CN110042274A - 一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金及其制备方法 - Google Patents

一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.3‑0.5份，镍0.1‑0.3份，磷0.05‑0.1份，钛0.1‑0.3份，锡1.5‑2.5份，铜96.7‑98.8份。相比于现有技术，本发明通过大量的筛选试验，在对合金元素组成及配比的研究中意外地发现，按照特定的用量配比，通过各添加元素之间的相互协同作用，使得铜合金整体具有非常优异的弹性性能和抗应力松弛性能，从而制得的铜合金材料非常适合于加工成插套。本发明铜合金的弹性模量最高可达到127GPa；抗应力松弛率最低可达到9.5%。

Description

一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金材料领域，特别涉及一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金及其制备方法。
背景技术
高弹性铜基材料广泛应用于电器接插件、弹簧、开关、触头等各种弹性元件领域及电子、通讯、仪表等工业领域。目前，高弹性铜基材料以铍青铜、锡磷青铜等材料为主。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；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；鉴于以上原料价格高、生产工艺复杂等原因，国内外材料工作者一直致力于研究铍青铜、锡磷青铜的替代品。但迄今为止，现有技术中公开的铜合金的弹性性能与铍青铜、锡磷青铜等比较，普遍存在弹性性能较差的缺陷。
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，现有技术已经公开了一些铜合金的技术方案，例如公布号为CN 107541613A的中国专利申请，公开了一种铜合金及其制备方法和应用，按重量份数计：铅0.2-0.8份，镍0.5-1.2份，磷0.01-0.2份，钛0.01-0.5份，锡0.05-0.5份，铜96.7-98.8份。其合金含铜量大于97％，综合采用了时效强化，变形强化，微量元素合金化强化方法，获得了高强度，高导电合金材料。但是，经该铜合金的弹性性能和抗应力松弛性能过低，达不到插套用铜合金的要求。因此，研究出一种弹性性能好、应用于插套的铜合金具有很高市场前景。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高弹性模量、抗应力松弛性能好的铜合金材料及其制备方法。为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.3-0.5份，镍0.1-0.3份，磷0.05-0.1份，钛0.1-0.3份，锡1.5-2.5份，铜96.7-98.8份。
优选地，一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.3份，镍0.3份，磷0.05份，钛0.3份，锡1.5份，铜98.8份。
优选地，一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.5份，镍0.1份，磷0.1份，钛0.1份，锡2.5份，铜96.7份。
优选地，一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.4份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.0份，铜97.5份。
本发明所述的高弹性模量、抗应力松弛的铜合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）按所述重量份准备原料；
（2）将铜加入熔化炉内，待温度升到1220-1300℃时，加入镍、铅、钛，保温15-30分钟，然后加入磷和锡，将温度升至1250-1350℃，静置保温20-30分钟；
（3）在浇铸温度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，加热至870℃后进行热轧，终轧温度要求大于680℃，当热轧至厚度5.5mm时立即进行水冷至100℃以下，酸洗后冷轧至厚度1.6mm；随后将冷轧后的材料在600℃退火2小时，酸洗后继续冷轧至厚度0.75mm，随后将冷轧后的材料在480℃退火3小时，酸洗后冷轧至成品0.6mm厚度，随后将冷轧后的材料在300℃退火4小时。
相比于现有技术，本发明通过大量的筛选试验，在对合金元素组成及配比的研究中意外地发现，按照特定的用量配比，通过各添加元素之间的相互协同作用，使得铜合金整体具有非常优异的弹性性能和抗应力松弛性能，从而制得的铜合金材料非常适合于加工成插套。本发明铜合金的弹性模量最高可达到127GPa；抗应力松弛率最低可达到9.5%。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.3份，镍0.3份，磷0.05份，钛0.3份，锡1.5份，铜98.8份。
所述铜合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）按所述重量份准备原料；
（2）将铜加入熔化炉内，待温度升到1250℃时，加入镍、铅、钛，保温30分钟，然后加入磷和锡，将温度升至1350℃，静置保温30分钟；
（3）在浇铸温度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，加热至870℃后进行热轧，终轧温度要求大于680℃，当热轧至厚度5.5mm时立即进行水冷至100℃以下，酸洗后冷轧至厚度1.6mm；随后将冷轧后的材料在600℃退火2小时，酸洗后继续冷轧至厚度0.75mm，随后将冷轧后的材料在480℃退火3小时，酸洗后冷轧至成品0.6mm厚度，随后将冷轧后的材料在300℃退火4小时。
实施例2：
一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.5份，镍0.1份，磷0.1份，钛0.1份，锡2.5份，铜96.7份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
实施例3：
一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.4份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.0份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
对比例1：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.3份，镍0.6份，磷0.1份，钛0.1份，锡0.08份，铜98.62份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例3。
对比例2：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.4份，镍1.0份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.0份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例3。
对比例2与实施例3的唯一不同之处在于，提高镍的用量。
对比例3：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.4份，镍0.05份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.0份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例3。
对比例3与实施例3的唯一不同之处在于，降低镍的用量。
对比例4：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.4份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.2份，锡0.3份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
对比例4与实施例3的唯一不同之处在于，降低锡的用量。
对比例5：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.4份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.8份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
对比例5与实施例3的唯一不同之处在于，提高锡的用量。
对比例6：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.8份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.8份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
对比例6与实施例3的唯一不同之处在于，提高铅的用量。
对比例7：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.2份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.8份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
对比例7与实施例3的唯一不同之处在于，降低铅的用量。
对比例8：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.8份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.5份，锡2.8份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
对比例8与实施例3的唯一不同之处在于，提高钛的用量。
对比例9：
一种铜合金，由如下重量份的原料制成：铅0.8份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.01份，锡2.8份，铜97.5份。
所述铜合金材料的制备方法同实施例1。
对比例9与实施例3的唯一不同之处在于，降低钛的用量。
本发明实施例1-3与对比例1-9制得的铜合金的性能对比试验：
（1）按照GB/T 22315-2008《金属材料 弹性模量和泊松比试验方法》测试铜合金的弹性模量。
（2）按照GB/T 10120-2013《金属材料 拉伸应力松弛试验方法》规定的试验方法，测试铜合金在70℃温度下的抗应力松弛率。
测试结果见表1所示。
表1
从表1测试结果可以看出，本发明实施例1-3的铜合金具有非常优异的弹性性能和抗应力松弛性能；同时，通过对比例1-9和实施例1-3的组分含量差异所带来的性能影响，可知，本发明的铜合金通过选择铅、镍、磷、钛、锡、铜这六种元素按照特定的重量配比，制得的铜合金相比于现有技术具有超出预料的弹性性能和抗应力松弛性能。尤其是，实施例3作为本发明最优的技术方案，显示出当原料重量份为铅0.4份、镍0.2份、磷0.08份、钛0.2份、锡2.0份、铜97.5份时，铜合金具有最高的弹性模量和最低的抗应力松弛率，大大超出了本领域技术人员的预期。而不在本发明铜合金元素重量份数值范围的对比例1-9，由于铅、镍、钛和锡的用量变化导致铜合金元素之间不能发挥最大的协同作用，因此均不具有较好的弹性模量和抗应力松弛率。

