CN111788321A

CN111788321A - 铜锌合金

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Publication number: CN111788321A
Application number: CN201980007349.9A
Authority: CN
Inventors: T.普莱特; H.古莫特; B.里茨
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2019-01-02
Publication date: 2020-10-16
Also published as: RU2020115663A; WO2019137832A1; JP2021509934A; DE202018100075U1; EP3529389A1; KR20200103709A; ES2780202T3; US20200370147A1; EP3529389B1; BR112020012537A2; RU2020115663A3; JP7374904B2

Abstract

本发明涉及用于制造导电部件如触点的铜锌合金，由以下组成：‑Cu：62.5‑67重量％，‑Sn：0.25‑1.0重量％，‑Si：0.015‑0.15重量％，‑来自Mn、Fe、Ni和Al中的至少两种形成硅化物的元素，在各自的情况下至多0.15重量％，其中这些元素的总和不超过0.6重量％，‑Pb：至多0.1重量％，‑其余为锌和不可避免的杂质。

Description

铜锌合金

本发明的主题是一种铜锌合金和由这种合金制造的铜锌合金产品。

本发明涉及一种高强度(特种)黄铜合金。高强度黄铜合金可用于制造各种产品。使用高强度黄铜合金产品的典型应用是轴承部件，发动机和变速箱部件，例如同步环等，以及阀门，尤其是用于饮用水应用中。黄铜合金产品还用于电气和冷却技术应用，例如用于制造插接器靴、接触端子等。在冷却技术应用中利用的是黄铜合金产品的良好导热性。由于众所周知的铜的良好的导热性，这些黄铜合金具有高的铜含量并且相应地仅被低合金化。高强度黄铜合金具有明显较差的导热性。

当黄铜合金应具有特别好的导电性能时，相应地选择高的Cu含量。然而，这种产品的导电性随锌含量的增加而降低。出于该原因，对于其中良好的导电性具有至关重要的意义的高强度黄铜合金产品，所用合金的锌含量通常不超过5-10重量％。除了铜和锌元素外，高强度黄铜合金的构造中还存在一种或多种以下元素：Al、Sn、Si、Ni、Fe和/或Pb。这些元素中的每一种元素都对由该合金制造的高强度黄铜合金产品的性能具有不同的影响。在此应当指出，同一种合金元素取决于其贡献可引起与合金的可加工性以及由其制造的高强度黄铜合金产品的特性有关的不同特性。相应地适用于合金的可加工性。由于高强度黄铜合金产品的许多不同应用，还已知许多种在其合金成分方面存在差异的高强度黄铜合金。这些高强度黄铜合金例如在其强度值、机加工性(可切削加工性,Zerspanbarkeit)、表面加工性、导热性、弹性模量、耐热性等方面不同。在大多数情况下，现有技术的高强度黄铜合金在其组成方面是针对非常特殊的应用目的开发的。

用于制造针对电气应用的高强度黄铜合金产品的高强度黄铜合金不仅必须具有足够的导电性，而且为了能够制造所需的产品，还必须具有良好的可加工性以及足够的强度值。就合金的可加工性而言，该合金应该可以使用标准的加工步骤进行制造，以使由此制造的高强度黄铜合金产品的成本不会由于复杂且可能不常见的工艺控制步骤而变得更加昂贵。

由DE 20 2017 103 901 U1已知一种用于电气和/或冷却技术应用的高强度黄铜合金。它包含58.5-62重量％的Cu，0.03-0.18重量％的Pb，0.3-1.0重量％的Fe，0.3-1.2重量％的Mn，0.25-0.9重量％的Ni，0.6-1.3重量％的Al，0.15-0.5重量％的Cr，至多0.1重量％的Sn，至多0.05重量％的Si，其余为Zn连同不可避免的杂质。尽管现有技术的这种高强度黄铜合金具有用于预期的冷却技术应用的足够的导热性和对许多应用来说足够的导电性，但是理想的情形是，不仅可以改善导电性而且还可以改善可挤压性和机加工性，以提高诸如触点、插座等之类的电气部件的可制造能力。另外，由这种合金制造的合金产品应具有良好的冷成型性，例如良好的冷拔性，从而能够以这种方式为成型的半成品提供更高的用于最终产品的强度值。

