CN1237212A - 铜合金及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种主要组成为锡含量约0.1－约1.5%(重量),磷约0.01－约0.35%(重量),铁约0.01－约0.8%(重量),锌约1.0－约15%(重量)和余量主要为铜的一种铜基合金,含有均匀分布于整个基体中的磷化物颗粒。该合金特征为具有优良的物理综合性能。所述生产该铜基合金的方法包括铸造、均化、轧制、中间退火和应力消除退火。

Description

铜合金及其生产方法
相关申请相互参照
本申请涉及1996年11月7日申请，申请号为08/747014，题为“铜合金及其生产方法的一项美国专利申请和1996年12月26日申请，申请号为08/780116，题为铜合金及其生产方法的另一项美国专利申请。发明背景
本发明涉及在电气应用上有实用价值的铜基合金及其生产所述铜基合金的方法。
有一些铜基合金由于其特殊的性能极为适合用来作插接件，引线座和其它的电气应用。尽管存在着这样一些合金。但仍然需要能用于要求大于80KSI的高屈服强度，同时具有良好的成形性，使其在R/T比值等于或小于1时严重弯曲成180°，外加高温下低的应力松弛性和没有应力腐蚀裂纹场合下铜基合金。目前所用的这些合金，要么是不能完全满足这些要求，要么是高成本缺乏市场竞争力或有其它一些明显的缺点，急待研制一种能满足上述要求的铜基合金。
铍铜合金通常具有很高的强度和传导性，同时具有良好的应力松弛特性。但是，铍铜合金受到其成形性的限制。限制之一就是难以弯曲到180°。另外，铍铜的价格昂贵并往往在制成予定的部件后，需要额外的热处理。这就必然更进一步地增加成本。
各种磷青铜材的合金具有良好的强度和优秀的成形性能且价格低廉，广泛地用于电子和电讯工业。但是，在高温条件下例如在汽车所用发动机罩下的条件传导大电流时，磷青铜材不合乎要求。这一点和其高热应力松弛速率使磷青铜材很难适合于更多的应用。
高铜、高传导性的合金具有许多合乎要求的性能，但是一般不具有许多应用所希望的机械强度。这些合金中的典型代表包括(但不限于)铜合金110、122、192和194。
代表现有技术的专利包括美国专利：4,666,667,4,627,960,2,062,427,4,605,532,6,586,967,4,822,562和4,935,076。
因此，人们渴望研制出具有综合理想性能的铜基合金，使其能很好适宜于许多应用。发明概述
根据本发明，业已发现前面所述的目的是容易达到的。
根据本发明的铜基合金主要组成为：锡量约0.1％-约1.5％，最好约0.4％-0.9％，磷约0.01％-0.35％，最好约0.01％-约0.1％，铁约0.01％-约0.8％，最好约0.05％-约0.25％，锌约1.0％-约15％，最好约6.0％-约12.0％，和余量基本为铜。合金中如果含有各约为0.5％的镍和/或钴是特别有益的，含量最好分别为约0.001％-约0.5％。根据本发明的合金也可含有高达0.1％的下列诸元素中的每一种：铝、银、硼、铍、钙、铬、铟、锂、镁、锰、铅、硅、锑、钛利锆。当用于本发明中时，百分数为重量百分数。
在本发明的铜合金中，如能形成铁和/或镍和/或镁或其组合的磷化物颗粒，均匀分布于整个基体中是所希望和有益的，因为这些颗粒起着提高合金的强度，传导性和应力松弛性的作用。该磷化物颗粒可能具有的粒径为50至约0.5μ，并且可能含有较细和较粗的组分。较细组分可能具有的粒径约为50-250，最好约为50-200，较粗组分可能具有的粒径一般为0.075-0.5μ，最好为0.075-0.125μ。
本发明的合金具有各种优良的性能，使其极为适合用作插接件，引线座、弹簧和其它电气应用。该合金具有融机械强度、成形性、热和电的传导性及应力松弛性为一体的优异而独特的性能。
本发明的生产方法包括：先铸造具有前面所述组成的铜基合金；然后，至少一次在温度约1000-1450°F下均化至少一小时；轧制至最终尺寸，这期间包括至少一次在温度650-1200°F至少一小时的中间退火过程和在温度300-600°F下至少一小时的应力消除退火过程，由此获得的铜基合金含有均匀分布于整个基体的磷化物颗粒。如上合金中也可以含有镍和/或钴。最佳实施方案的详细说明
本发明的合金是改进的铜-锡-锌合金。该合金以高强度、良好的成形性、高传导性和应力松弛性为其特征，这些性能体现了超过原合金各种性能的重大改进。
根据本发明的合金包括主要组成为：锡量约0.1-1.5％，最好为0.4％-约0.9％，磷约0.01％-约0.35％，最好约0.01％-约0.1％，铁约0.01％-约0.8％，最好约0.05％-约0.25％，锌约1.0％-约15％，最好约6.0％-12.0％，和余量基本上为铜的那些铜基合金。这些合金的独特之处就是含有均匀分布于整个基体的磷化物颗粒。
