CN115652132B - 铜合金材料及其应用和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铜合金材料及其应用和制备方法，涉及铜合金技术领域。本发明提供的铜合金材料，按质量百分比计包括：Co 1.8%~3.5%、Si 0.1%~0.5%、Ti 0.02%~0.5%、Ag 0.02%~0.3%、P 0.03%~0.5%、稀土元素0.01%~0.1%，余量为Cu。该铜合金材料，抗拉强度为630~680MPa，屈服强度为520~590MPa，导电率为61~66%IACS，延伸率为9.4~10.2%，150℃×1000h的应力松弛率11%~18%，90°R/T能达到0~0.5，具有较好的综合性能，能够满足大电流高功率充电设备的应用需求。

Description

铜合金材料及其应用和制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金技术领域，尤其是涉及一种铜合金材料及其应用和制备方法。

背景技术

近年来，5G通讯产业和新能源汽车行业迎来了飞速的发展，而充电效率问题是制约行业发展的瓶颈，因此快速充电技术的发展显得尤为重要。对于3C类快充设备，目前50-60%IACS的材料只能满足5~8A的充电需求，对于新一代的快充充电需求达到12~15A，这就需要更高的导电率。同时，高电流会使工作温度升高，这就使铜合金需要抗高温软化能力和抗应力松弛能力。对于新能源汽车充电接口连接器，也需要强度、导电率、抗应力松弛、抗折弯的构功能一体化材料，来保证产品的充电效率和使用寿命。

在有色合金领域中，定义高强高导合金为：抗拉强度大于600MPa，导电率大于60%IACS。查询GB/T 5231-2022《加工铜及铜合金牌号和化学成分》标准，满足上述的合金仅有Cu-Mg合金（TMg0.5），但是此合金强度和导电率均不足；目前产业化生产铜及铜合金带箔材的高强高导合金仅有C64800，其抗拉度达到650MPa，但导电率仅能达到60%IACS，此合金仅有日本一家企业可以产业化生产；但其抗折弯性能不足，在90°下R/T值为1.5，不利于实现小部件的精细化加工，限制了其进一步使用。

现有的Cu-Co-Si系合金导电性和抗折弯性能无法满足要求，因此需要开发出抗拉强度大于650MPa，导电率大于65%IACS，抗应力松弛能力强，90°下折弯性能优良的高性能铜合金，以满足通讯产业和新能源汽车行业发展的需求。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种铜合金材料，其强度高、导电性好、抗弯折，能够解决上述问题中的至少一种。

本发明的第二目的在于提供上述铜合金材料在引线框架中的应用。

本发明的第三目的在于提供上述铜合金材料的制备方法。

第一方面，本发明提供了一种铜合金材料，按质量百分比计包括：Co 1.8%~3.5%、Si 0.1%~0.5%、Ti 0.02%~0.5%、Ag 0.02%~0.3%、P 0.03%~0.5%、稀土元素0.01%~0.1%，余量为Cu。

作为进一步技术方案，所述稀土元素为La、Ce和Y；

所述La、Ce和Y的质量比为（4-6）：（2-4）：1。

作为进一步技术方案，所述铜合金材料包含S｛123｝<634>织构、Brass{011}<211>织构、Cu{112}<111>织构和Cube{001}<100>织构；

所述S｛123｝<634>织构的体积占比为7~15%，Brass{011}<211>织构的体积占比为10~20%，Cu{112}<111>织构的体积占比为15~30%，Cube{001}<100>织构的体积占比为25~45%。

第二方面，本发明提供了上述铜合金材料在元器件中的应用。

第三方面，本发明提供了上述铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：按照质量百分比配料，然后依次进行熔炼、铸造、热轧处理、第一次冷轧、中间退火处理、第二次冷轧、高温固溶处理、第三次冷轧和时效处理，制备得到所述铜合金材料。

