CN113260726A - 具有优良弯曲加工性的用于端子和连接器的铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种具有优良弯曲加工性、强度和弹性极限的端子和连接器用铜合金及其制备方法。具体地，本公开涉及一种铜合金，包括铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)和铝(Al)。与作为端子和连接器材料的现有黄铜材料相比，本公开所述铜合金具有优异的强度、弯曲加工性和弹性极限，且与磷青铜材料相比，可以以极低的成本制备。

Description

具有优良弯曲加工性的用于端子和连接器的铜合金及其制备 方法

技术领域

本公开涉及一种用于端子和连接器的具有优良弯曲加工性和强度并具有高弹性弯曲极限的铜合金，及其制备方法。具体地，本公开涉及一种铜合金，包括铜(Cu)、锌(Zn)、镍(Ni)和铝(Al)。与用于端子和连接器的传统的黄铜材料相比，本公开所提供的铜合金具有良好的强度和弯曲加工性和高弹性弯曲极限，且相对于磷青铜材料可以以很低的成本生产。

背景技术

近年来，在电子零件和汽车零件领域，由于电子产品和汽车技术的快速发展，零件的小型化得到了迅速的发展，因此，主要零件的轻、薄、短、紧密性是必不可少的。作为电子零件和汽车零件的材料，铜合金主要用于实现电气连接，并作为零件内部的支撑物。

作为电子零件和汽车零件的材料，通常使用黄铜或磷青铜。

由于黄铜中含有锌，其强度增加，弹性弯曲极限也增加，由于添加了廉价的锌，原材料成本降低。然而，随着添加的Zn含量的增加，当Zn含量超过一定量(例如，20质量％)时，获得的铜合金的弯曲加工性就会降低，这可能导致在加工端子和连接器形状时出现裂纹和断裂等问题。

磷青铜被广泛用作端子和连接器的材料，但由于其含有锡(Sn)组分，通过热轧很难制造。因此，由于磷青铜是用水平连铸而不是垂直连铸生产，存在生产率差、制造成本高的缺点。此外，由于磷青铜中含有Cu和Sn为主要组分，原料成本很高，经济效益较差。磷青铜的电导率较低，约为15％IACS(国际退火铜标准)，当磷青铜应用于电气或电子部件时，使用中可能会产生问题。

为了满足电子元件趋向于轻、薄、短、紧密和小型化的趋势，使用的铜合金材料应在允许体积内具有所要求的机械性能、电气性能等所有功能。为了维护端子和连接器的接触电压，即使其由薄材料制成，材料本身的强度应该较高，为了满足在比传统材料更小的体积内对电信号连接和机械性能的要求，高弯曲加工性是必需的，因为在铜合金材料弯曲半径非常小时开裂或断裂不应该出现。

然而，由于两者之间存在取舍，铜合金的强度和弯曲加工性很难同时提高。为了解决这个问题，在铜中加入各种元素的合金已经被开发出来。由于铜合金具有优良的弯曲加工性和高强度，例如，已开发的铍铜、钛铜和科尔森(Colson)基铜合金。然而，由于铍铜产品价格较高，铍具有危害性，预计铍铜的使用将受到限制。钛铜价格较高，除某些部件外，不能用于一般的端子或连接器产品。尽管Colson基铜合金广泛应用于电气和电子部件，但很难将其应用于需要类似于磷青铜标准的优良弯曲加工性的产品。

此外，由于汽车连接器用于恶劣的环境，如发动机舱，并由形状复杂的小零件组成，使用的铜合金材料应该不仅具有强度高，还具有优异的弯曲加工性和高于特定标准的高导电性。例如，在汽车连接器中，产生热量的端子，如头灯座，通常暴露在约80～120℃的高温下，受到反复的热应力。然而，如前所述，当传统的由黄铜和磷青铜制成的连接器长时间暴露在热应力下时，连接器之间可能会发生接触失效，从而导致电气连接断开。因此，在昂贵的汽车中，昂贵的高性能铜合金主要用作汽车连接器的部件。然而，在大多数量产汽车中，由于制造成本问题，价格较低的黄铜和磷青铜仍被应用于汽车连接器。

然而，如上所述，黄铜的强度低，弯曲加工性差，因此难以应用于主要零件。磷青铜具有优良的性能，比高功能铜合金便宜，但因为磷青铜是由价格较高的铜和锡制成的，磷青铜与黄铜相比过于昂贵。特别是，由于锡是一种添加元素，热轧生产磷青铜非常困难，一般采用水平连铸生产，生产率低，制造成本高，产率低。因此，汽车零部件领域要求开发一种具有磷青铜级特性、制造成本比磷青铜低的铜合金。