从US 2014/0234411 A1中已知具有良好机加工性的无铅黄铜合金。该合金包含70-83重量％的Cu，1-5重量％的Si和以下其他基质活性元素：0.01-2重量％的Sn，0.01-0.3重量％的Fe和/或Co，0.01-0.3重量％的Ni，0.01-0.3重量％的Mn，其余为Zn连同不可避免的杂质。另外，该合金可包含至多0.1重量％的P以及在各自的情况下至多0.5重量％的元素Ag、Al、As、Sb、Mg、Ti和Cr。

由DE 41 20 499 C1已知一种铜锌合金作为用于电子部件的材料。现有技术的这种合金包括74-82.9重量％的Cu，1-2重量％的Si，0.1-0.4重量％的Fe，0.02-0.1重量％的P，0.1-1.0重量％的Al，其余为锌连同常见杂质。

要具有良好导电性的黄铜合金是以高的Cu含量制造的。根据DE 41 20 499 C1的合金就是这样。现有技术的这种黄铜合金具有相当高的机械强度、高的弹性弯曲屈服强度(Federbiegegrenze)并因此具有相应的弹性模量，从而可以由这种合金制造弹性插接器部件。然而，尽管铜含量很高，但电导率仅在6.0-7.0MS/m之间。

因此，基于所讨论的现有技术，本发明的目的是提供一种高强度黄铜合金，其特别适合于制造导电部件、例如作为插接器部件的触点，其特征在于改善的机械性能和改善的导电性。另外，它应具有良好的机加工性和良好的冷成型性。

根据本发明，该目的通过一种用于制造导电部件例如触点的铜锌合金来实现，该铜锌合金包括以下或由以下组成：

-铜：62.5-67重量％

-Sn：0.25-1.0重量％，

-Si：0.015-0.15重量％，

-来自Mn、Fe、Ni和Al的至少两种形成硅化物的元素，在各自的情况下至多0.15重量％，其中这些元素的总和不超过0.6重量％，

-Pb：至多0.1重量％，

-其余为Zn连同不可避免的杂质。

该铜锌合金的特征在于其特定的合金组成。决定性的是，一方面Zn含量为31-37重量％，并且元素Sn对合金组成的明显贡献为0.5-1.0重量％。因此，该合金的主要合金元素是元素Cu、Zn和Sn。由于相对高的Zn含量和相应此消彼涨的较低的Cu含量，令人惊讶地发现，电导率仍然满足对该合金制成的产品的要求，并且甚至超过了已经用于导电应用的现有技术的高强度黄铜合金的电导率。Si在合金中的含量为0.015-0.15重量％。合金中的Si用于形成作为微结构中的细沉淀物的硅化物。硅化物的平均尺寸通常小于1μm。如果硅化物超过一定尺寸，则这对由合金制造的合金产品的表面的可抛光性、可涂覆性和/或可焊性具有不利影响。更高的Si含量不能改善根据本发明的合金的特殊性能。这反而可能不利地影响期望的良好电导率。来自作为形成硅化物的元素的Mn、Fe、Ni和Al元素的组的至少两种元素参与到合金的构造中。这些元素与Si一起形成细分布的混合硅化物，所述混合硅化物对由合金制造的产品的耐磨性具有积极影响。这些硅化物是微结构基质中的精细分布的颗粒。这些元素在合金构造中的份数(比例)被限制为每种元素至多0.15重量％，其中这些元素的总和不超过0.6重量％。优选地，元素Fe、Ni和Al参与到合金的构造中。Mn可以作为硅化物形成剂成为合金的一部分。优选地，元素Fe、Ni和Al作为硅化物形成剂提供，它们通常形成混合硅化物。在此，在一个实施例中规定，Ni和Al比例在各自的情况下近似相等，而Fe比例仅是Ni和Al比例的40-60％。在一种优选的实施方式中，Fe比例为Ni或Al比例的约50％。硅化物形成剂Fe、Ni和Al的这种特定组合以及0.015-0.15重量％的Si含量对由合金制造的产品的所需的特别好的电导率没有任何明显的不利影响。这些还赋予了合金产品期望的强度值。

出乎意料且令人惊讶地，对于这种合金或由这种合金制造的合金产品，已经显示，其不仅具有特别细的晶粒(通常为10-100μm)，而且还具有非常好的挤压性或热成型性，通过冷成型能够良好地冷作硬化，并且具有良好的机加工性，对于所讨论类型的高强度黄铜仍然具有非常良好的超过12MS/m(20％IACS)的电导率。这也归因于相对高的Sn比例和同时有限的硅化物形成元素比例。

