CN111778427B - 一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法，具体包括：按照重量百分比为：按照重量百分比为：(1.5～5)wt.％的Ni、(0.2～1.5)wt.％的Si、(0～0.6)wt.％的Mn、(0～0.5)wt.％的Cr、(0～0.4)wt.％的Mg、余量的Cu进行配料；进行熔炼；进行浇铸；用锯床、车床和锻造加工成符合热挤压工艺要求的铜合金棒材；热挤压变形；拉拔及中间退火；矫直、裁剪分切；本发明方法是基于真空熔炼、锻造、挤压、直拉和盘拉工艺来制备CuNiSi合金丝材，能够在满足电连接器用铜合金原材料丝材要求的前提下批量和稳定化制备出强度高、导热导电性好、纯度高的CuNiSi合金丝材。

Description

一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法
技术领域
本发明涉及铜合金材料制造技术领域，具体涉及一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法。
背景技术
航空航天用微距形电连接器在产品可靠性、重量等级上有严格的要求。因此，该在满足传输性能指标要求的情况下，接触件重量轻、尺寸小、体积小是航空航天用微距矩形电连接器重要的发展方向。这就要求所用到的高强度铜合金弹性材料具有优异的机械性能，并保持良好的导电导热性。
目前国产铜合金材料尚不能满足航空航天级接触件的高标准要求，芯线导体材料大量依赖进口，致使该材料的制备和应用研究基础薄弱，材料的应用性评价缺乏系统性数据。随着航空航天器中电子元件数量和质量要求的不断提高，向这些电子元件传输电力和信号的连接器也向着高可靠性、轻质、耐腐蚀的方向发展，且需求量日益增加。这些性能特点决定了该类元器件在制备工艺及材料选择方面具有较高的要求。
多年来，我国在该领域研究和生产力量薄弱，致使目前国内尚无该产品的自主生产能力，连接器接触件材料都大量进口美国和日本，由此引发的高成本和供给不确定情况十分严峻。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法；本发明设计高强度铜镍硅丝材制备思路是基于满足电连接器用高强高导原材料要求，用真空熔炼、锻造、挤压、直拉和盘拉工艺制备丝材，以解决国产化连接器用高端原材料国产化制备问题。
本发明的技术方案为：一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法，具体包括：
1)配料：按照重量百分比为：(1.5～5)wt.％的Ni、(0.2～1.5)wt.％的Si、(0～0.6)wt.％的Mn、(0～0.5)wt.％的Cr、(0～0.4)wt.％的Mg、余量的Cu进行配料；
2)熔炼：采用真空熔炼的方式进行熔炼；
3)浇铸：进行浇铸得到直径210～230mm的CuNiSi棒材坯料；
4)热锻、车外圆：用锯床、车床和锻造加工成符合热挤压工艺要求的铜合金棒材；
5)热挤压变形：将CuNiSi合金棒料加热到800～950℃，保温0.5～1h后进行大变径正向热挤压变形，切掉棒头和缩尾；
6)拉拔及中间退火：对热挤压变形后的CuNiSi合金棒料进行连续变径冷拉拔变形，中间再经过固溶退火，最后拉拔盘卷成满足电连接器使用不同规格的丝材；
7)矫直、裁剪分切：在气氛保护下350～450℃时进行时效处理，矫直后分切成定尺尺寸包装。
进一步地，所述步骤1)中Ni元素以99.99％的高纯金属镍的形式加入，Si元素以高纯CuSi中间合金的形式加入，Mn元素以99.99％的高纯金属锰的形式加入，Cr元素以99.99％的高纯金属铬的形式加入，Mg元素以99.99％的高纯金属镁的形式加入，Cu元素以99.999％的电解铜板和CuSi中间合金的形式加入；采用高纯的紧束原料能够有效地降低原材料的杂质含量，做到从材料源头降低杂质含量。
更进一步地，所述CuSi中间合金的制备方法为：将99.999％的电解纯铜板和99.9％的高纯硅按照16:7的重量比放入真空度是3*10-3Pa的熔炼炉设备中，在1600℃下保温1h后充分熔化静置，充入99.99％的高纯氩气，浇铸成直径160mm、长度2m的锭子；然后扒皮去冒口，切割成外切圆直径不大于50mm、长度不大于50mm的小块，得到CuSi中间合金；炼制中间合金的目的是让Si充分扩散，防止扩散不均匀。
更优的是，所述步骤2)的具体步骤为：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，升温至1500℃，保温30min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护；能够有效地利用高纯氩气隔绝空气，防止熔化的合金表面氧化。
