(屈服强度按rp0.2计算)、延伸率大于等于12％、弹性模量大于等于120gpa、导电率大于等于30％iacs、沿轧制方向应力松弛率小于等于15％。且具有上述的优异性能的同时材料成本比以往插套材料(如锡青铜c5191)显著降低。以下说明本发明插套用铜合金材料的合金成分的添加原因和限定理由：ni与si、p一起添加，通过巧妙设计其含量与加工工艺，显著提高材料的抗应力松弛性能；首先通过合金元素的搭配，使合金的再结晶软化温度小于等于450℃；在第2冷轧工序时给合金施加一个合适的冷加工率，为第二次退火工序准备组织条件；合金在第二次退火工序时选择合适的退火工艺，达到既能软化合金基体为第三次冷轧准备组织条件的目的，同时又能使第二相颗粒充分析出提高材料的抗应力松弛、耐疲劳以及导电率等性能。巧妙设计合金成分及与之相匹配加工工艺会促使镍硅化合物、镍磷化合物在材料中弥散析出，弥散析出来第二相化合物主要用来提高抗应力松弛性；这是因为材料发生应力松弛现象是通过位错的运动实现的，而位错通过第二相颗粒主要有两种机制：1、当第二相颗粒与基体共格时，位错主要以切过机制通过第二相颗粒2、当第二相颗粒与基体不共格时，位错主要以绕过机制通过第二相颗粒，不论以哪种方式第二相镍硅化合物、镍磷化合物均对位错的运动起阻碍作用。而在本实施方式中，添加与铜原子半径相差较大的锡元素，通过锡的固溶引起较大的晶格畸变，达到进一步提高材料抗应力松弛的目的，这是由于晶格畸变也对位错的运动起阻碍作用；位错运动的本质就是原子的扩散，晶格畸变提高了原子扩散的激活能，故原子扩散变得困难，因此锡元素固溶引起较大的晶格畸变也能进一步提高材料的抗应力松弛性能。除此之外，本专利引入了便宜金属元素锌，目的是扩大液固两相的温差、增加熔体流动性、以改善合金的铸造特性和降低该合金系的成本。硅的添加量少于0.15质量％时，不能形成足够多的硅镍化合物，得不到令人满意的抗应力松弛特性，添加超过0.6质量％时，会显著降低导电性能，同时在铸造时或铸造后的热加工中容易因富硅化合物的析出而产生热裂纹。因此硅的组成范围规定为0.15-0.6质量％；更优选规定为0.2-0.45质量％。p的添加量少于0.03质量％时，不能形成有效的p化合物；添加超过0.15质量％时，显著降低电导率的同时，也会在铸造后的热加工中容易因富磷化合物的析出而产生热裂纹。因此，p的组成范围规定为0.03-0.10质量％，更优选规定为0.03-0.08质量％。对于该si和p的组成范围，为了有效地形成化合物，并兼优异的抗应力松弛特性和高导电性，根据cu-ni-si的相关专利需要使ni的组成范围规定为0.5-2.0质量％，并且使ni质量与si和p的合计质量之比ni/(si+p)规定为3.2-4.5。反之，超过组成范围的上限时，多余的ni固溶到铜中，降低导电率。另外，ni计量不到si和p的合计量的4倍时，在形成化合物时si和p过剩，多余的si和p固溶到铜中，显著降低导电率。除了上述组成以外，还含有0.5-2.0质量％的sn和2.0-12.0质量％的zn，sn对于提高材料的抗应力松弛性能、弹性具有很大的效果，同时还具有改善材料的耐磨损性能作用，对于插套用材料是有效的添加元素。但是，其含量不足0.5质量％时，效果不明显；超过2.0质量％时，则显著降低导电率、材料成本明显增加。因此sn的组成范围规定为0.5-2.0质量％，更优选地规定为0.7-1.5质量％。zn的添加主要是扩大液固两相的温差、增加熔体流动性、以改善合金的铸造特性和显著降低该合金体系的成本；虽然zn的添加同时也降低了材料抗应力松弛性能，但是通过sn、ni、si、p的加入可以显著提高材料的抗应力松弛性能，弥补了锌带来的不足。因此其量的选取需要平衡材料性能与成本，因此zn的组成范围规定为2.0-12.0质量％，更优选地规定为4.0-10.0质量％。附图说明图1现有合金材料制造工艺流程图。图2本发明铜合金制造工艺流程图。