CN113430416B - 一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铜合金材料技术领域，具体涉及一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料，其组成元素及质量百分比为：Te为0.05～0.4％、Bi为0.05～0.35％、B为0.05～0.1％、P为0.05～0.1％、Mg为0.05～0.3％、Se为0.005～0.03％、Nb为0.005～0.03％、La为0.005～0.05％、Zn为35～40％、余量为Cu和不可避免的杂质。本发明的碲铜合金材料铅含量极低，安全环保，具有较高的导电率和良好的切削机加工性能、力学强度、抗氧化性能和耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金材料技术领域，具体涉及一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料。
背景技术
铜合金材料因具有良好的导热、导电、耐腐蚀性能，以及良好的制造加工性能，因而被广泛应用于电力、电工、机械、航天等众多领域。随着高新科技的飞速发展，传统的铜合金材料的性能已不能满足目前工业发展的需求，尤其是需要同时满足高强度、高导电性、抗氧化、耐热和耐腐蚀等综合性能，如电线电缆、转换接触器、电子仪器连接器、电机换向器等使用的铜合金材料不仅需要具备足够的机械强度，同时还要具备良好的导电性能、抗电弧、耐腐蚀以及高温抗氧化等综合性能。目前常规的具备高导电性能的铜合金材料多含有铅，由于含铅铜合金在生产和使用过程中铅很容易溶出而造成环境污染，也极易对人体或其他生物产生危害，因此提高金属材料各项性能的同时降低铅含量是一个重要的发展方向。碲铜合金材料因其具备极好的易切削性能和优良的导电、导热性能以及抗腐蚀性能，常用于制造精密电子电器元器件、高级机电零件、电气接触件和开关部件等。但是碲以弥散相Cu2Te分布在铜中，含量过多不仅影响其导电率还会造成加工过程中产生热脆现象，因此需要合理优化铜合金中的碲含量保证合金材料具有良好的导电性能和易切削性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有精密导电器体用铜合金材料中的不足，提供一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料，该合金材料具有较高的导电率和良好的切削机加工性能，铅含量极低，安全环保，且具有良好的机械强度、高灭弧性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能。
一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料，其组成元素及质量百分比为：Te为0.05～0.4％、Bi为0.05～0.35％、B为0.05～0.1％、P为0.05～0.1％、Mg为0.05～0.3％、Se为0.005～0.03％、Nb为0.005～0.03％、La为0.005～0.05％、Zn为35～40％，余量为Cu和不可避免的杂质。
进一步地，其组成元素及质量百分比为：Te为0.2～0.3％、Bi为0.15～0.2％、B为0.05～0.1％、P为0.05～0.1％、Mg为0.1～0.2％、Se为0.005～0.03％、Nb为0.005～0.03％、La为0.005～0.03％、Zn为35～40％，余量为Cu和不可避免的杂质。
进一步地，其组成元素及质量百分比为：Te为0.05～0.15％、Bi为0.05～0.12％、B为0.05～0.08％、P为0.05～0.08％、Mg为0.1～0.13％、Se为0.005～0.01％、Nb为0.005～0.01％、La为0.005～0.015％、Zn为35～40％，余量为Cu和不可避免的杂质。
进一步地，所述合金材料中的Te以碲铜中间合金的形式作为原料添加，所述碲铜中间合金中Te的含量为30～50％。
进一步地，所述合金材料中的B以硼铜中间合金的形式作为原料添加，所述硼铜中间合金中B的含量为10％。
进一步地，所述合金材料中的Bi分别以单质金属的形式作为原料添加。
进一步地，所述P以磷铜中间合金的形式作为原料添加，所述磷铜中间合金中P的含量为10～13％。
