CN111020283A - 插件用铜合金带材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高的强度和导电率、优异的折弯和耐应力松弛性能的插件用铜合金带材及其制备方法，该铜合金的重量百分比组成为，Si：0.1～0.5wt％，Ni：0.5～2.0wt％，Fe：0.05～1.0wt％，P：0.02～0.1wt％，Mg：0.01～0.1wt％，余量为铜及不可避免的微量杂质。在Cu基体中加入Ni、Si、Fe、P、Mg等元素，通过基体相与析出相协同实现高强度与高导电的平衡；通过控制基体相与析出相晶粒大小，使得析出相弥散分布在基体相中，提高了材料的强度，同时基体相与析出相晶粒粒径的控制，实现折弯与耐应力松弛性能的均衡，从而实现优异的综合性能。

Description

插件用铜合金带材及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金领域，具体涉及一种插件用铜合金带材及其制备方法。

背景技术

随着连接器微型化、精密化，使制作的接插件所选的铜合金带材越来越薄，但传输的信号又要越来越大，而为了接插件使用的寿命和安全性，因此对铜合金带材提出了更高的要求。即要求铜合金要较高的屈服强度(≥650MPa)和优良的导电率(≥55％IACS)，高的屈服强度能够保证接插件所需的强度，高的导电率确保接插件通过大电流时温升小；弹性高(130GPa左右)和耐应力松弛特性优良(应力松弛低于30％)，则接插件在使用过程中接触应力稳定，避免接触不良导致电流或信号传输的中断；折弯性能优良(BW方向R/t≤2)，则在加工成复杂形状的接插件时不发生开裂。

现有的接插件如锡磷青铜，由于锡磷青铜中Sn主要以固溶形式存在铜基体中，因而高Sn含量的锡磷青铜，强度较高，而导电性能较差，难以实现强度与导电率的良好匹配，如C52100、C51900，其屈服强度均在550MPa以上，而导电率低于20％IACS，无法同时满足中高端连接器、端子等电子电气部件对强度和导电性能的要求。

Cu-Ni-Si系合金(即所谓Corson合金)，如C70250由于它的导电性能(50％IACS)和屈服强度(650MPa左右)平衡比较好而广泛用于高端连接器，但其成本较高(Ni的含量在2.5wt％，而且需要经过多次时效)，因此，在一定程度制约了其应用。

本发明的此款合金带材，提供一款具有高的强度和导电率、优异的折弯性和耐应力松弛特性的铜合金带材，适合应用于高输出、低温升的接插件领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高的强度和导电率、优异的折弯和耐应力松弛性能的插件用铜合金带材及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种插件用铜合金带材，其特征在于，该铜合金的重量百分比组成为，Si：0.1～0.5wt％，Ni：0.5～2.0wt％，Fe：0.05～1.0wt％，P：0.02～0.1wt％，Mg：0.01～0.1wt％，余量为铜及不可避免的微量杂质。

本发明铜合金材料中添加一定量的Ni，Ni可通过固溶强化提升基体强度，但本发明铜合金中Ni更重要的作用是与Si形成NiSi相，NiSi相的存在保证材料导电率的条件下提升材料的屈服强度和弯曲加工性能。因此，为了使Ni与Si充分形成所需的化合物，控制Ni的添加量不应小于0.5wt％，提升强度的作用不明显，而当Ni含量高于2.0wt％，一方面原材料成本提升，另一方面，Ni全部转化为NiSi相的析出工艺相对复杂，工艺成本提升，因此本发明将Ni的含量控制在0.5～2.0wt％。

本发明铜合金材料中添加Si，一方面用于改善合金的铸造流动性，减少铸造过程中铜液的氧化，提高成型性能；另一方面，Si可与Ni形成NiSi析出相，从而对位错起到钉扎作用，减缓晶粒的再结晶过程，使晶粒细化，提高铜合金的强度。当Si的添加量不足0.1wt％时，不能形成有效的NiSi析出相，而Si的添加量超过0.5wt％时对合金导电性的不良影响增大，因此，本发明将Si的含量控制在0.1～0.5wt％。