作为进一步技术方案，所述熔炼的温度的为1240~1300℃；

所述铸造的温度为1210~1250℃，拉铸的速度为60~90mm/min。

作为进一步技术方案，所述热轧处理为将铸造得到的铸锭依次进行第一次热轧、保温和第二次热轧；

所述第一次热轧的温度为880~960℃；

所述保温的时间为2~6h；

所述第二次热轧的温度为650~800℃。

作为进一步技术方案，所述第一次冷轧的总变形为70%~90%；

所述第二次冷轧的总变形量为60%~80%；

所述第三次冷轧的总变形量为20%~60%。

作为进一步技术方案，所述中间退火处理的温度为500~600℃，保温时间为5~8h；

所述固溶处理的温度为930℃~1030℃，退火速度为10~20m/min，冷却速度为60~80℃/s；

所述时效处理的温度为400~600℃，保温时间为1~6h。

作为进一步技术方案，所述热轧处理和第一次冷轧之间还包括铣面。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过在材料中添加Ti、Ag、P和稀土元素，提升了Cu-Co-Si系铜合金的导电性，同时使其具有优异的抗折弯性能。其中，Ag、P元素的协同作用，提高Cu-Co-Si合金中Co₂Si相的析出量，使合金保持高导电性；Ti元素，引入细小的β′-Cu₄Ti相，提高合金的耐蚀性能、抗应力松弛性能和抗折弯性能；添加稀土元素，例如La、Ce、Y元素，可以显著去除纯铜中Sn、Pb等杂质元素，其净化作用随着稀土La含量的升高而增强。同时La元素可以显著细化铜合金的晶粒，提升合金抗拉强度，此外还能减少不均匀的微观组织和Brass织构，抑制折弯过程中剪切带的产生，从而提升带材的折弯性能；同时多种稀土元素的复合添加能增加流动应力和活化能，从而获得尺寸更细数量更多的Co₂Si沉淀相，以提升Cu-Co-Si的强度和导电性。

本发明的提供的铜合金材料，抗拉强度为630~680MPa，屈服强度为520~590MPa，导电率为61~66%IACS，延伸率为9.3~10.2%，150℃×1000h的应力松弛率11%~18%，90°R/T能达到0~0.5，具有较好的综合性能，能够满足大电流高功率充电设备的应用需求。

具体实施方式

下面将结合实施方式和实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

第一方面，本发明提供了一种铜合金材料，主要由Co、Si、Ti、Ag、P、稀土元素和Cu组成，按质量百分比计，Co例如可以为，但不限于1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3%、3.3%或3.5%；Si例如可以为，但不限于0.1%、0.2%、0.3%、0.4%或0.5%；Ti例如可以为，但不限于0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；Ag例如可以为，但不限于0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%；P例如可以为，但不限于0.03%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；稀土元素例如可以为，但不限于0.01%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%或0.1%；

本发明中，所添加元素的作用如下：

钴：Co元素主要与Si元素析出细小分散的Co₂Si相，起到沉淀强化的作用。此外，Co元素还能起到固溶强化的作用，但固溶度高会影响合金导电率。

硅：主要用于与Co元素形成Co₂Si金属间化合物的微小粒子，从而使铜合金的强度增加，同时导电率也提高。优选控制Co与Si的比例在4~10之间，以获得最佳综合效果（包括力学性能、导电率及折弯）。

钛：与铜基体形成细小的β′-Cu₄Ti相，提高合金的耐蚀性能、抗应力松弛性能和抗折弯性能。其添加量在0.02~0.5%能取得较好的效果，若超过0.5%则存在导电性明显降低的情况。

银：加入少量的Ag元素可以显著提高Cu-Co-Si合金的强度和硬度，银原子溶解在基质中，引起明显的硬化。虽然Ag元素的固溶强化引起的晶格畸变会增加电子散射，但是Ag的加入也能促进Co₂Si相的沉淀，从而减弱了Co与Si原子引起的晶格畸变，抵消了Ag加入对导电率的不利影响。因此将Ag的添加量控制在0.02%~0.3%，可以在提高强度的同时避免导电率的损失。

磷：引入少量的P元素可以提高Co₂Si和β′-Cu₄Ti相的弥散度，使合金在保持高导电性、高强度的同时，具有出色的抗弯折性能。

在一些优选的实施方式中，所述稀土元素为La、Ce和Y；

所述La、Ce和Y的质量比例如可以为，但不限于4：4：1、6：2：1或5：3：1，优选为5：3：1。

La、Ce、Y元素：添加稀土元素可以显著去除纯铜中Sn、Pb等杂质元素，其净化作用随着稀土La含量的升高而增强。同时La元素可以显著细化铜合金的晶粒，提升合金抗拉强度，此外还能减少不均匀的微观组织和Brass织构，抑制折弯过程中剪切带的产生，从而提升带材的折弯性能；同时多种稀土元素的复合添加能增加流动应力和活化能，从而获得尺寸更细数量更多的Co₂Si沉淀相，以提升Cu-Co-Si的强度和导电性。