具体实施方式下面通过具体实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。本发明的具体铜合金制造工艺流程图可以参考附图2所示，具体的操作步骤通过如下实施例进行说明。实施例1以t2电解板为主原料，在中频感应熔炼炉中熔炼具有ni：1.0质量％，sn：1.0质量％，si：0.22质量％，p：0.06质量％，zn：4.5质量％组成的铜合金；在浇铸温度约1200℃下，铁模铸造厚度75mm×宽度125mm×长度450mm铸锭。将铸锭平均每面进行铣削2.5mm、切头去尾后，按照以下的顺序进行热轧、第1冷轧、第1退火、第2冷轧、第2退火、第3冷轧、成品退火后制得板厚0.6mm的试样。将机械加工后的毛坯加热至870℃后进行热轧，终轧温度要求大于680℃，当热轧至尺寸：厚度5.5mm时立即进行水冷至100℃以下，酸洗后冷轧至厚度1.6mm(第1冷轧)；随后将冷轧后的材料在600℃退火2小时(第1退火)，酸洗后继续冷轧至0.75mm厚(第2冷轧)，随后将冷轧后的材料在480℃退火3小时(第2退火)，酸洗后冷轧至成品0.6mm厚度(第2冷轧)，随后将冷轧后的材料在300℃退火4小时(制得试样no.1)。针对上述制造的试样no.1，测定了抗拉强度、屈服强度rp0.2、延伸率、弹性模量、导电率、抗应力松弛率等性能。0.6mm厚度铜带的抗拉强度、屈服强度rp0.2、延伸率，按照gb/t228.1中规定的方法测定；0.6mm厚度铜带的导电率，按照gb/t351中规定的方法测定；0.6mm厚度铜带的弹性模量，按照gb/t22315中规定的方法测定；0.6mm厚度铜带的在70℃温度下抗应力松弛率，按照gb/t10120中规定的方法测定。测试的结果见下表2：实施例与对比例的合金性能。由表2可得实施例1厚度0.6mm铜带抗拉强度：510mpa、屈服强度rp0.2：486mpa、延伸率：16％、弹性模量：125gpa、导电率：35％iacs、抗应力松弛率：11％，获得具有优异综合性能的材料，实现了本发明目的。实施例2-15实施例2-15与实施例1(试样no.1)按照相同的工艺操作，浇铸表1no.2-no.9所示组成成分的铜合金铸锭，按照与实施例1(试样no.1)同样的加工工序加工成厚度0.6mm的铜带试样。将上述no.2-no.10试样与实施例1以相同测试方法测定抗拉强度、屈服强度rp0.2、延伸率、弹性模量、导电率、抗应力松弛率等性能。测定的结果见表2：实施例与对比例的合金性能。由表2可得试样no.2-no.15也都同时具有符合本发明的良好综合性能；另还可得试样no.9-no.11是向no.1的组成中分别添加0.2质量％的cr、0.1质量％的ce及同时添加0.2质量％的cr和0.1质量％的ce的试样，与no.1相比均得到更高的屈服强度和更低的抗应力松弛率，作为非必要的添加成分对性能的提升虽不显著，但确是有效的。其中试样no.2-no.4是相对no.1增加ni、sn含量，材料各项性能除导电率、延伸率降低以外，相对no.1其他性能均有提升；试样no.5相对no.1增加zn含量，材料的各项性能相对no.1均明显下降；试样no.6-no.8相对no.5增加ni、sn含量，材料的各项性能与试样no.5相比，除了导电率、延伸率降低以外，其他性能均有提升。本专利规定的合金元素有sn、ni、si、p、zn，其中sn、ni是对弹性有益的元素；si、p既是对弹性有益的元素，同时又是对改善材料铸造工艺性能有益的元素；zn是改善材料铸造工艺性能主要添加元素，但是却明显降低材料的弹性性能。因此实施例12-15研究了有益、有害元素搭配，在对性能最不利条件下的材料各项性能，其指标均达到本专利要求。虽然实施例2-15的性能随成分变化，在一定范围内波动；但是任意一组试样均能达到本发明所描述的效果(合金的抗拉强度在480-550mpa之间、屈强比大于等于93％(屈服强度按rp0.2计算)、延伸率大于等于12％、弹性模量大于等于120gpa、导电率大于等于30％iacs、沿轧制方向应力松弛率小于等于15％)。