Mg具有脱氧、脱硫以及提高合金耐应力松弛性能的效果，同时对合金的导电性影响较小，在一定程度上也可提高合金的加工硬化效果，加工硬化效果的提升有利于提升材料中的储能，提高化合物析出时的形核点。但如果Mg含量过大，易导致合金的铸造性能及弯曲加工性能下降，因此本发明将合金中Mg含量控制在0.01～0.1wt％。

单质Fe能细化铜合金晶粒及提高铜合金高温强度的效果，同时还能与P形成FeP析出相。Fe以FeP相的形态析出在提高强度的同时对导电率的影响较小，因此，本发明的Fe尽量以FeP相析出，实现合金的强度与导电率的平衡。当Fe含量大于1.0wt％时，对材料的导电性的不良影响增大，当Fe含量小于0.05wt％时，提升强度的作用不明显，因此将合金中Fe含量控制在0.05～1.0wt％。

本发明铜合金材料中添加的P一方面作为除气剂和脱氧剂使用，另一方面P与Fe形成FeP相，利用析出相粒子的热稳定性强、不易发生分解的特点，阻碍位错运动和晶界的迁移，从而强化合金。当P的添加量不足0.02wt％时，不能形成有效的化合物，添加量超过0.1wt％，不仅对导电性的不良影响增大，而且容易出现热轧开裂，增加铸造难度，因此将P的含量控制在0.02～0.1wt％。

作为优选，该铜合金的重量百分比组成还包括Zn：0.01～0.5wt％、Co：0.01～2.0wt％、Sn：0.01～0.5wt％、ER：0.001～0.5wt％、Mn：0.001～0.5wt％中的一种或者多种。

作为优选，该铜合金的基体相为Cu固溶体，第二相含有NiSi相和FeP相，其中，第二相的体积分数占比为2～5％。

本发明的铜合金主要通过时效强化来实现材料的强度，通过在铜合金基体中添加Ni、Si、Fe、P元素，通过固溶时效工艺析出NiSi相和FeP相，NiSi相和FeP相弥散分布在基体相上，第二相的弥散分布提升了基体材料的性能，Cu固溶体的基体相保证了材料具有高的导电率，基体相与第二相的协同作用保证了材料高的强度和导电率。第二相与基体相的比例控制对材料的最终性能具有重要的影响，本发明铜合金第二相的体积分数占比为2～5％，结合本发明铜合金作为插件的应用，当第二相的体积分数大于5％，材料的导电率下降明显，当第二相的体积分数小于2％时，强度的提升效果不明显，因此第二相的体积分数占比为2～5％。

作为优选，该铜合金基体相的晶粒粒径：1μm～15μm，第二相的晶粒粒径≤150nm。

铜合金基体相的晶粒粒径除影响材料的强度外对材料的折弯及耐应力松弛性能也具有重要的影响。材料的晶粒越细小，强度及折弯性能越高，但晶粒的细小对耐应力松弛性能具有不利的影响，因此，控制材料的晶粒度是平衡强度、折弯及耐应力松弛性能的重要手段，结合本发明铜合金作为插件的应用，该铜合金基体相的晶粒粒径：1μm～15μm，第二相的晶粒粒径≤150nm。

作为优选，所述Cu固溶体中Cu的含量≥95wt％。

本发明基体相为以Cu为基体，其他元素固溶与Cu的固溶体，固溶体具有一定的强度，在本发明中，Cu固溶体的存在主要是改善材料的导电性能，一方面其他元素以析出相存在可以提高材料的强度，另一方面，Cu固溶体中Cu含量越高导电率就越高，因此，本发明Cu固溶体中Cu的含量≥95wt％。

一种插件用铜合金带材的制备方法，该铜合金带材的制备流程为：熔炼→半连续铸造→加热→热轧→铣面→粗轧→中间退火→中轧→时效→精轧→成品退火，所述半连铸铸造具体参数控制为，铸造温度：1200～1400℃，一次冷却水水压0.6～0.8MPa，进水温度20～35℃，出水温度≤40℃，铸锭拉铸速度控制50～90mm/min，铸锭出结晶器温度控制在700℃～800℃，在铸锭离结晶器2000～2500mm处采用二次冷却水冷却，冷却水温度30～45℃。