进一步地，所述步骤2)的具体步骤为：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，以50℃/s的升温速率升温至450～650℃，预热5～15min，然后以30℃/s的升温速率升温至1500～1650℃，保温20～30min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护；利用稳定的升温速率进行升温，能够有效地促进合金中个金属元素之间的共聚现象。
进一步地，所述步骤3)的具体步骤为：在99.99％的高纯氩气的保护下将熔化的合金溶液浇铸成直径210～230mm、长度2m的CuNiSi合金棒料，即棒材配料；依据熔炼炉结晶器的尺寸以及配合后续热挤压进料筒直径制备得到形状限定的棒材配料。
进一步地，所述步骤4)的具体步骤为：将铜镍硅合金棒料加工成直径150mm、长度在300mm的短棒制备得到CuNiSi合金棒材；由于热挤压进料筒的直径160mm，棒料直径必须小于160mm；其长度依据也是通过挤压后降温水槽的长度通过换算得到。
进一步地，所述步骤5)的具体步骤为：将步骤4)制备的CuNiSi合金棒料加热到800～950℃，保温0.5～1h后，通过物料传送带将棒料传送进挤压筒，通过“150变20”模具进行大变径正向热挤压变形，热挤压后出料直接在20℃的水中降温，棒料减径到20mm；棒料减径到20mm，棒料表面无缺陷，切掉棒头和缩尾；采用预热的方式能够在大变形中有效地防止开裂；而正向挤压更换模具比较方便，产品表面质量好；且采用水中降温的效果能够快速对CuNiSi合金棒料进行冷却，增加固溶度。
进一步地，所述步骤6)的具体步骤为：加工热挤压后的料头，用3吨液压自动拉拔机连续变径冷拉拔变形，而且要进行多道次拉拔，依次截面变径2mm，直到直径1mm，中间普通箱式高温固溶炉中进行两次退火处理，退火温度是850℃，保温时间1h，退火处理后表面氧化皮可通过后面两道冷拉拔变形去除，最后盘卷成满足电连接器使用规格的丝材；退火的目的是软化材料，方便后续拉拔继续顺利进行；该两次退火只是在拉拔过程中材料硬化到极限，通过退火软化材料，方便后续拉拔继续顺利进行。
进一步地，所述步骤7)的具体步骤为：将步骤6制备得到的丝材在99.999％的氩气气氛保护下，在350～450℃时保温1.5h后随炉冷却，矫直后按照4m定尺分切包装；采用氩气气氛保护能够有效地隔绝空气，防止丝材表面氧化。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明方法是基于真空熔炼、锻造、挤压、直拉和盘拉工艺来制备CuNiSi合金丝材，能够在满足电连接器用铜合金原材料丝材要求的前提下批量和稳定化制备出强度高、导热导电性好、纯度高的CuNiSi合金丝材；本发明设计的高强度铜镍硅丝材基于满足电连接器用高强高导原材料要求，用真空熔炼、锻造、挤压、直拉和盘拉工艺制备丝材，解决了国产化连接器用高端原材料国产化制备问题，同时为电连接器向高可靠性、高密度、小型化方向发展作出贡献。
具体实施方式
实施例1：一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法，具体包括：
1)配料：按照重量百分比为：Cu-1.5wt.％Ni-0.2wt.％Si配料；Ni元素以99.99％的高纯金属镍的形式加入，Si元素以高纯CuSi中间合金的形式加入，Cu元素以99.999％的电解铜板和CuSi中间合金的形式加入；其中，CuSi中间合金的制备方法为：将99.999％的电解纯铜板和99.9％的高纯硅按照16:7的重量比放入真空度是3*10-3Pa的熔炼炉设备中，在1600℃下保温1h后充分熔化静置，充入99.99％的高纯氩气，浇铸成直径160mm、长度2m的锭子；然后扒皮去冒口，切割成外切圆直径不大于50mm、长度不大于50mm的小块，得到CuSi中间合金；
2)熔炼：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，升温至1500℃，保温30min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护；
3)浇铸：在99.99％的高纯氩气的保护下将熔化的合金溶液浇铸成直径210mm、长度2m的CuNiSi合金棒料，即棒材配料；
4)热锻、车外圆：将铜镍硅合金棒料加工成直径150mm、长度在300mm的短棒制备得到CuNiSi合金棒材；
5)热挤压变形：将步骤4)制备的CuNiSi合金棒料加热到800℃，保温0.5h后，通过物料传送带将棒料传送进挤压筒，通过“150变20”模具进行大变径正向热挤压变形，热挤压后出料直接在20℃的水中降温，棒料减径到20mm；棒料减径到20mm，棒料表面无缺陷，切掉棒头和缩尾；
6)拉拔及中间退火：加工热挤压后的料头，用3吨液压自动拉拔机连续变径冷拉拔变形，而且要进行多道次拉拔，依次截面变径2mm，直到直径1mm，中间普通箱式高温固溶炉中进行两次退火处理，退火温度是850℃，保温时间1h，退火处理后表面氧化皮可通过后面两道冷拉拔变形去除，最后盘卷成满足电连接器使用规格的丝材；
