CN114507794A - 一种高弹性元件用铜镍锡合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高弹性元件用铜镍锡合金材料及其制备方法。本发明所述铜镍锡合金材料，以质量百分比计，所述铜镍锡合金材料的原料包括如下质量份数的组分：镍8.0～9.3％，锡1.8～2.8％，其余为铜。本发明通过优化高弹性元件铜镍锡合金的成分，结合制备工艺，提高合金冶金过程中铸锭的洁净化和成分的稳定性，控制板带材尺寸精度等方面，弥补现有铜合金弹性和机械性能的不足，提高了合金的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及高弹性元件用合金材料的制备技术领域，特别涉及一种高弹性元件用铜镍锡合金材料及其制备方法。
背景技术
高弹性铜合金广泛应用在电子电工、通信导航、汽车工业和海洋工程等领域，是制造弹性元件和电子元器件的主要材料之一，主要包括各种载流弹性元件以及精密仪表弹性元件，如机器仪表、模具、温度控制器、继电器、汽车零配件等。
目前国内市场上铜基弹性合金以铍青铜和锡磷青铜等材料为主。铍青铜一般是在铜中加入(质量分数)0.2％～2.0％的Be元素，属于时效强化型铜合金，具有高强度、硬度、耐磨、无磁性、导电导热性能好和冲击无火花等优异性能，被认为一种优质的弹性材料，可用于各种高级弹性元件和电子元件的制备。但是，Be元素在生产过程中对人体及环境有害，且合金性能对热处理敏感；高温抗应力松弛能力差，不宜长时间在较高温度下工作；生产工艺复杂，成本较高，使其生产和应用受到了限制。锡磷青铜属于应用最为广泛的铜基弹性合金，但其弹性性能较低，耐疲劳性能差，仅应用于中低端弹性元件。近年来随着工业的发展，人们对合金性能要求的不断提高以及环保意识的增强，铜镍锡系合金和铜镍铝系合金逐渐进入大众视野，尤其是铜镍锡系合金最吸引人们关注。铜镍锡合金是一种新型的高弹性、耐疲劳性能优良的铜基弹性合金，在高端弹性元件和电子元器件领域得到广泛应用。与铍青铜相比，铜镍锡合金生产成本低、无污染且具有较高的强度和硬度、良好的抗腐蚀性以及更加优良的机械加工性能等，并且该合金的使用温度可达200～250℃，抗高温应力松弛性远大于铍青铜，能满足航空、航天、能源开采、智能成型等领域的需要。
铜镍锡合金是一种典型的时效调幅分解强化型铜合金，其性能主要取决于镍和锡合金元素含量。当锡的质量分数大于4％时，合金容易发生调幅分解，能显著提高合金的强度和抗应力松弛性能，但是该合金系列原材料成本昂贵，生产过程中工艺的控制要求严格。当镍和锡含量较少时，尤其锡质量分数小于4％时，铜镍锡合金具有很高的加工硬化性能、良好的导电稳定性和抗应力松弛性能，但是该系列合金的力学性能还难以满足超大规模集成电路的使用要求，其综合机械性能有待提高。此外，普通家用墙壁插座或者插排，要求插拔次数≥5000次，插拔力：1.5N(min)，一般锡磷青铜即可满足要求。对于人流量较大的户外或者公共场所(如机场、高铁站、高速列车、充电桩等)，对插座的使用频率极高，要求插拔次数≥40000次，插拔力：1.5N(min)。锡磷青铜(QSn6.5-0.1)可满足在插拔力≥1.5N时，插拔次数为18500～20000次，插拔30000次时出现裂纹；Cu-9.5Ni-2.3Sn合金可满足在插拔力≥1.5N时，插拔次数为30000～31000次，插拔36000次时出现裂纹。因此无论锡磷青铜还是Cu-9.5Ni-2.3Sn合金均不能满足户外或者公共场所用插座的要求。因此需要对CuNiSn合金进行改性处理以提高合金的力学性能和耐疲劳性能，以满足高频次大电流的弹性元器件的使用要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高弹性元件用铜镍锡合金材料及其制备方法。本发明通过优化高强高弹铜合金成分、提高合金冶金过程中铸锭的洁净化和成分的稳定性、高精度控制板带材尺寸精度等方面，弥补现有铜合金弹性和机械性能的不足，从而提高合金的综合性能。
本发明的技术方案如下：
一种高弹性元件用铜镍锡合金材料，以质量百分比计，所述铜镍锡合金材料的原料包括如下组分：镍8.0～9.3％，锡1.8～2.8％，其余为铜。
进一步地，所述镍为电解镍，所述电解镍中镍含量≥99.96％；所述锡为电解锡，所述电解锡中锡含量≥99.96％；所述铜为电解铜，所述电解铜中铜含量≥99.96％。