Claims (5)

1.一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，其特征在于，由如下重量份的原料制成：铅0.3-0.5份，镍0.1-0.3份，磷0.05-0.1份，钛0.1-0.3份，锡1.5-2.5份，铜96.7-98.8份。
2.根据权利要求1所述的一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，其特征在于，由如下重量份的原料制成：铅0.3份，镍0.3份，磷0.05份，钛0.3份，锡1.5份，铜98.8份。
3.根据权利要求1所述的一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，其特征在于，由如下重量份的原料制成：铅0.5份，镍0.1份，磷0.1份，钛0.1份，锡2.5份，铜96.7份。
4.根据权利要求1所述的一种高弹性模量、抗应力松弛的铜合金，其特征在于，由如下重量份的原料制成：铅0.4份，镍0.2份，磷0.08份，钛0.2份，锡2.0份，铜97.5份。
5.根据权利要求1-4任一项所述的铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按所述重量份准备原料；
（2）将铜加入熔化炉内，待温度升到1220-1300℃时，加入镍、铅、钛，保温15-30分钟，然后加入磷和锡，将温度升至1250-1350℃，静置保温20-30分钟；
（3）在浇铸温度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，加热至870℃后进行热轧，终轧温度要求大于680℃，当热轧至厚度5.5mm时立即进行水冷至100℃以下，酸洗后冷轧至厚度1.6mm；随后将冷轧后的材料在600℃退火2小时，酸洗后继续冷轧至厚度0.75mm，随后将冷轧后的材料在480℃退火3小时，酸洗后冷轧至成品0.6mm厚度，随后将冷轧后的材料在300℃退火4小时。
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