这些合金也可以含有高达约0.5％的镍和/或钴，最好是此二者中的一种或组合起来约0.001％-约0.5％。
有一种合金在合金的组合中含有下列元素的一种或多种：铝、银、硼、铍、钙、铬、铟、锂、镁、锰、铅、硅、锑、钛和锆。这些元素的含量总和低于0.1％，通常每种超过其0.001％。用这些元素中的一种或多种来改进合金的机械性能诸如应力松弛性能。但是，较高数量会影响合金的传导性和成形性。
前面所述磷的添加剂能使金属保持脱氧状态从而能在磷含量限定的范围内使之能够铸造成优质金属，并且在合金进行热处理下，磷与铁和/或铁和镍和/或铁和/或这些元素组合起来形成磷化物，如果是这样的话，就会显著地降低合金在传导性方面的损失，这取决于这些元素在基体中是否完全呈固溶体状。特别希望能形成均匀分布于整个基体中的磷化铁，因为这有助于通过阻塞位错移动来改进合金的应力松弛性能。
铁含量在约0.01％-约0.8％，尤其是在约0.05％-约0.25％范围内时能提高合金的强度，铁通过起到晶粒生长抑制剂的作用。促进细晶粒结构并且与该范围内的磷结合有助于改进应力松弛性能而对合金的电和热传导性没有负面影响。
含量各约为0.001％-0.8％的镍和/或钴，是理想的添加剂，因为它们可通过细化晶粒和完全分布于整个基体来改进应力松弛性能和强度，对合金的传导性具有正面影响。
本发明的生产方法包括铸造具有前面所述组成的铜基合金。在已知技术中任何一种适宜的铸造方法如水平连铸法都可用来生产厚度约0.500-0.750英寸的合金带材。加工过程包括至少一次在温度约1000-1450°F之间的均化过程，时间至少一小时，最佳的时限为约1-约24小时。轧制步骤后，至少可进行一次均化步骤。均化之后，合金带材可以铣削一次或二次，从每个表面去除约0.020-0.100英寸的表皮材料。
然后，轧制合金带材至最终尺寸，其中包括至少一次在650-1200°F中间退火过程，持续至少一小时，最佳时限约1-24小时，随后以每小时20-200°F的速率缓慢冷至室温。
再使合金带材以最终尺寸在温度300-600°F之间进行应力消除退火至少一小时，最佳时限约1-20小时。这有利于改进合金的成形性和应力松弛性能。
热处理本发明的合金有利和最希望的是形成均匀分布于整个基体中的铁和/或镍和/或镁或其组合磷化物颗粒。磷化物颗粒能提高合金的强度、传导性和应力松弛性能。磷化物颗粒可具有颗粒径约50-0.5μ并且可包含较细组份和较粗组份。较细组份的粒径约为50-250，最佳约为50-200。较粗组份的粒径一般为0.075-0.5μ，最佳为0.075-0.125μ。
根据本发明的方法所生产的并具有前面所述组成的合金，能够达到80-100KSI的屈服强度，弯曲性具有以半径等于其厚度，宽度高达10倍于其厚度的弯曲能力。此外，导电率可达35％IACS或更高。前述和满意的冶金组织必将赋予合金以高的应力保持性能，例如对平行于轧制方向切割的样品，在应力等于其屈服强度75％下1000小时后，在150℃时仍超过60％，因而使这类合金非常适宜于要求高应力保持能力的各种各样的应用，此外，本发明的合金不要求用捣碎机进一步处理。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1．一种铜基合金，主要组成为锡量约0.1-约1.5％(重量)，磷约0.01-约0.35％(重量)，铁约0.01-约0.8％(重量)，锌约1.0-约15％(重量)，和余量基本为铜，所述合金含有均匀分布于整个基体中的磷化物颗粒，所述的磷化物颗粒具有由磷化物颗粒组成的较细组分和较粗组分，较细组分的磷化物颗粒粒径约为50-250，较粗组分的磷化物颗粒粒径为0.075-0.5μ。
2．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述锡含量约0.4-约0.9％(重量)。
3．根据权利要求1所述的铜基合金，含有选自镍、钴及其混合物材料，其含量各约0.001-0.5％(重量)。
4．根据权利要求3所述的铜基合金，其中所述合金还含有镁，其含量达0.1％(重量)，并且所述磷化物颗粒选自于铁镍磷化物颗粒，铁镁磷化物颗粒、磷化铁颗粒、镁镍磷化物颗粒、二磷化三镁颗粒及其混合物。
5．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述锌的含量约为6.0-12.0％(重量)。
6．根据权利要求1所述的铜基合金，还含有含量高达约0.1％(重量)的铜。
7．根据权利要求1所述的铜基合金，还含有至少一种选自于铝、银、硼、铍、钙、铬、铟、锂、镁、锰、铅、硅、锑、钛和锆的添加剂，所述各种添加剂中至少一种的含量多达0.1％(重量)。
8．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述铁的含量为约0.01-约0.10％(重量)。