通常，普遍的教导是要具有良好机加工性的黄铜合金的铜含量不得低于70重量％(例如，参见US 2014/0234411 A1)。在这方面，令人惊讶地发现，尽管铜含量低，但是根据本发明的合金或由其制造的产品具有非常好的机加工性。

对于由这种合金制造的高强度黄铜合金产品的电气应用，令人感兴趣的是其特别好的可电镀涂覆性。在某些应用情形中，此类产品涂有导电特别好的金属层，即：其电导率明显超过由黄铜合金制成的产品的电导率的涂层。这种金属层通常以电镀方式来施加。这不仅要求高强度黄铜合金产品具有一定的导电性，而且尤其还要求被施加于其上的电镀涂层永久且均匀地粘附在表面上。其原因尤其在于，在这种高强度黄铜合金中出现了均匀的细晶粒微结构。由这种合金制造的产品就是这种情况。黄铜合金产品的涂层还可起到防止磨损的作用。此外，可以使用涂层来改善黄铜合金产品在表面上的某些性能，例如更好的例如用于安装触点的可焊性，用于高强度黄铜合金产品的热保护的隔热性，或用作用于进一步涂覆的粘附促进层。

另外，由该合金制造的产品的弹性模量足够高。因此，由这种黄铜合金也可制造具有弹性(federnden Eigenschaften)的产品，例如作为触点的插接器靴。在弹性模量大于100至120GPa的情况下，其处于从低合金化的铜锌二元合金已知的弹性模量的大小范围内，正如通常用于其中有时也涉及待施加的弹力的电气应用的低合金铜锌二元合金那样。

利用这种黄铜合金能够制造电导率超过12MS/m(20％IACS)的合金产品。由此达到了如下的电导率值，该电导率值通常比具有30重量％或更高的锌含量的其他高强度黄铜合金的情况高并且足以用于许多应用。在由该合金制成的合金产品中，所述电导率值与正如否则只能从为此目的专门设计的高强度黄铜合金中得知的强度值相结合，但是这些高强度黄铜合金则不具有该合金或由该合金制成的产品的其他有利性能。

对于由这种高强度黄铜合金制造的高强度黄铜合金产品重要的是，尤其在电气应用中，该高强度黄铜合金产品具有良好可焊性。

应强调的是，对于该铜锌合金，由于参与该合金构造的元素的数量少，因此其具有简单的化学构造。这也意味着该合金不含Cr。该合金通常也不含Pb，其中允许的铅含量为最大0.1重量％。由于携带残留或使用回收材料，不能总是避免将少量的Pb引入合金中。Pb在允许的范围内不会对该铜锌合金的上述有利特性产生负面影响。由于最大允许的Pb含量为0.1重量％，该合金仍被认为是无Pb的。此外，省去诸如P、S、Be、Te等元素的使用——在其他高强度黄铜合金中，除了Cr以外，还经常使用这些元素来实现一定的强度或加工性能。这也产生了如下令人惊讶的结果：尽管该合金仅由少数种元素构成，但只要这些元素以指定比例参与到合金中，就会产生由该合金制造的产品的上述有利特性。在合金的构造中仅使用低数目的元素简化了制造过程。在商业制造中避免了对于其他合金来说的元素携带残留的风险，因为参与该合金构造的元素是每种高强度黄铜合金的标准元素。

