专利名称：一种高性能弹性铜合金及其制备和加工方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能弹性铜合金及其制备和加工方法，具体为一种铜镍硅钴合金，该铜合金具有高强度、高弹性、高疲劳性、耐热性好的特点，同时兼备了高导电性和抗应力松弛的优点，主要应用于电器接插件、弹簧、连接器、开关、触头等各类电子元件中，在很多要求高导电性的场合能够替代高弹性铍铜。
背景技术：
高性能弹性铜合金是指在就有优良的弹性的同时又兼顾高的强度、导电导热性能和优异高温性能的合金。该合金材料主要用作汽车、手机、电工、电子、电力等行业中的连接器、传感器、引线框架、导电桥等材料，还可在制作继电器和接插件元件等中代替有毒的铍青铜。铜基电子接插件材料作为特殊弹性材料，广泛用于仪器仪表、电子元件领域，随着各种装置向高可靠、小型化、长寿命方向的发展，对材料的质量、品种提出了更高的要求，例如对材料的精度、规格、抗应力松弛性能、抗冲击震动性能、可焊性等方面要求极其严格。目前接插件用铜合金主要有黄铜、锡磷青铜、科森合金(Cu-Ni-Si)、铍青铜、钛青铜、锌白铜、铁磷青铜、铜铬锆合金。按性能可分为高强合金、中强合金、低成本黄铜，其中低成本合金主要为H65简单黄铜，中高档弹性材料主要为析出强化型铜合金、调幅分解(spinodal)合金、固溶低温强化型铜合金。铜基合金材料主要用作汽车、手机、电工、电子、电力等行业中的连接器、传感器、引线框架、导电桥等材料，还可在制作继电器和接插件元件等中代替有毒的铍青铜。近年来，随着电子信息、现代通讯、交通、电力等工业发展，对高强高弹等高性能铜合金提出了更多的要求，如在室温和高温下保持高的导电、导热性，硬度好，具有良好的变形和加工能力等。以铜镍硅钴为主要元素的高性能弹性铜合金具有高强度、高弹性、高疲劳性、耐热性好，同时兼备了高导电性和抗应力松弛的优点成为了新一代的高强高弹铜合金。检索表明，美国专利No. 6506269公开了具有控制添加量的镍、钴、硅和镁或磷两者之一的铜合金。该专利介绍采用高温方法或者低温方法处理铜合金。高温方法获得的性能达不到上述强度和导电性的目标组合。当采用高温方法处理时，据报道示例性合金的导电性为51. 9% IACS，抗拉强度为709MPa ；当采用低温方法处理时，示例性合金的导电性为51. 5%IACS，抗拉强度为905MPa。但是，低温方法对铜合金实施过量的冷加工，预计会导致成型性变差和应力松弛抗力下降。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种新型高性能弹性铜合金，该合金具有高强度、高弹性、高疲劳性、耐热性好，同时兼备了高导电性和抗应力松弛的优点，能适应现代电子元件对材料的要求。本发明还在熔炼过程中解决了铸锭吸气和缩孔等铸造缺陷，和铸锭在压力加工过程中易开裂不利于后续加工处理等问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案—种高性能弹性铜合金，按照质量百分比，其基础成分包括Ni 1% 4%，SiO. 4% 1%，Co 0.5% 1.5%，其余为Cu，所述铜合金制品中的成分需要满足(a) 2. 5 彡 Ni/Si 彡 5 ； (b) 1. 4 % 彡 Ni+Si 彡 4. 0 % ； (c) 1. 5 % 彡 Ni+Co ^ 4 % ；(d) 1 彡(Ni+Si)/Co 彡 5. 0。一种优选的技术方案，其特征在于所述铜合金中还包含选自Mg、Ag、Sn和RE中的至少一种微合金化附带元素，其含量为Mg 0. 0. 3%，Ag 0. 1%，Sn 0. 1 %, RE (稀土元素)0. 01 % 0. 1 %，总量应满足 0. 01 % 彡 Mg+Ag+Sn+RE 彡 0. 5 %。所添加元素的作用镍和钴镍和钴与硅结合，形成对时效硬化有效的硅化合物，抑止晶粒长大和提高抗应力松弛能力。镍的含量应控制在 4%。当镍的含量低于时，上述益处不明显。当镍的含量超过4%时，电导率和加工性能下降。钴的含量应控制在0. 5% 1. 5%，当钴的含量低于0.5%时，不能充分析出钴的硅化物第二相粒子，所述益处也不明显。当钴的含量超过1. 5%时，会导致析出钴的硅化物第二相粒子过多，影响合金的加工性能。硅在本发明中，硅和镍、钴会形成硅化物第二相强化粒子来提高合金的强度。硅的含量应控制在0. 4% 1%。