通过采用一次冷却水水压0.6～0.8MPa，进水温度20～35℃，出水温度≤40℃，铸锭拉铸速度控制50～90mm/min，确保了铸锭出结晶器温度控制在700℃～800℃。铸锭出结晶器温度控制在700℃以上，避免了因铸坯冷却过程中产生铸造应力的开裂，同时利于铸造过程中的补缩，提高了铸坯的致密性，但如果出结晶器温度超过800℃时，Fe容易在铸造过程中产生局部富集，生成粗大的富铁相，富铁相直径大小超过10μm时会恶化铸坯的加工塑性和成品性能。

作为优选，所述加热工艺为，先加热至300～400℃保温5～60min，然后加热至500～700℃保温15～60min，再加热至800～900℃保温30～120min。

先加热至300～400℃保温5～60min，然后加热至500～700℃保温15～60min，首先实现了加热过程中的梯度加热，避免铸坯加热过程中铸锭表面和心部温差过大，最主要是在这个过程中铸锭析出部分的第二相NiSi相和FeP相，此过程析出的第二相在第三阶段800～900℃保温30～120min的加热过程中还能保留一小部分，这小部分析出相能让铸锭热轧过程中阻止晶粒的长大，从而达到控制热轧后带坯晶粒度≤150nm要求，进一步确保了合金材料的高强、高弹性能。

作为优选，所述的热轧工艺为：经过多道轧制，热轧的终轧温度≥650℃，热轧结束后采用在线水冷固溶。

终轧温度小于650℃时合金中的NiSi相和FeP相会大量析出长大，甚至局部析出相超过150nm，后期的在线退火及冷轧也无法消除此粗大的析出相，从而无法达到析出相(NiSi相和FeP相)协同实现高强度与高导电的平衡的作用。

作为优选，所述的中间退火工艺为，退火温度：800～950℃，退火速度：20～40m/min。

中间退火温度在800～950℃，速度：20～40m/min，能实现热轧过程中析出的少量NiSi相和FeP相等重新固溶到基体中，进一步提高了合金后期实现强化的作用，同时消除了冷轧过程中的加工硬化，利于后道冷加工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1)在Cu基体中加入Ni、Si、Fe、P、Mg等元素，通过基体相与析出相(NiSi相和FeP相)协同实现高强度与高导电的平衡；通过控制基体相与析出相晶粒大小，使得析出相弥散分布在基体相中，提高了材料的强度，同时基体相与析出相晶粒粒径的控制，实现折弯与耐应力松弛性能的均衡，从而实现优异的综合性能；

2)半连铸铸红锭技术：解决了合金凝固时的表面开裂、拉断等现象，使得半连续铸造速度提高2倍，同时确保了铸坯中第二相细小并弥散分布；

3)通过控制加热、热轧、中间退火和时效工艺，使得Ni、Si、Fe、P尽可能以NiSi相和FeP相析出，并使其弥散分布在铜基质中，实现屈服强度650～700MPa、导电率55～65％IACS，BW 90°R/t≤2及残余应力≥80％。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

选取20个实施例合金，制备工艺流程为：熔炼→半连续铸造→加热→热轧→铣面→粗轧→中间退火→中轧→时效→精轧→成品退火，具体的工艺为：

1)熔炼：按照铜合金带材的组分配比进行称料，将原材料加入熔炼炉中升温熔化，待见铜水后加入烘烤的木炭进行覆盖(覆盖厚度7～9公分)。

2)半连续铸造：将铜液温度升至1300℃开始进行半连续铸造。铸造技术采用半连续红锭铸造技术。铸造规格为：铸坯厚190mm、宽405mm。红锭铸造工艺：铸造温度：1200～1400℃，一次冷却水水压0.6～0.8MPa，进水温度20～35℃，出水温度≤40℃，铸锭拉铸速度控制50～90mm/min，铸锭出结晶器温度控制在700℃～800℃，在铸锭离结晶器2000～2500mm处采用二次冷却水冷却，冷却水温度30～45℃。