对比例16-23对于本发明的材料，列举比较例说明其合金组成的限定理由。对比例16-23与实施例1(试样no.1)按照相同的工艺操作，浇铸表1no.16-no.23所示组成成分的铜合金铸锭，按照与实施例1(试样no.1)同样的加工工序加工成厚度0.6mm的铜带试样。将上述no.16-no.23试样与实施例1以相同测试方法测定抗拉强度、屈服强度rp0.2、延伸率、弹性模量、导电率、抗应力松弛率等性能。测定的结果见表2：实施例与对比例的合金性能。试样no.16、no.17是sn的含量在本专利规定范围以外的例子；试样no.16的sn含量偏少，此时虽然导电率良好，但强度、抗应力松弛性能变差；试样no.17是sn含量过多，此时虽然强度、抗应力松弛性能略有提高，但导电率、弹性模量显著变差，另锡元素属于贵金属、价格高，导致合金成本显著增加。试样no.18、no.19是ni的含量在本专利规定范围以外的例子；试样no.18的ni含量偏少，此时仅导电率变好，其他性能均变差；试样no.19是ni含量过多，此时仅导电率变差，其他性能显著变好，另镍元素价格相对较高，导致合金成本略有增加。试样no.20、no.21是zn含量在本专利规定范围以外的例子；试样no.20的zn含量偏少，此时由于锌含量偏少，扩大合金相图液固两相温差的作用不足，故合金固液相线间距小，导致合金的铸造性能较差，表现为铸锭表面质量较差；虽然该合金的性能较no.1均明显变好，但是生产工艺难度大，同时成本增加较多，不如no.1合金性价比高；试样no.21是zn含量过多，虽然合金成本较低，此时该合金仅强度略有提高，其他性能较no.1显著变差。试样no.22、no.23分别是相对实施例1，不含p和si的对比例；试样no.22的屈服强度及屈强比显著降低，抗应力松弛率也略有下降；试样no.23的屈服强度显著降低、弹性模量略有降低、抗应力松弛率显著恶化。由于以上对比例成分不在本专利规定范围以内，其综合性能均达不到本发明专利的要求，故不可取。表1实施例与对比例的合金组成成分表2实施例与对比例的合金性能通过上述实施例和对比例的试验数据可以得出：作为一款民用电工领域插套用新型铜合金，该款合金具有以下两个显著的有益效果：1、该合金含有0.5-2.0质量％的ni，0.5-2.0质量％的sn，0.15-0.5质量％的si，2.0-12.0质量％的zn，0.03-0.10质量％的p、还可以添加总量不超过1.0质量％的选自cr、zr、la和ce中的至少一种，余量是铜和不可避免的杂质；从该合金成分可知：同时含有ni、sn、zn三种元素，可以以铜加工行业难以处理的镀镍、镀锡的锡磷青铜与普黄铜为原料，因此该合金的原材料来源广且价格相对较低，同时也为铜加工行业难以处理的镀镍、镀锡的锡磷青铜、普黄铜提供了一种行之有效的解决办法。2、本发明可以得到抗拉强度在480-550mpa之间、屈强比大于等于93％(屈服强度按rp0.2计算)、延伸率大于等于12％、弹性模量大于等于120gpa、导电率大于等于30％iacs、沿轧制方向应力松弛率小于等于15％等性能优异的插套用铜合金材料，且材料成本较低；高性能就体现在沙果能手各种性能参数得获得；以本发明实施例1例来说明，本发明实施例1与插套现用主流材料c5191的成分与性能对比下表3、表4。表3实施例1与插套现用主流材料c5191的成分对比元素nisnznsip其他cu材料成本实施例1.01.04.50.220.06-余量53.30元/kgc5191-6.25--0.15-余量59.02元/kg备注：2017年10月12日沪铜有色金属报价：铜53.53元/kg、锌26.45元/kg、镍89.68元/kg、锡143.50元/kg表4实施例1与插套现用主流材料c5191的性能对比通过对比，可以看出本发明的合金材料，应用于插座中的插套具有更加优越的性能。当前第1页12