由这种合金制造的合金产品的特别好的机加工性可以用60-70的指数和在特定的实施方式中超过80的指数来指定。

优选地，根据本发明的铜锌合金具有以下组成：

-Cu：64-66重量％

-Sn：0.3-0.7重量％，

-Si：0.03-0.1重量％，

通过这种合金组成，可以进一步改善合金的有利特性。

根据一种实施例，进一步限制Sn和Si的比例，以及形成硅化物的元素的比例。这种合金的组成如下：

-Cu：64.5-66重量％

-Sn：0.4-0.6重量％，

-Si：0.03-0.08重量％，

-来自Mn、Fe、Ni和Al的至少两种形成硅化物的元素，在各自的情况下至多0.1重量％，其中这些元素的总和不超过0.4重量％，

-Pb：至多0.1重量％，

-其余为Zn连同不可避免的杂质。

优选的Zn含量为32至36重量％。

下面参照与三种对比合金比较的实施例描述本发明。除了三种对比合金之外，还根据两种样品即样品A和B，制造并挤压了根据本发明的合金。下表列出了所研究合金的组成：

	Cu	Pb	Sn	Fe	Mn	Ni	Al	Si	Cr	Zn
											A	65	-	0.5	0.035	-	0.07	0.07	0.06	-	余量
B	65.05	-	0.45	0.04	-	0.14	-	0.03	-	余量
											1	60.3	0.11	-	0.5	0.8	0.5	0.9	-	0.24	余量
2	60	0.1	0.08	0.05	0.025	0.01	0.03	0.005	0.01	余量
											3	58.3	0.1	0.08	0.1	0.008	0.01	0.01	0.005	0.02	余量

(数据以重量％计)

在上表中，对比合金是合金1、合金2和合金3。在挤压状态下，根据样品A和B的本发明合金具有以下强度值：

-0.2％伸长极限(屈服极限，Dehngrenze)：100N/mm²，

-拉伸强度：约300N/mm²，

-断裂伸长率：约55％，

-硬度：70HB 2.5/62.5

良好的冷拔性和相关的冷作硬化性连同在合金产品中引入提高的强度值的结果可以在挤压棒的冷拔状态下在第一步骤中以横截面减小20％和在第二步骤中以横截面减小35％示出(对此另外可参见图1-5)：

横截面减小20％的冷拔棒的强度值：

-0.2％伸长极限：约310N/mm²，

-拉伸强度：约390N/mm²，

-断裂伸长率：约25％

-硬度：约120HB 2.5/62.5。

横截面减小35％的冷拔棒的强度值：

-0.2％伸长极限：约400N/mm²，

-拉伸强度：约450N/mm²，

-断裂伸长率：12％，

-硬度：143HB 2.5/62.5。

根据本发明的合金的微结构在室温下在基质中主要显示α相。在热成型温度下，存在足够比例的β相。晶粒微结构在室温下很小，平均晶粒尺寸为10至100μm。硅化物以由挤压热形成的细沉淀物的形式细分布。

根据本发明的合金样品A和B在室温下与三种对比合金相比的性能在下表中针对在各自的情况下部分硬化的状态示出，正如对于制造插接器来说常见的那样：

	单位	合金1	合金2	合金3	合金样品A和B
						可挤出性		好	好	好	很好
可冷拔性		好	很好	好	很好
						可机加工性	指数	80	20	25	≥80
电解抛光		好	很好	一般	好
						电镀抛光		很好	很好	好	很好
热导率	[W/(m*K)]	100-110	385	约310	≥100
						电导率	[mS/m]	9.1	56	≤43	约14(20％IACS)
弹性模量	[GPa]	96	107	110-130	100-120
						0.2％伸长极限	[MPa]	约550	约240	约350	410
拉伸强度	[MPa]	约650	约280	约420	450
						断裂伸长率	[％]	约15	约8	约8	25

该比较表明，在与电气应用有关的参数中，根据本发明的合金具有特别好的性能。这还与特别高的弹性模量和非常好的强度值有关。出于该原因，该合金还尤其适合于制造必须具有材料弹性的电接触元件。

对根据本发明的合金样品A和B的铸造样品的研究表明，β-混晶比例相当低，为12-15％，其余为α-混晶比例。金属间相的比例小于1％。较高的α相比例已经在铸造过程中有利地影响了后续的冷成型步骤。在期望的热成型中，将努力使β相比例保持较高。

由于挤压，β比例降低至2％以下。密度为8.58g/cm³。这些样品在挤压状态下的电导率为13.8MS/m(23.8％IACS)。这些样品的硬度约为80HB2.5/62.5。

当根据DIN 59016第1部分进行应力开裂腐蚀试验时，没有产生应力开裂。这意味着在压制状态下，微结构中没有残余应力，至少没有明显的残余应力。该结果与由显微照片证实的微结构的高均质性和小晶粒相一致。主要具有α相的这种合金产品的特殊的微结构是上述良好导电性的原因。另外，由于均匀的微结构，不仅机械性能在不同方向上是相同的，而且电导率也是如此。