7)矫直、裁剪分切：将步骤6制备得到的丝材在99.999％的氩气气氛保护下，在350℃时保温1.5h后随炉冷却，矫直后按照4m定尺分切包装。
本实施例所制备的丝材的性能参数为：拉伸强度621MPa，相对密度为98.1％，布氏硬度190，导电率66.5％IACS。
实施例2：一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法，具体包括：
2)配料：按照重量百分比为：Cu-3wt.％Ni-1wt.％Si-0.5wt.％Mn-0.3wt.％Cr-0.2wt.％Mg配料；Ni元素以99.99％的高纯金属镍的形式加入，Si元素以高纯CuSi中间合金的形式加入，Mn元素以99.99％的高纯金属锰的形式加入，Cr元素以99.99％的高纯金属铬的形式加入，Mg元素以99.99％的高纯金属镁的形式加入，Cu元素以99.999％的电解铜板和CuSi中间合金的形式加入；其中，CuSi中间合金的制备方法为：将99.999％的电解纯铜板和99.9％的高纯硅按照16:7的重量比放入真空度是3*10-3Pa的熔炼炉设备中，在1600℃下保温1h后充分熔化静置，充入99.99％的高纯氩气，浇铸成直径160mm、长度2m的锭子；然后扒皮去冒口，切割成外切圆直径不大于50mm、长度不大于50mm的小块，得到CuSi中间合金；
2)熔炼：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，升温至1500℃，保温30min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护；
3)浇铸：在99.99％的高纯氩气的保护下将熔化的合金溶液浇铸成直径210～230mm、长度2m的CuNiSi合金棒料，即棒材配料；
4)热锻、车外圆：将铜镍硅合金棒料加工成直径150mm、长度在300mm的短棒制备得到CuNiSi合金棒材；
5)热挤压变形：将步骤4)制备的CuNiSi合金棒料加热到900℃，保温1h后，通过物料传送带将棒料传送进挤压筒，通过“150变20”模具进行大变径正向热挤压变形，热挤压后出料直接在20℃的水中降温，棒料减径到20mm；棒料减径到20mm，棒料表面无缺陷，切掉棒头和缩尾；
6)拉拔及中间退火：加工热挤压后的料头，用3吨液压自动拉拔机连续变径冷拉拔变形，而且要进行多道次拉拔，依次截面变径2mm，直到直径1mm，中间普通箱式高温固溶炉中进行两次退火处理，退火温度是850℃，保温时间1h，退火处理后表面氧化皮可通过后面两道冷拉拔变形去除，最后盘卷成满足电连接器使用规格的丝材；
7)矫直、裁剪分切：将步骤6制备得到的丝材在99.999％的氩气气氛保护下，在400℃时保温1.5h后随炉冷却，矫直后按照4m定尺分切包装。
本实施例所制备的丝材的性能参数为：拉伸强度852MPa，相对密度为98.4％，布氏硬度175，导电率83.6％IACS。
实施例3：一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法，具体包括：
3)配料：按照重量百分比为：Cu-5wt.％Ni-1.5wt.％Si-0.6wt.％Mn-0.5wt.％Cr-0.4wt.％Mg配料；Ni元素以99.99％的高纯金属镍的形式加入，Si元素以高纯CuSi中间合金的形式加入，Mn元素以99.99％的高纯金属锰的形式加入，Cr元素以99.99％的高纯金属铬的形式加入，Mg元素以99.99％的高纯金属镁的形式加入，Cu元素以99.999％的电解铜板和CuSi中间合金的形式加入；其中，CuSi中间合金的制备方法为：将99.999％的电解纯铜板和99.9％的高纯硅按照16:7的重量比放入真空度是3*10-3Pa的熔炼炉设备中，在1600℃下保温1h后充分熔化静置，充入99.99％的高纯氩气，浇铸成直径160mm、长度2m的锭子；然后扒皮去冒口，切割成外切圆直径不大于50mm、长度不大于50mm的小块，得到CuSi中间合金；
2)熔炼：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，升温至1500℃，保温30min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护；
3)浇铸：在99.99％的高纯氩气的保护下将熔化的合金溶液浇铸成直径210～230mm、长度2m的CuNiSi合金棒料，即棒材配料；
4)热锻、车外圆：将铜镍硅合金棒料加工成直径150mm、长度在300mm的短棒制备得到CuNiSi合金棒材；
5)热挤压变形：将步骤4)制备的CuNiSi合金棒料加热到950℃，保温0.5～1h后，通过物料传送带将棒料传送进挤压筒，通过“150变20”模具进行大变径正向热挤压变形，热挤压后出料直接在20℃的水中降温，棒料减径到20mm；棒料减径到20mm，棒料表面无缺陷，切掉棒头和缩尾；