当硅含量低于0. 4%时，合金经过时效后析出的硅化物第二相粒子过少，不能完全提高合金的强度。当硅含量高于时，会使合金的电导率和加工性能下降。镍硅比及(镍+硅)/钴镍硅比对合金的强度及电导率影响较大，当镍硅比小于2. 5时，电导率明显下降，合金强度也处于一个较低的水平；镍硅比大于5时，电导率处于平衡，但合金的强度会呈缓慢下降的趋势。而当(镍+硅)/钴处于优选方案中时，合金具有较好的电导率和强度。镁、银、锡和稀土 本发明的特点之一是添加一些微量元素(各元素含量均低于1%)来提高合金的性能。添加镁、锡等元素能提高合金的铸造质量，增加合金的流动性，提高合金的加工性能。添加银能提高合金的抗应力松弛能力。稀土能净化合金，提高合金的电导率、强度以及局部抗应力腐蚀。稀土的添加量应控制在0.01% 0. 1%。若稀土含量低于0. 01%，上述益处不明显。若稀土含量高于0. 1%，其作用和杂质一样，会影响合金的各项性能。本发明的另一目的是提供一种上述的新型铜镍硅钴高性能弹性铜合金的制备方法和加工方法。为实现上述目的，采取以下技术方案一种高性能弹性铜合金的制备和加工方法，包括以下工艺流程a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.铣面，c.热轧，d.固溶处理，e.冷加工，f. 一次时效，g.冷加工，h. 二次时效，i.酸洗，j.成品退火。步骤a中，所述投料的具体顺序为先加入铜(Cu)和镍(Ni)，熔化后，再加入硅(Si)，硅(Si)要用铜包裹入炉，出炉前加入钴粉。步骤a中，出炉前还加入铜银中间合金、铜锡中间合金、镁和/或稀土。步骤a中，所述熔炼的温度为1100 1300°C，所述浇铸的温度控制在1100 1200 "C。
步骤c中，所述热轧的温度为800 1000°C，时间为1 10h。步骤d中，所述的固溶处理的温度为900 1000°C，时间为1 釙。步骤f中，所述一次时效的温度为400 600°C，时间为1 20h，冷却方式为空冷或随炉冷却。步骤h中，所述二次时效的温度为300 500°C，时间为1 20h，冷却方式为空冷或随炉冷却。本发明的优点在于与其他弹性铜合金相比，本发明的铜镍硅钴高性能弹性铜合金无论在强度、导电性还是弹性、耐腐蚀、可加工性能方面都是非常优良的，同时还具有优良的抗应力松弛性能。并且，该合金材料的制备过程比较简单，工艺流程短，解决了熔炼铸造过程中的极易吸气从而导致铸锭内部存在大量的气孔的问题和铸锭在压力加工过程中易开裂不利于后续加工处理的问题等。应用于电器接插件、弹簧、连接器、开关、触头等各类电子元件中，在很多要求高导电性的场合能够替代高弹性铍铜。本发明的高性能弹性铜合金的抗拉强度σ b可达到780 950MPa，塑性延伸率δ为4 10%，电导率为35 55% IACS。该铜合金具有高弹性、高强度、高疲劳性、耐热性好，同时兼备了高导电性的优点。下面通过具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施例方式本发明中所述的新型高强高弹铜镍硅钴合金的制备工艺过程为a.按照质量百分比进行配料、投料及熔炼——b.铣面——C.热轧——d.固溶处理——e.冷加工——f. 一次时效——g.冷加工——h. 二次时效——i.酸洗——j.成品退火；其中，具体的投料顺序为铜(Cu) +镍(Ni)，熔化后，加入硅(Si)，其中，硅(Si)要用铜包裹入炉，出炉前加入铜银中间合金和铜锡中间合金以及镁、钴粉和稀土，用于细化晶粒和除杂。熔炼温度为1100 1300°C，浇铸温度控制在1100 1200°C;热轧温度为800 1000°C，时间为2 IOh ；固溶处理的温度为900 1000°C，时间为1 釙；第一次时效温度为400 600°C，时间为1 20h，冷却方式为空冷或随炉冷却；第二次时效温度为300 500°C，时间为1 20h，冷却方式为空冷或随炉冷却。实施例1按表1所列各元素质量百分比进行配料。将称取的电解镍和电解铜放入坩埚内，用5mm的木炭层覆盖，再用细小的石墨鳞片在木炭层上撒均勻，目的是覆盖木炭层留下的缝隙，然后用石墨板封住坩埚口 ；将坩埚放入中频炉中，快速加热，按照熔炼工艺进行熔炼；待坩埚内原料全部熔化，加入硅，用木炭、石墨鳞片、石墨板覆盖熔体和坩埚；硅完全熔化后，加入钴粉、镁，然后木炭、石墨鳞片、石墨板覆盖熔体和坩埚；熔炼温度为1250°C，搅拌，保温5min ；出炉，扒渣，铁模浇铸，浇铸温度控制在1150°C，制得该合金。表1合金各元素质量百分比