经发明人研究发现，Cu-Co-Si合金导电性能难以达到65%IACS的原因是Co和Si溶解在铜基体中，引起晶格畸变导致电子散射，从而降低了导电率。因此，本发明在Cu-Co-Si合金的基础上引入Ti、Ag、P和稀土元素，该铜合金材料，抗拉强度为630~680MPa，屈服强度为520~590MPa，导电率为61~66%IACS，延伸率为9.4~10.2%，150℃×1000h的应力松弛率11%~18%，90°R/T能达到0~0.5，具有较好的综合性能，能够满足大电流高功率充电设备的应用需求。

在一些优选的实施方式中，所述铜合金材料包含S｛123｝<634>织构、Brass{011}<211>织构、Cu{112}<111>织构和Cube{001}<100>织构；

所述S｛123｝<634>织构的体积占比为7~15%，Brass{011}<211>织构的体积占比为10~20%，Cu{112}<111>织构的体积占比为15~30%，Cube{001}<100>织构的体积占比为25~45%。

此外，本发明提供的铜合金材料中，具有6nm~20nm的棒状和圆盘状Co₂Si相。

第二方面，本发明提供了上述铜合金材料在元器件中的应用。

本发明提供的铜合金材料，其强度高、导电性好、抗弯折，能够用于引线框架、抗弯折弹性元器件和汽车电子元器件等的制备。

第三方面，本发明提供了上述铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：按照质量百分比配料，然后依次进行熔炼、铸造、热轧处理、第一次冷轧、中间退火处理、第二次冷轧、高温固溶处理、第三次冷轧和时效处理，制备得到所述铜合金材料。

该制备方法简单方便，制备得到的铜合金性能优异。

目前常规铜合金材料的制备工艺有：1）热轧、第一次冷轧、高温固溶处理、第二次冷轧和时效处理，此为流程短生产工艺，但织构组织不良，且晶粒度易偏大；

2）热轧、第一次冷轧、高温固溶处理、第二次冷轧、第一次时效处理、第三次冷轧、第二次时效处理，此工艺力学性能高，但加工织构多，易发生折弯开裂现象。

在一些优选的实施方式中，所述熔炼的温度的例如可以为，但不限于1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃或1300℃；

在一些优选的实施方式中，所述铸造的温度例如可以为，但不限于1210℃、1220℃、1230℃、1240℃或1250℃，拉铸的速度为60~90mm/min。

在一些优选的实施方式中，所述热轧处理为将铸造得到的铸锭依次进行第一次热轧、保温和第二次热轧；

所述第一次热轧的温度例如可以为，但不限于880℃、900℃、920℃、940℃或960℃；

所述保温的时间例如可以为，但不限于2h、3h、4h、5h或6h；

所述第二次热轧的温度例如可以为，但不限于650℃、700℃、750℃或800℃。热轧结束后进行水冷。

在一些优选的实施方式中，所述第一次冷轧的总变形例如可以为，但不限于70%、75%、80%、85%或90%。

在一些优选的实施方式中，所述第二次冷轧的总变形量例如可以为，但不限于60%、65%、70%、75%或80%。

在一些优选的实施方式中，所述第三次冷轧的总变形量例如可以为，但不限于20%、30%、40%、50%或60%。

在一些优选的实施方式中，所述中间退火处理的温度例如可以为，但不限于500℃、520℃、540℃、560℃、580℃或600℃，保温时间例如可以为，但不限于5h、6h、7h或8h，冷却方式例如可以为氢气和氮气的混合气体冷却。

在一些优选的实施方式中，所述固溶处理的温度例如可以为，但不限于930℃℃、950℃、970℃、990℃、1010℃或1030℃，退火速度例如可以为，但不限于10m/min、12m/min、14m/min、16m/min、18m/min或20m/min，冷却速度例如可以为，但不限于60℃/s、64℃/s、68℃/s、72℃/s、76℃/s或80℃/s，冷却方式例如可以为氢气和氮气的混合气体冷却。

在一些优选的实施方式中，所述时效处理的温度例如可以为，但不限于400℃、450℃、500℃、550℃或600℃，保温时间例如可以为，但不限于1h、2h、3h、4h、5h或6h，冷却方式例如可以为氢气和氮气的混合气体冷却。

在一些优选的实施方式中，所述热轧处理和第一次冷轧之间还包括铣面，例如，对铸锭表面进行1mm铣面。

下面通过具体的实施例和对比例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

实施例1

一种铜合金材料，按质量百分比计，包括Co 1.8%、Si 0.1%、Ti 0.02%、Ag 0.03%、P0.05%、稀土元素（La、Ce、Y的质量比为5:3:1）0.05%，余量为Cu。