国际专利申请WO 2015/046459A公开了一种具有优于黄铜性能的Cu-Zn-Ni-Sn基合金。然而，没有提到弹性弯曲极限，所以不清楚是否能用于弹性极限性能对其非常重要的端子和连接器部件。

韩国专利申请10-2008-7030585公开了一种Cu-Zn基合金。然而，该合金与传统黄铜的特性并没有明显的区别，也没有达到目前工业领域要求的强度标准。

发明内容

技术问题：

为解决上述问题，本公开旨在提供一种铜合金，用于端子和连接器，该种铜合金具有满足当前工业领域要求的强度、导电性、弯曲加工性和弹性弯曲极限水平(如后文所述)，而传统技术和制造方法都不能满足当前工业领域的这种要求。

技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于端子和连接器的铜合金，所述铜合金包括：20～35％的锌(Zn)；0.5～2％的镍(Ni)；0.2～1％的铝(Al)；余量为铜(Cu)；以及≤0.1％不可避免的杂质；其中不可避免的杂质包括Si、Sn、Mg、Cr、Fe、P、Ca、Ti、Be、Co、Ag、Pb、Mn和Zr中的至少一种，且所述铜合金包括NiAl析出物，其中Ni的含量[Ni]和Al的含量[Al]同时满足0.7≤[Ni]+[Al]≤3和2≤[Ni]/[Al]≤2.5。

所述铜合金可以具有≥580MPa的拉伸强度，≥300MPa的弹性弯曲极限(Kb)，和≥20％IACS的电导率，并且在垂直于轧制方向的横向(TD)的180°弯曲加工性试验中弯曲曲率半径/试样厚度(R/t)＝0的条件下，具有优异的弯曲加工性，而不会发生开裂。

所述铜合金可以为片式或板式。

根据本公开的另一个方面，提供用于端子和连接器的铜合金的生产方法，包括：通过溶解上述的组成元素铸锭；在800～850℃进行均匀化热处理1～4小时，并以85～95％压下率对所述铸锭进行热轧；以87～98％压下率进行冷轧；在500～600℃进行析出热处理1～10小时；且以10～90％的压下率进行精轧。

有益效果：

根据本公开的铜合金在强度、弯曲加工性和弹性弯曲极限等方面具有优良的特性。此外，当使用本公开的制造工艺制造铜合金时，工艺成本比磷青铜工艺成本降低。

附图说明

图1是根据实施例9制造的铜合金的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片，用于观察NiAl析出物。

具体实施方式

本公开提供了一种用于端子和连接器的铜合金及其制造方法，所述铜合金具有优异强度和弯曲加工性能并具有弹性弯曲极限。在本公开中，除非另有说明，％表示组成元素的含量为质量％。

【根据本公开的铜合金】

以下，将描述根据本公开的铜合金的组成成分。

(1)锌(Zn)

根据本公开，Zn是铜合金的主要元素，表现本公开所要求性能的Zn含量为20～35％。当Zn含量≥20％时，Zn可以溶解在铜基体中，表现出增强作用。相比之下，当Zn的含量超过35％时，很难使用Zn作为端子和连接器的材料，因为尽管添加了下文描述的Ni和Al等元素，但弯曲加工性能降低，弹性弯曲极限降低。

(2)镍(Ni)

当镍添加到铜合金中，普遍认为镍可以改善多种性能，如强度、耐热性、弯曲加工性、耐变色性、抗应力腐蚀开裂性和应力松弛特性。根据本公开，在铜合金中，Ni与Al一起形成了下文所述的NiAl析出物。NiAl析出物可以同时提高强度和电导率，这是最终获得的铜合金中相互对立的性能。当Ni含量小于0.5％时，上述影响非常轻微，当Ni含量超过2％时，这将导致制造成本增加、弯曲加工性降低。因此，Ni在0.5～2％范围内是合适的。

(3)铝(Al)

众所周知，当铝被添加到铜合金中时，铝具有提高耐蚀性和改善金属熔流的效果。在本公开的铜合金中，由于Al与上述Ni一起形成NiAl析出物，相互对立的性能，即强度和电导率，可以通过析出过程同时改善。要求满足下文描述的Ni和Al之间的关系，而Al的含量可以根据Ni的加入量来确定。因此，Al的含量为0.2～1％。

(4)Ni含量与Al含量的关系([Ni]与[Al]的关系)

本公开所述的铜合金包含通过Ni和Al的化学反应产生的NiAl析出物。本公开的铜合金由于NiAl析出物具有比传统黄铜更高的强度和弯曲加工性。Ni和Al含量之间的关系应满足以下两个关系式。