进一步地，所述杂质的总量不大于0.2％，所述合金材料中铅的质量百分比含量小于0.005％。
本发明的无铅易切削高导电率的碲铜合金材料中限定金属种类及添加量的原因在于：
碲铜合金：碲以独立相Cu2Te弥散分部于铜基体中，高温稳定性好，使得切屑易断，从而改善铜合金材料的切削性能、导电性能和灭弧性能。Te含量大于0.4％，材料的焊接性能下降并且增加材料的成本。Te含量低于0.05％，材料的切削性能改善不够明显，优选Te含量在0.05～0.4％之间。
铋：在合金材料中加入铋能够改善材料的切削性能，铋在250℃与铜产生共晶体，当铋含量为1～2％以内时，在(α+β)相中呈点状分布均匀，切削沫不易断屑，从而铜屑呈细长螺旋状，又因铜屑长时间与刀具大面积接触，切削阻力大，刀具容易发热，会使铜屑颜色出现深黄现象。当铜合金中的铋含量铋含量在0.05～0.35％时，铜屑细小，呈针状，铜屑松散材料的切削性能得到改善，材料的脆性降低。
硼铜合金：微量硼的加入能使铜合金的晶粒明显细化，显著提升铜的机械强度和耐腐蚀性能和抗冲蚀能力。当硼含量过多时会以硼化物的形式从铜合金中析出，降低材料的塑性，因此，硼含量优选为0.05～0.1％。
铜磷合金：微量磷的加入能提高铜的流动性以及具有脱氧的作用，磷在铜中主要以(α+Cu3P)共晶的形式存在，Cu3P化合物具有很高的硬度，能够显著提高合金材料的力学性能，当磷含量低于0.05％，对材料流动性和脱氧效果不明显，超过0.1％对材料的切削性能改善效果不明显，所以磷含量优选范围在0.05～0.1％。
镁：在合金材料中加入镁能够提高材料的耐腐蚀性和热加工性能，并球化基体提高合金材料的切削性能以及抗应力松弛的特性，同时还可以起到脱氧脱硫、降低合金中杂质含量的作用。Mg含量优选范围为0.05～0.3％。
硒：合金材料中加入硒能够改善材料的机械性能，使材料的结构更加致密，可高速切削，加工的零件表面更光洁，硒含量优选为0.005～0.03％。
铌：合金材料中加入添加铌元素可以细化晶粒，降低合金材料的过热敏感性和回火脆性，显著改善铜合金的强度、韧性以及高温力学性能，铌含量优选为0.005～0.03％。
镧：合金材料中加入添加镧能够提高铜的导电率，可与铜合金中的铋形成高熔点化合物，细化晶粒，提高材料的切削性能，也可提高材料的高温热塑性，镧含量优选为0.005～0.05％。
与常规的精密导电器体用铜合金材料相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过调整合金材料中的各金属元素的添加量以得到最佳的累积效果，各元素之间相互协同作用，细化晶粒、净化晶界，使得材料更加致密，从而确保合金材料具有优良的力学性能、切削性能、高温抗氧化性能和较高的导电率。本发明提供的无铅易切削高导电率的碲铜合金材料环保安全，铅含量极低，机械强度高，具有较高的导电率和良好的切削机加工性能以及高灭弧性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能。本发明通过在合金材料中添加0.05～0.4％含量的碲与铜产生共晶体，显著改善材料的切削性能和导电性能；通过加入铌、镧等元素降低铜合金的晶粒细度，净化熔体除杂，提高合金材料的机械强度和切削性能以及导电率；以磷铜合金的形式添加微量的磷元素，可以提高材料的力学性能和切削加工性能。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，应当理解，以下所述的实施例，仅是本发明的较佳实施例，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及有益效果，仅用于说明和解释本发明，并非用于限定本发明。
本发明各实施例中所提供的无铅易切削高导电率的碲铜合金材料的制备方法为行业内铜合金常规的生产工艺，大致流程为：
配料→工频感应电炉熔炼(合金化处理，石墨鳞片覆盖保护)→全连铸φ103mm的铸锭(熔炼温度1200℃～1300℃，浇注时除气)→1250吨反向挤压机660～680℃挤压→φ35mm→φ20mm→φ15mm，各组分最终含量均落入配分含量范围；其中，配料过程中用的Bi为纯铋锭，P是以铜磷中间合金的形式加入，B以硼铜中间合金的形式加入，Te是以碲铜中间合金的形式加入，各组分最终含量均落入配分含量范围。