制备方法如下：

a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造，b.热轧，c.铣面，d.初轧（第一次冷轧），e.中间退火处理，f.中轧（第二次冷轧），g.高温快速固溶处理，h.精轧（第三次冷轧），i.时效处理。

在步骤a中，在非真空感应炉中加入电解铜、纯钴，待以上材料均熔化后，继续加铜硅中间合金、铜钛中间合金、铜银中间合金、铜磷中间合金，稀土元素（铜镧、铜铈、铜钇），将温度升至1240~1300℃，待熔体完全熔化后，将熔体倒入保温炉中均匀搅拌，铸造温度控制在1210~1250℃，保温30min后拉铸，拉铸的平均速度为60~90mm/min。

在步骤b中，所述热轧加热温度为880~960℃，保温时间为2~6h，然后再进行热轧，终轧（第二次热轧）温度控制在650~800℃，随后进行水冷。

在步骤c中，对铸锭表面进行1mm铣面。

在步骤d中，将铣面后的合金板材进行初轧，所述初轧的总变形量为70~90%。

在步骤e中，所述中间退火温度为500~600℃，保温时间为5~8h，冷却方式为氢气和氮气的混合气体。

在步骤f中，将退火处理后的合金板材进行中轧，所述中轧的总变形量为60~80%。

在步骤g中，所述高温固溶处理的温度为930℃~1030℃，退火速度10~20m/min，冷却速度60~80℃/s，冷却方式为氮气和氢气的混合气体。

在步骤h中，将固溶处理后的合金带材进行精轧，所述精轧的总变形量为20~60%。

在步骤i中，将冷轧后板材在钟罩式退火炉中进行时效处理，所述时效温度为400~600℃，保温时间为1~6h，冷却方式为氢气和氮气的混合气体。

实施例2~15

实施例2~15与实施例1的区别在于元素配比不同，实施例2~15铜合金材料的元素配比如表1所示。

表1

。

试验例1

对实施例1-15提供的铜合金材料的抗拉强度、屈服强度、导电率、延伸率、150℃下1000h应力松弛率、抗折弯性能进行检测，结果如表2所示。

表2

。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种铜合金材料，其特征在于，按质量百分比计包括：Co 1.8％～3.5％、Si 0.1％～0.5％、Ti 0.02％～0.5％、Ag 0.02％～0.3％、P 0.03％～0.5％、稀土元素0.01％～0.1％，余量为Cu；

所述稀土元素为La、Ce和Y；

所述La、Ce和Y的质量比为(4-6)：(2-4)：1；

所述铜合金材料包含S{123}<634>织构、Brass{011}<211>织构、Cu{112}<111>织构和Cube{001}<100>织构；

所述S{123}<634>织构的体积占比为7～15％，Brass{011}<211>织构的体积占比为10～20％，Cu{112}<111>织构的体积占比为15～30％，Cube{001}<100>织构的体积占比为25～45％；

所述铜合金材料的抗拉强度为636～680MPa，屈服强度为548～590MPa，导电率为63～66％IACS，延伸率为9.6～10.2％，150℃×1000h的应力松弛率11％～15％，90°R/T能达到0～0.5。

2.权利要求1所述的铜合金材料在元器件中的应用。

3.权利要求1所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照质量百分比配料，然后依次进行熔炼、铸造、热轧处理、第一次冷轧、中间退火处理、第二次冷轧、高温固溶处理、第三次冷轧和时效处理，制备得到所述铜合金材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度的为1240～1300℃；

所述铸造的温度为1210～1250℃，拉铸的速度为60～90mm/min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热轧处理为将铸造得到的铸锭依次进行第一次热轧、保温和第二次热轧；

所述第一次热轧的温度为880～960℃；

所述保温的时间为2～6h；

所述第二次热轧的温度为650～800℃。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一次冷轧的总变形为70％～90％；

所述第二次冷轧的总变形量为60％～80％；

所述第三次冷轧的总变形量为20％～60％。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述中间退火处理的温度为500～600℃，保温时间为5～8h；

所述固溶处理的温度为930℃～1030℃，退火速度为10～20m/min，冷却速度为60～80℃/s；

所述时效处理的温度为400～600℃，保温时间为1～6h。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热轧处理和第一次冷轧之间还包括铣面。