Ni含量与Al含量之比(即，[Ni]/[Al])的范围为2～2.5。在此范围内，NiAl析出物的形成效果最好，而铜基体中的NiAl的溶入量最小。

当Ni和Al的总含量(即，[Ni]+[Al])超过3％时，铜合金强度提高，但弯曲加工性下降，不能满足端子和连接器要求的标准特性。

为了实现本公开的铜合金的特性，Ni含量([Ni]，质量％)和Al含量([Al]，质量％)应同时满足关系式0.7≤[Ni]+[Al]≤3和关系式2≤[Ni]/[Al]≤2.5。

(5)不可避免的杂质

本公开的铜合金包括Si、Sn、Mg、Cr、Fe、P、Ca、Ti、Be、Co、Ag、Pb、Mn和Zr中的至少一种，总含量≤0.1％。杂质是在铜合金的制造过程中添加的元素，且由于使用回收废料(回收的铜原料)，当原料混合在一般的铜合金制造过程中，可能会产生杂质。另外，在原料的熔炼和铸造过程中不可避免地含有杂质。根据本公开，杂质在最终获得的铜合金总量中所占的量非常少，因此不影响铜合金的性能。

【本公开中铜合金的性能】

本公开的铜合金具有≥580MPa的拉伸强度，≥300MPa的弹性弯曲极限(Kb)，≥20％IACS的电导率，并在垂直于轧制方向的横向(TD)的180°弯曲加工性试验中弯曲曲率半径/试样厚度(R/t)＝0的条件下具有优异的弯曲加工性，而不会发生开裂。

一般而言，铜合金的导电性随强度的增加而降低，强度随电导率的增加而降低。因此，很难同时改善这两种性能。在本公开的铜合金中，组成元素Ni和Al反应形成NiAl析出物，从而提高强度和电导率。

强度主要用拉伸强度来表示。拉伸强度是材料的力学性能，它与使用模具将材料加工成端子时的可成形性有关，与加工端子后凹端口和凸端口之间的耦合特性有关。铜合金的拉伸强度越高越有利。然而，如果拉伸强度过度增加，本公开中铜合金另一个所需的特性——弯曲加工性，将过度下降，导致端子尺寸产生偏差，模具严重损坏和磨损。因此，通过实现本公开中所要求的其他属性，自然设定了极限值。相反，如果拉伸强度太低，当端子耦合时就会产生弯曲等缺陷。因此，要求本公开的铜合金的拉伸强度≥580MPa。

本公开的铜合金的弹性弯曲极限为≥300MPa。弹性弯曲极限是指示材料弹性的指标，在KS D 5202或JIS H 3130等标准规格中有规定。当对符合规格的试件施加或移除载荷时，弹性弯曲极限在变形前的初始形状中显示出具有一定弹性的强度。弹性弯曲极限的特性很重要，因为当加工连接器或端子时，材料的变形不应发生在加工部位以外的部位。

电导率是一个基本的特性，连接器材料应具备该特性，而端子作为电流的通道。如果电导率太低，当电阻增加时就会产生热，然后，耦合端子可能会变形。因此，用于汽车连接器的铜合金材料的电导率应至少为10％IACS，理想为≥20％IACS。但是，一般来说，由于铜合金的电导率随强度的增加而降低，强度随电导率的增加而降低，因此很难同时改善这两种性能。本公开的铜合金形成NiAl析出物，使铜合金具有等于或高于传统磷青铜或黄铜的强度，并具有优良的电导率。

可弯曲加工性是制造连接器时最基本的特性。在使用模具进行下料后，最终的形状被加工成轮廓形状。如果材料的弯曲加工性较差，弯曲部分的表面就会产生裂纹，且最终，在受到外部应力时，由于连接强度减弱，电气可靠性丧失。随着端子的小型化，铜合金板的厚度变薄，对弯曲加工性提出了更高的要求。因此，为了将铜合金材料用于汽车连接器，铜合金材料应在弯曲加工性方面表现出零缺陷。这里使用的术语“零缺陷”是指在弯曲加工性试验中不发生裂纹，如下面的实施例所示。特别是，零缺陷应具有在垂直于轧制方向的横向(TD)180°弯曲加工性试验中R/t＝0的条件下不会导致开裂的特性。如果上述特性不满足，该材料可能不适用于轻、薄、短、小的电子部件。由于电子零件具有轻、薄、短、紧密性，所以需要用窄宽度的材料。由于材料的宽度较窄，可加工性增加，而随厚度的减小，会加工成复杂的形状，因此为了承受产品装配或操作过程中施加的应力，需要弯曲加工性，在这种情况下，必需的特性如上所述。