3)加热：热轧铸锭加热采用阶梯加热工艺，确保加热过程中铸锭表面和心部的温度差异不超过40℃。阶梯加热工艺：先加热至310℃保温25min，然后加热至580℃保温30min，再加热至870℃保温60min。

4)热轧：热轧后厚度为12～13mm，宽度控制在460～470mm，热轧的终轧温度控制在680℃，同时热轧结束后采用在线水冷固溶。

5)铣面：铣面是指12～13mm厚铸坯离线铣面，上下各铣0.5～0.7mm。

6)粗轧：采用4辊粗轧机，经过多道轧制后，终轧厚度为1.00±0.008mm。

7)中间退火：退火温度：800～950℃，退火速度：20～40m/min。

8)中轧：采用四辊精轧，中轧后厚度为0.15±0.003mm。

9)时效：时效温度450℃，保温时长7h。

10)精轧：轧辊粗糙度Ra≤0.1μm，Rmax≤0.8μm。精轧后厚度为0.08±0.002mm。

11)成品退火：退火温度160℃，保温时长7h。

表面清洗及表面研磨抛光、拉弯矫直、成品分条、检验、包装。

对比例为C51900。

对于制备得到的20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、折弯性能和耐应力松弛性能。

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。

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。

耐应力松弛性能测试：初始应力为80％的屈服强度，测试环境温度150℃，保温240h。

Claims (9)

1.一种插件用铜合金带材，其特征在于，该铜合金的重量百分比组成为，Si：0.1～0.5wt％，Ni：0.5～2.0wt％，Fe：0.05～1.0wt％，P：0.02～0.1wt％，Mg：0.01～0.1wt％，余量为铜及不可避免的微量杂质。

2.根据权利要求1所述的插件用铜合金带材，其特征在于，该铜合金的重量百分比组成还包括Zn：0.01～0.5wt％、Co：0.01～2.0wt％、Sn：0.01～0.5wt％、ER：0.001～0.5wt％、Mn：0.001～0.5wt％中的一种或者多种。

3.根据权利要求1所述的插件用铜合金带材，其特征在于，该铜合金的基体相为Cu固溶体，第二相含有NiSi相和FeP相，其中，第二相的体积分数占比为2～5％。

4.根据权利要求3所述的插件用铜合金带材，其特征在于，该铜合金基体相的晶粒粒径：1μm～15μm，第二相的晶粒粒径≤150nm。

5.根据权利要求3所述的插件用铜合金带材，其特征在于，所述Cu固溶体中Cu的含量≥95wt％。

6.一种根据权利要求1至5任一权利要求所述的插件用铜合金带材的制备方法，其特征在于，该铜合金带材的制备流程为：熔炼→半连续铸造→加热→热轧→铣面→粗轧→中间退火→中轧→时效→精轧→成品退火，所述半连铸铸造具体参数控制为，铸造温度：1200～1400℃，一次冷却水水压0.6～0.8MPa，进水温度20～35℃，出水温度≤40℃，铸锭拉铸速度控制50～90mm/min，铸锭出结晶器温度控制在700℃～800℃，在铸锭离结晶器2000～2500mm处采用二次冷却水冷却，冷却水温度30～45℃。

7.根据权利要求6所述的插件用铜合金带材的制备方法，其特征在于，所述加热工艺为，先加热至300～400℃保温5～60min，然后加热至500～700℃保温15～60min，再加热至800～900℃保温30～120min。

8.根据权利要求6所述的插件用铜合金带材的制备方法，其特征在于，所述的热轧工艺为：经过多道轧制，热轧的终轧温度≥650℃，热轧结束后采用在线水冷固溶。

9.根据权利要求6所述的插件用铜合金带材的制备方法，其特征在于，所述的中间退火工艺为，退火温度：800～950℃，退火速度：20～40m/min。