电导率可以通过进行随后的退火步骤来改善，该退火步骤优选在380℃至500℃之间进行约3小时。优选地，退火在440℃至470℃之间的温度下进行3小时。在退火过程中除去细沉淀物，因为它们阻碍了导电性。退火后，测得样品A和B的电导率为约14.2MS/m。

根据本发明的合金的另一个特别的优点是其特别好的冷成型性。由此制造的半成品还可以在没有中间退火的情况下进行多次冷成型，例如进行拉伸或弯曲，以便通过由此发生的冷作硬化而使部件具有特别高的强度值。

图1至5示出了根据样品A的本发明合金的机械强度性能随着试样伸长率的增加而变化的图。在x轴上分别绘制出相对于试样的起始面或起始长度的伸长率。

图1显示了试样的0.2％伸长极限(Dehngrenze)随着伸长率的增加的发展变化，直至总伸长率达到60％。0.2％伸长极限随着试样伸长率的增加而增加。关于拉伸强度也可以发现相同的行为。如果试样被伸长50％以上，则作为冷成型进行的伸长会导致拉伸强度提高100％以上。随着试样伸长率的增加，同样可观察到伸长极限比(Streckgrenzenverhaeltnis)的增加。

断裂伸长率对于要求保护的合金特别重要。尽管伸长率甚至直到超过50％的范围，并因此尽管发生了强烈的变形，但断裂伸长率仍不低于10％

由于与之相关的冷变形，硬度随着试样的伸长率的增加而增加，即最高达约180HB2.5/62.5。

这些图说明了由根据本发明的合金制造的产品的特别好的冷成型性。

Claims

1.用于制造导电部件如触点的铜锌合金，由以下组成：

-Cu：62.5-67重量％，

-Sn：0.25-1.0重量％，

-Si：0.015-0.15重量％，

-来自Mn、Fe、Ni和Al中的至少两种形成硅化物的元素，在各自的情况下至多0.15重量％，其中这些元素的总和不超过0.6重量％，

-Pb：至多0.1重量％，

-其余为锌和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铜锌合金，其中

-Cu：64-66.5重量％，

-Sn：0.3-0.7重量％，

-Si：0.03-0.1重量％。

3.根据权利要求2所述的铜锌合金，其中

-Cu：64.5-66重量％，

-Sn：0.4-0.6重量％，

-Si：0.03-0.8重量％，

-来自Mn、Fe、Ni和Al中的至少两种形成硅化物的元素，在各自的情况下至多0.1重量％，其中这些元素的总和不超过0.4重量％，

-其余为锌和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的铜锌合金，其特征在于，所述合金包含32-36重量％的Zn。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的铜锌合金，其特征在于，所述合金中的形成硅化物的元素包含Fe、Ni和Al，其中Ni和Al的比例分别大致相等，并且Fe比例为Ni比例或Al比例的40％至60％。

6.根据权利要求5所述的铜锌合金，其特征在于，Ni和Al的含量分别为0.04至0.1重量％，Fe的含量为0.02至0.05重量％。

7.根据权利要求6所述的铜锌合金，其特征在于，Ni含量和Al含量分别为0.06至0.08重量％，以及Fe含量为0.03至0.04重量％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的铜锌合金，其特征在于，所述合金是无Cr的。

9.由根据权利要求1至8中任一项所述的铜锌合金制造的铜锌合金产品，其特征在于，微结构基体在室温下主要包含α相。

10.根据权利要求9所述的铜锌合金产品，其特征在于，微结构的平均晶粒尺寸在10至100μm之间。

11.根据权利要求9或10所述的铜锌合金产品，其特征在于，其电导率为至少12MS/m(20％IACS)。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的铜锌合金产品，其特征在于，所述产品是通过在横截面减小约20％的情况下拉拔半成品由所述半成品冷成型的，并且具有以下强度值：

-0.2％伸长极限：约310N/mm²，

-拉伸强度：约390N/mm²，

-断裂伸长率：约25％

-硬度：约120HB 2.5/62.5。

13.根据权利要求9至11中任一项所述的铜锌合金产品，其特征在于，所述产品是通过在横截面减小约35％的情况下拉拔半成品由所述半成品冷成型的，并具有以下强度值：

-0.2％伸长极限：约400N/mm²，

-拉伸强度：约450N/mm²，

-断裂伸长率：12％

-硬度：143HB 2.5/62.5。