如上所述，本公开所述的铜合金既满足强度又满足弯曲加工性，适用于汽车连接器。为了提高强度，传统的黄铜已经通过轧制板材的加工硬化来实现，这导致弯曲加工性降低。换句话说，传统黄铜不能同时满足强度和弯曲加工性，因此传统黄铜很难应用于汽车连接器。此外，磷青铜的热轧等热加工性很差，因此磷青铜应采用水平连铸等特殊铸造方法制造。然而，由于本公开的铜合金材料在保证弯曲加工性的基础上保证了强度，因此铜合金可用于汽车连接器，并可通过轧制工艺制成板材。

【本公开制造铜合金的方法】

本公开的铜合金可根据以下所描述的制造方法制造。铸锭是根据上述组成溶解组成元素而铸成的。铸锭在800～850℃均匀化热处理1～4小时后，立即以85～95％的压下率热轧。热轧完成后进行水冷，溶解溶质元素，以87～98％的压下率进行冷轧。通过冷轧积累高变形能，增加产生析出物的驱动力后，在500～600℃下进行1～10小时的析出热处理。随后，产品的最终厚度通过以10～90％的压下率进行精轧来确定。

具体地，将描述本公开上述制造铜合金的方法的每个步骤。

首先，通过溶解上述的组成元素铸锭。

在800～850℃对铸锭进行均匀化热处理1～4小时后，立即以85～95％的压下率对所述铸锭进行热轧。均匀化热处理是热轧过程中必不可少的工艺。在这个过程中，在足够热的状态下进行热轧，而不是冷加工，以消除铸造组织，并产生新的再结晶组织。在合金性能中，热轧条件是影响合金性质，如金属组织的一个重要因素。根据热轧条件的不同，热轧后的结构也不同，因此，成品的性能也不同。热轧条件广义上包括热轧温度、热轧道次数和冷却条件，不同条件下热轧后得到的组织也不同。

为了实现本公开中铜合金的性能，热轧温度应在800至850℃的范围内。在热轧温度范围内，可获得无方向性的各向同性再结晶组织。

热轧完成后，立即进行水冷却以溶解溶质元素。在热轧后缓慢冷却的情况下，与水冷却的快速冷却条件下相比，轧制过程和析出过程是在冷却过程中首先产生析出物的状态下进行的，因此在析出过程中可能不会出现物理性能改善的效果。水冷却与快速冷却条件相对应，具有类似于溶液现象的效果，因此在随后的析出过程中可能产生良好的析出物。

接下来，以87％至98％的压下率进行冷轧。通过冷轧积累高变形能，可以增加在随后的析出过程中产生析出物的驱动力。

然后，在500～600℃下进行析出热处理1～10小时。根据本公开的铜合金的特性是，通过析出过程形成NiAl析出物，提高了强度，同时防止了电导率下降。此外，材料内部在冷轧过程中积累的应力可以通过析出过程消除。

随后，产品的最终厚度通过以10～90％的压下率进行精轧来确定。在确定成品厚度时，可根据所需要的物理性能选择合适的下降比。

在上述制造工艺中，必要时可先以30～90％的压下率进行冷轧，然后在析出热处理之后，在最终精轧之前进行中间热处理。压下率为30-90％的冷轧过程和中间热处理工艺解决了表面质量问题，如沉积造成的划痕等(高温和压力导致部分连接)，上述问题可能是由大规模生产线析出热处理设备的工艺或生产条件造成，或由析出热处理后表面酸洗工艺等非必要工艺造成。当物理性能(强度或电导率)的范围超出目标范围，或者因为析出热处理后的产品厚度和精轧后的产品厚度之间存在很大差异而难以确保目标性能时，可以进行中间热处理。在这种情况下，中间热处理可降低强度，但应尽量减少电导率的下降。因此，进行热处理较为重要，可使电导率在0.1～3％IACS范围内下降。如果电导率在0.1％IACS以下的范围内降低，则热处理没有影响。如果电导率在3％IACS以上的范围内降低，热处理的影响很大，但也有可能由于电导率和强度的降低，铜合金的性能超出了目标性能。即使经过上述工艺，最终获得的铜合金的电导率也应≥20％IACS。