一种所述铜镍锡合金材料的制备方法，包括如下步骤，按质量百分比：
(1)分别称取8.0～9.3％镍、1.8～2.8％锡及铜，备用；
(2)将铜加入真空熔炼炉熔化，再加入镍融化后，降温至1050～1100℃，加入锡熔炼得到铜镍锡合金溶液；
(3)将步骤(2)制备的铜镍锡合金溶液浇铸得到铸坯；
(4)将步骤(3)得到的铸坯进行铣面处理，冷轧后退火处理，再精轧得到高弹性元件用铜镍锡合金材料。
进一步地，步骤(2)中，所述熔炼的温度为1150～1250℃，时间为10～15min。
进一步地，步骤(3)中，所述浇铸温度为1050～1150℃。
进一步地，步骤(4)中，所述铣面处理的上下铣面厚度均为0.4～0.6mm。
进一步地，步骤(4)中，所述冷轧的次数为30～40次；所述退火处理的温度为650～750℃，时间为10～15h。
进一步地，步骤(4)中，所述铜镍锡合金材料的厚度为0.25～2.2mm。
本发明所添加合金元素的作用：镍可以与锡或者少量的铜形成(Cu,Ni)3Sn亚稳相，从基体中析出，净化基体并起到沉淀强化的作用；镍的添加抑制了锡在铜中的固溶度，加剧了锡的偏析，因此要严格控制镍的添加含量。同时，镍元素还能细化晶粒，提高合金强度；当锡质量分数小于4％时，铜镍锡合金具有很高的加工硬化性能、良好的导电稳定性和抗应力松弛性能。
本发明有益的技术效果在于：
与传统的Cu-9.5Ni-2.3Sn合金相比，本发明的铜镍锡合金在力学性能、弹性、耐疲劳性能方面均表现优异，且具有良好的冷加工性能，制备工艺简单，易于实现批量化生产。
本发明制备的铜镍锡合金材料具有高弹性，耐疲劳性能优异，抗拉强度可达385～450MPa，断后伸长率为29～36％，硬度为130-150HV，在应力循环周期为106次条件下，合金的疲劳强度可达450MPa。本发明制备的合金材料，可满足在插拔力≥1.5N时，插拔次数为40000～42000次，插拔42000～47000次时出现裂纹，远远高于户外或者公共场所用插座的插拔次数的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1-3的应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1
一种高弹性元件用铜镍锡合金材料，按照质量百分比，包括如下组分：镍8.0％，锡1.8％，余量为铜，其中镍为电解镍，锡为电解锡，铜为电解铜。
上述高弹性元件用铜镍锡合金材料的制备方法，包括如下步骤，按质量百分比：
(1)分别称取8.0％镍、1.8％锡及铜，备用；
(2)先在真空熔炼炉中放入电解铜，熔化后再加入电解镍熔化，熔炼温度为1150℃,之后降温至1050℃，再加入电解锡于1150℃进行熔炼10min得到铜镍锡合金溶液；
(3)将步骤(2)熔炼得到的合金溶液浇铸后得到铸坯，其中，浇铸温度为1050℃；；
(4)铸坯进行铣面处理，上下铣面厚度约为0.4mm，主要除去铸件表面的毛边等不良缺陷，以获得光亮表面；将铣面后的锭坯进行30次的冷轧，冷轧后的板材厚度控制在2.2mm左右；将冷轧板进行氮气氛围退火处理，退火温度为650℃，退火时间10小时；将热处理后的板材进行精轧得到高弹性元件用铜镍锡合金材料，精轧后高弹性元件用铜镍锡合金材料的厚度控制在0.423mm左右。
实施例2
一种高弹性元件用铜镍锡合金材料，按照质量百分比，包括如下组分：镍8.5％，锡2.4％，余量为铜，其中镍为电解镍，锡为电解锡，铜为电解铜。
上述高弹性元件用铜镍锡合金材料的制备方法，包括如下步骤，按质量百分比：
(1)分别称取8.5％镍、2.4％锡及铜，备用；
(2)先在真空熔炼炉中放入电解铜，熔化后再加入电解镍熔化，熔炼温度为1200℃,之后降温至1100℃，再加入电解锡于1200℃进行熔炼12min得到铜镍锡合金溶液；
(3)将步骤(2)熔炼得到的合金溶液浇铸后得到铸坯，其中，浇铸温度为1100℃；；
(4)铸坯进行铣面处理，上下铣面厚度约为0.5mm，主要除去铸件表面的毛边等不良缺陷，以获得光亮表面；将铣面后的锭坯进行35次的冷轧，冷轧后的板材厚度控制在1.5mm左右；将冷轧板进行氮气氛围退火处理，退火温度为680℃，退火时间12小时；将热处理后的板材进行精轧得到高弹性元件用铜镍锡合金材料，精轧后高弹性元件用铜镍锡合金材料的厚度控制在0.306mm左右。
实施例3
一种高弹性元件用铜镍锡合金材料，按照质量百分比，包括如下组分：镍9.3wt％，锡2.8wt％，余量为铜，其中镍为电解镍，锡为电解锡；