权利要求
1.一种高性能弹性铜合金，按照质量百分比，其基础成分包括Ni 4%，Si 0.4^-1%, 0.5% 1.5%，其余为Cu，所述铜合金制品中的成分需要满足(a) 2. 5 彡 Ni/Si 彡 5 ； (b) 1. 4 % 彡 Ni+Si 彡 4. 0 % ； (c) 1. 5 % 彡 Ni+Co ^ 4 % ；(d) 1 彡(Ni+Si)/Co 彡 5. 0。
2.根据权利要求1所述的高性能弹性铜合金，其特征在于所述铜合金中还包含选自Mg、Ag、Sn和RE中的至少一种元素，其含量为Mg 0.1% 0.3%，Ag 0. l%，Sn0. 1%，RE 0. 01% 0. 1%，总量应满足 0. 01%^ Mg+Ag+Sn+RE 彡 0. 5%。
3.—种如权利要求1或2所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，包括以下工艺流程a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.铣面，c.热轧，d.固溶处理，e.冷加工，f. 一次时效，g.冷加工，h. 二次时效，i.酸洗，j.成品退火。
4.根据权利要求3所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，其特征在于步骤a中，所述投料的具体顺序为先加入Cu和Ni，熔化后，再加入Si，Si要用铜包裹入炉，出炉前加入钴粉。
5.根据权利要求4所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，其特征在于步骤a中，出炉前还加入铜银中间合金、铜锡中间合金、镁和/或稀土。
6.根据权利要求3所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，其特征在于步骤a中，所述熔炼的温度为1100 1300°C，所述浇铸的温度控制在1100 1200°C。
7.根据权利要求3所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，其特征在于步骤c中，所述热轧的温度为800 1000°C，时间为1 10h。
8.根据权利要求3所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，其特征在于步骤d中，所述的固溶处理的温度为900 1000°C，时间为1 釙。
9.根据权利要求3所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，其特征在于步骤f中，所述一次时效的温度为400 600°C，时间为1 20h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
10.根据权利要求3所述的高性能弹性铜合金的制备和加工方法，其特征在于步骤h中，所述二次时效的温度为300 500°C，时间为1 20h，冷却方式为空冷或随炉冷却。
全文摘要
本发明涉及到一种高性能弹性铜合金及其制备和加工方法，按照质量百分比，该合金的基础成分包括Ni1％～4％，Si 0.4％～1％，Co 0.5％～1.5％，其余为Cu，所述铜合金制品中的成分需要满足(a)2.5≤Ni/Si≤5；(b)1.4％≤Ni+Si≤4.0％；(c)1.5％≤Ni+Co≤4％；(d)1≤(Ni+Si)/Co≤5.0。它的制备和加工方法包括a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.铣面，c.热轧，d.固溶处理，e.冷加工，f.一次时效，g.冷加工，h.二次时效，i.酸洗，j.成品退火。本发明铜合金的抗拉强度σb为780～950MPa，塑性延伸率δ为4～10％，电导率为35～55％IACS。该铜合金具有高弹性、高强度、高疲劳性、耐热性好，同时兼备了高导电性的优点。
文档编号C22C1/03GK102560191SQ20101059353
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者付垚, 熊柏青, 程磊, 米绪军, 肖翔鹏, 谢水生, 黄国杰 申请人:北京有色金属研究总院