实施例

实施例1至14

实施例1～14的样品按表1所列成分制备。样品的制造方法如下所述。

根据表1所列的组分，将包括铜在内的合金元素以1kg为单位混合，并在高频熔炼炉中溶解，制备出厚度为20毫米、宽度为50毫米、长度为160至180毫米的锭。为了清除有缺陷的零件，如快速冷却件和缩孔，将所生产铸锭的各个底部件和顶部件削减20毫米，使用中间部分的铸锭，在850℃下，在箱式电炉中进行2个小时均匀化热处理，然后以压下率为90％进行热轧。热轧完成后，立即进行水冷以防止溶质元素析出。热轧完成后，产品立即水冷以溶解溶质元素。在析出过程之前，压下率为90％的冷轧积累了较高的变形能，以增加产生析出物的驱动力。然后在550℃下进行析出热处理3小时，并以50％的压下率完成冷轧。

最后，制备了精轧的0.3t×30w×200l的铜合金样本，并用于后续试验。对按实施例1～14制备的铜合金样本进行下列试样列出的性能分析结果见表2。

对比例1～14

对比例1～14的样本是在与实施例1～14相同的条件下制备的，其成分如表1所示。

表1

以下实验例描述了按实施例1～14和对比例1～14制备的铜合金样本的性能分析方法，其结果见表2。

实验例

本文将描述一种分析铜合金样本性能的方法，所述铜合金根据实施例和对比例制得。

拉伸强度采用ZwickRoell公司的Z100万能试验机Z100按照KS B0802标准进行测量，电导率按照KS D0240进行测量，弹性弯曲极限按照KS D 5202进行测量。

弯曲加工性按照KSB 0804(金属材料弯曲试验方法)进行测量。

使样本弯曲部分的表面经受弯曲测试，并用光学显微镜对其进行观察和评价。弯曲部分外部的形状或缺陷被观察和评价为如下A级、B级、C级和D级。如果是D级，样本不能用作端子和连接器材料。

弯曲加工性评价等级：

A：良好

B：小褶皱

C：大褶皱

D：裂纹

(表2)

当对比表1和2中实施例1和对比例1的成分和特性，可以认识到，仅在铜合金成分中添加Ni而不添加Al，并不满足本公开的铜合金特性中的拉伸强度和弹性弯曲极限。也就是说，具有对比例1组成的铜合金很难用作端子和连接器的材料，因为强度和弹性弯曲极限都很低。此外，从对比例2可以看出，单纯添加Al也不能满足铜合金的性能。对比例2中的铜合金拉伸强度和弹性极限均较低，难以将其作为端子和连接器的材料。

当将实施例1至4与对比例3至4进行比较时，可以看出，锌的添加量应至少为≥20％，以实现符合本公开铜合金的强度。

在对比例5～9中，当[Ni]+[Al]的添加量超过3％时，强度优良，但弯曲加工性严重恶化，使端子和连接器加工困难。

在对比例10和11中可以证实，即使[Ni]+[Al]的添加量在3％以内，如果[Ni]/[Al]的比例超过2～2.5的范围，弯曲加工性也会恶化。

在对实施例11～14和对比例12～14进行比较时，如果锌的最大含量大于35％，则弯曲加工性和弹性弯曲极限较低，因此无法实现本公开技术中的铜合金特性。

Claims (4)

1.一种用于端子和连接器的铜合金，以质量％计，所述铜合金包括：

20～35％的锌(Zn)；

0.5～2％的镍(Ni)；

0.2～1％的铝(Al)；

余量为铜(Cu)；以及

≤0.1％不可避免的杂质；

其中所述不可避免的杂质包括Si、Sn、Mg、Cr、Fe、P、Ca、Ti、Be、Co、Ag、Pb、Mn和Zr中的至少一种，且所述铜合金包括NiAl析出物，

其中Ni的含量[Ni]和Al的含量[Al]同时满足0.7≤[Ni]+[Al]≤3和2≤[Ni]/[Al]≤2.5。

2.根据权利要求1所述的铜合金，其中所述铜合金具有≥580MPa的拉伸强度，≥300MPa的弹性弯曲极限(Kb)，≥20％IACS的电导率，以及在垂直于轧制方向的横向(TD)的180°弯曲加工性试验中弯曲曲率半径/试样厚度(R/t)＝0的条件下具有优异的弯曲加工性，而不会发生开裂，。

3.根据权利要求1所述的铜合金，其中所述铜合金为片式或板式。

4.一种制备用于端子和连接器的铜合金的方法，所述方法包括：

通过溶解权利要求1中的所述的组成元素铸锭；

在800～850℃进行均匀化热处理1～4小时，并以85～95％的压下率对所述铸锭进行热轧；

以87～98％的压下率进行冷轧；

在500～600℃进行析出热处理1～10小时；并且

以10～90％的压下率进行精轧。

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