一种高弹性元件用铜镍锡合金材料的制备方法，包括如下步骤，按质量百分比：
(1)分别称取8.5％镍、2.4％锡及铜，备用；
(2)先在真空熔炼炉中放入电解铜，熔化后再加入电解镍熔化，熔炼温度为1250℃,之后降温至1150℃，再加入电解锡于1250℃进行熔炼15min得到铜镍锡合金溶液；
(3)将步骤(2)熔炼得到的合金溶液浇铸后得到铸坯，其中，浇铸温度为1150℃；；
(4)铸坯进行铣面处理，上下铣面厚度约为0.6mm，主要除去铸件表面的毛边等不良缺陷，以获得光亮表面；将铣面后的锭坯进行40次的冷轧，冷轧后的板材厚度控制在0.6mm左右；将冷轧板进行氮气氛围退火处理，退火温度为750℃，退火时间15小时；将热处理后的板材进行精轧得到高弹性元件用铜镍锡合金材料，精轧后高弹性元件用铜镍锡合金材料的厚度控制在0.256mm左右。
测试例：
将实施例1-3制备的高弹性元件用铜镍锡合金材料进行测试，通过室温拉伸测试测定抗拉强度和断后伸长率，通过显微硬度测试测定硬度，测试结果如表1所示。
表1
| 实施例 | 抗拉强度(MPa) | 断后伸长率(％) | 硬度(HV) |
| 实施例1 | 395 | 31 | 130.5 |
| 实施例2 | 402 | 36 | 130.5 |
| 实施例3 | 385 | 29 | 147.5 |
图1为本发明实施例1-3的应力-应变曲线，由图1及表1可更加直观地看出本发明制备的合金的抗拉强度大于385Mpa，断后伸长率大于29％。
将实施例1-3制备的高弹性元件用铜镍锡合金材料在循环周期为106次条件下，测试疲劳强度，实施例1制备的合金的疲劳强度可达455MPa；实施例2制备的合金的疲劳强度不小于420MPa；实施例3制备的合金的疲劳强度不小于440MPa。实施例1制备的合金可满足在插拔力≥1.5N时，插拔次数为41000次，插拔43000次时出现裂纹，远远高于户外或者公共场所用插座的插拔次数的要求。实施例2制备的合金可满足在插拔力≥1.5N时，插拔次数为42000次，插拔44000次时出现裂纹，远远高于户外或者公共场所用插座的插拔次数的要求。实施例3制备的合金可满足在插拔力≥1.5N时，插拔次数为40000次，插拔42000次时出现裂纹，远远高于户外或者公共场所用插座的插拔次数的要求。
以上列举仅为本发明的优选实施例而已，本发明并不限于以上实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高弹性元件用铜镍锡合金材料，其特征在于，以质量百分比计，所述铜镍锡合金材料的原料包括如下组分：镍8.0～9.3％，锡1.8～2.8％，其余为铜。
2.根据权利要求1所述的铜镍锡合金材料，其特征在于，所述镍为电解镍；所述锡为电解锡；所述铜为电解铜。
3.一种权利要求1-2任一项所述铜镍锡合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤，按质量百分比：
(1)分别称取8.0～9.3％镍、1.8～2.8％锡及铜，备用；
(2)将铜加入真空熔炼炉熔化，再加入镍融化后，降温至1050～1100℃，加入锡熔炼得到铜镍锡合金溶液；
(3)将步骤(2)制备的铜镍锡合金溶液浇铸得到铸坯；
(4)将步骤(3)得到的铸坯进行铣面处理，冷轧后退火处理，再精轧得到高弹性元件用铜镍锡合金材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述熔炼的温度为1150～1250℃，时间为10～15min。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述浇铸温度为1050～1150℃。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述铣面处理的上下铣面厚度均为0.4～0.6mm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述冷轧的次数为30～40次；所述退火处理的温度为650～750℃，时间为10～15h。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述铜镍锡合金材料的厚度为0.25～2.2mm。
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