6)拉拔及中间退火：加工热挤压后的料头，用3吨液压自动拉拔机连续变径冷拉拔变形，而且要进行多道次拉拔，依次截面变径2mm，直到直径1mm，中间普通箱式高温固溶炉中进行两次退火处理，退火温度是850℃，保温时间1h，退火处理后表面氧化皮可通过后面两道冷拉拔变形去除，最后盘卷成满足电连接器使用规格的丝材；
7)矫直、裁剪分切：将步骤6制备得到的丝材在99.999％的氩气气氛保护下，在450℃时保温1.5h后随炉冷却，矫直后按照4m定尺分切包装。
本实施例所制备的丝材的性能参数为：拉伸强度916MPa，相对密度为98.4％，布氏硬度175，导电率88.3％IACS。
实施例4：与实施例1不同的是：步骤2)的具体步骤为：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，以50℃/s的升温速率升温至450℃，预热5min，然后以30℃/s的升温速率升温至1500℃，保温20min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护。
本实施例所制备的丝材的性能参数为：拉伸强度683MPa，相对密度为98.7％，布氏硬度190，导电率66.5％IACS。
实施例5：与实施例2不同的是：步骤2)的具体步骤为：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，以50℃/s的升温速率升温至500℃，预热10min，然后以30℃/s的升温速率升温至1550℃，保温25min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护。
本实施例所制备的丝材的性能参数为：拉伸强度886MPa，相对密度为99.0％，布氏硬度181，导电率83.6％IACS。
实施例6：与实施例3不同的是：步骤2)的具体步骤为：将步骤1)配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，以50℃/s的升温速率升温至650℃，预热15min，然后以30℃/s的升温速率升温至1650℃，保温30min；待充分熔化后静置，充入99.99％的高纯氩气进行保护。
本实施例所制备的丝材的性能参数为：拉伸强度932MPa，相对密度为98.9％，布氏硬度180，导电率88.3％IACS。

Claims (1)

1.一种电连接器用CuNiSi系合金丝材的制备方法，其特征在于，具体包括：
1）配料：按照重量百分比为：（1.5~5）wt.%的Ni、（0.2~1.5）wt.%的Si、（0~0.6）wt.%的Mn、（0~0.5）wt.%的Cr、（0~0.4）wt.%的Mg、余量的Cu进行配料；Ni元素以99.99%的高纯金属镍的形式加入，Si元素以高纯CuSi中间合金的形式加入，Mn元素以99.99%的高纯金属锰的形式加入，Cr元素以99.99%的高纯金属铬的形式加入，Mg元素以99.99%的高纯金属镁的形式加入，Cu元素以99.999%的电解铜板和CuSi中间合金的形式加入；其中，CuSi中间合金的制备方法为：将99.999%的电解纯铜板和99.9%的高纯硅按照16:7的重量比放入真空度是3*10-3Pa的熔炼炉设备中，在1600℃下保温1h后充分熔化静置，充入99.99%的高纯氩气，浇铸成直径160mm、长度2m的锭子；然后扒皮去冒口，切割成外切圆直径不大于50mm、长度不大于50mm的小块，得到CuSi中间合金；
2）熔炼：将步骤1）配制好的原料放入真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤3Pa时，升温至1500℃，保温30min；待充分熔化后静置，充入99.99%的高纯氩气进行保护；
3）浇铸：在99.99%的高纯氩气的保护下将熔化的合金溶液浇铸成直径210~230mm、长度2m的CuNiSi合金棒料，即棒材配料；
4）热锻、车外圆：用锯床、车床和锻造将铜镍硅合金棒料加工成直径150mm、长度在300mm的短棒制备得到CuNiSi合金棒材；
5）热挤压变形：将步骤4）制备的CuNiSi合金棒料加热到800~950℃，保温0.5~1h后，通过物料传送带将棒料传送进挤压筒，通过“150变20”模具进行大变径正向热挤压变形，热挤压后出料直接在20℃的水中降温，棒料减径到20mm，棒料表面无缺陷，切掉棒头和缩尾；
6）拉拔及中间退火：对热挤压变形后的CuNiSi合金棒料进行连续变径冷拉拔变形，中间再经过固溶退火，最后拉拔盘卷成满足电连接器使用不同规格的丝材；
7）矫直、裁剪分切：将步骤6制备得到的丝材在99.999%的氩气气氛保护下，在350~450℃时保温1.5h后随炉冷却，矫直后按照4m定尺分切包装。
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