对比例1中的铅黄铜材料也采用同样的工艺条件加工而成。
本发明实施例1～5的无铅易切削高导电率的碲铜合金材料和对比例1的铅黄铜材料的具体成分含量，如表1所示。
表1实施例1～5与对比例1中合金材料的组分(wt％)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 |
| Cu | 64.402 | 59.447 | 63.902 | 59.303 | 60.96 | 63.5 |
| Te | 0.06 | 0.11 | 0.3 | 0.15 | 0.22 | — |
| Bi | 0.17 | 0.05 | 0.28 | 0.12 | 0.2 | — |
| B | 0.05 | 0.05 | 0.07 | 0.08 | 0.1 | — |
| P | 0.1 | 0.05 | 0.09 | 0.05 | 0.06 | — |
| Mg | 0.05 | 0.13 | 0.18 | 0.11 | 0.25 | — |
| Se | 0.012 | 0.008 | 0.005 | 0.024 | 0.015 | — |
| Nb | 0.005 | 0.013 | 0.006 | 0.017 | 0.026 | — |
| La | 0.018 | 0.03 | 0.015 | 0.023 | 0.005 | — |
| Zn | 35 | 40 | 35 | 40 | 38 | 33.61 |
| Pb | 0.003 | 0.002 | 0.002 | 0.003 | 0.004 | 2.52 |
| 杂质 | 0.13 | 0.11 | 0.15 | 0.12 | 0.16 | 0.37 |
将实施例1～5和对比例1中的合金材料，分别进行力学性能、导电性能和切削性能测试，结果如表2所示。表2中的切削性能评价的方法通常是固定切削工艺参数，测定切削力与易切削铅黄铜HPb63-3相对比，得到相对切削率。但是实际生产中常根据切削形状大小、排屑顺畅程度、刀具磨损程度来判定材料可切削性能的“好”或“差”。本发明采用的是切屑形态试验方法，主轴转速为1000rpm/min，进给量为0.16mm/rer，吃刀深度为1mm。其中“优”表示切削性能好，“良”表示切削性能良好，“差”表示切削性能差。
表2实施例1～5与对比例1中的合金材料性能比较
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 | |
| 延伸率(％) | 8.5 | 8.2 | 8.3 | 9.1 | 8.6 | 7.8 |
| 抗拉强度(Mpa) | 587 | 565 | 563 | 554 | 572 | 570 |
| 电导率IACS(％) | 97.5 | 96.4 | 98.2 | 96.5 | 97.8 | 70.5 |
| 切削性能 | 优 | 优 | 优 | 优 | 优 | 差 |
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料，其特征在于，其组成元素及质量百分比为：Te为0.05～0.15％、Bi为0.05～0.12％、B为0.05～0.08％、P为0.05～0.08％、Mg为0.1～0.13％、Se为0.005～0.01％、Nb为0.005～0.01％、La为0.005～0.015％、Zn为35～40％，余量为Cu和不可避免的杂质；
所述合金材料中的Te以碲铜中间合金的形式作为原料添加，所述碲铜中间合金中Te的含量为30～50％；
所述合金材料中的B以硼铜中间合金的形式作为原料添加，所述硼铜中间合金中B的含量为10％；
所述合金材料中的Bi分别以单质金属的形式作为原料添加。
2.根据权利要求1所述的一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料，其特征在于，所述P以磷铜中间合金的形式作为原料添加，所述磷铜中间合金中P的含量为10～13％。
3.根据权利要求1所述的一种无铅易切削高导电率的碲铜合金材料，其特征在于，所述杂质的总量不大于0.2％，所述合金材料中铅的质量百分比含量小于0.005％。
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