9．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述铁的含量为约0.05-约0.25％(重量)。
10．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述的较细组分为由具有的粒径约为50-250的磷化物颗粒组成，所述的较粗组分为具有粒径为0.075-0.5μ的磷化物颗粒组成。
11．制备铜基合金的方法，该方法包括铸造铜基合金，其主要组成是：锡含量为约0.1-约1.5％(重量)，磷含量为约0.01-约0.35％(重量)，铁含量为约0.01-约0.8％(重量)，锌含量为约1.0-约15％(重量)，和余量主要是铜；在温度1000-1450°F下均化至少一次，每次至少一小时；轧制至最终尺寸，其中包括在温度650-1200°F下中间退火至少一次，每次至少一小时，随后缓慢冷却；在温度300-600°F下以最终尺寸进行应力消除退火至少一小时，由此获得含有均匀分布于整个基体的磷化物颗粒的铜基合金。
12．根据权利要求11所述的方法，其中所述铸造的铜基合金含有选自于镍、钴及其混合物的材料，其含量各约0.001-约0.5％(重量)。
13．根据权利要求12所述的方法，其中所述铸造的铜基合金含有镁，并且所述磷化物颗粒选自于铁镍磷化物颗粒、铁镁磷化物颗粒、磷化铁颗粒、镁镍磷化物颗粒、二磷化三镁颗粒及其混合物。
14．根据权利要求13所述的方法，其中所述磷化物颗粒的粒径是50-0.5μ。
15．根据权利要求11所述的方法，包含二次均化步骤，其中至少一次均化步骤是接在轧制步骤之后的，并且其中均化步骤各持续2-24小时。
16．根据权利要求11所述的方法，其中所述所述的中间退火持续1-24小时。
17．根据权利要求11所述的方法，其中所述的应力消除退火持续1-20小时。
18．根据权利要求11所述的方法，其中所述铸造步骤形成一厚度为0.500-0.750英寸的带材，并且所述方法还包含在所述至少一次均化步骤之后铣削所述带材至少一次。
19．根据权利要求11所述的方法，其中所述冷却步骤是以每小时冷却20-200°F的速率完成的。
20．根据权利要求11所述的方法，其中所述铸造步骤包括铸造铜基合金，其主要组成为：锡含量约0.4-约0.9％(重量)，锌含量约6.0-约12.0％(重量)，磷含量约0.01-约0.2％(重量)，铁含量约0.01-约0.8％(重量)，和选自于镍、钴及其混合物的材料，其量各为约0.001-约0.5％(重量)，和余量主要为铜。

Claims (19)

1．一种铜基合金，主要组成为锡量约0.1-约1.5％(重量)，磷约0.01-约0.35％(重量)，铁约0.01-约0.8％(重量)，锌约1.0-约15％(重量)，和余量基本为铜，所述合金含有均匀分布于整个基体中的磷化物颗粒。
2．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述锡含量约0.4-约0.9％(重量)。
3．根据权利要求1所述的铜基合金，含有选自镍、钴及其混合物材料，其含量各约0.001-0.5％(重量)。
4．根据权利要求3所述的铜基合金，其中所述合金还含有镁，其含量达0.1％(重量)，并且所述磷化物颗粒选自于铁镍磷化物颗粒，铁镁磷化物颗粒、磷化铁颗粒、镁镍磷化物颗粒、二磷化三镁颗粒及其混合物。
5．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述锌的含量约为6.0-12.0％(重量)。
6．根据权利要求1所述的铜基合金，还含有含量高达约0.1％(重量)的铜。
7．根据权利要求1所述的铜基合金，还含有至少一种选自于铝、银、硼、铍、钙、铬、铟、锂、镁、锰、铅、硅、锑、钛和锆的添加剂，所述各种添加剂中至少一种的含量多达0.1％(重量)。
8．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述铁的含量为约0.01-约0.10％(重量)。
9．根据权利要求1所述的铜基合金，其中所述铁的含量为约0.05-约0.25％(重量)。
10．制备铜基合金的方法，该方法包括铸造铜基合金，其主要组成是：锡含量为约0.1-约1.5％(重量)，磷含量为约0.01-约0.35％(重量)，铁含量为约0.01-约0.8％(重量)，锌含量为约1.0-约15％(重量)，和余量主要是铜；在温度1000-1450°F下均化至少一次，每次至少一小时；轧制至最终尺寸，其中包括在温度650-1200°F下中间退火至少一次，每次至少一小时，随后缓慢冷却；在温度300-600°F下以最终尺寸进行应力消除退火至少一小时，由此获得含有均匀分布于整个基体的磷化物颗粒的铜基合金。
11．根据权利要求10所述的方法，其中所述铸造的铜基合金含有选自于镍、钴及其混合物的材料，其含量各约0.001-约0.5％(重量)。
12．根据权利要求11所述的方法，其中所述铸造的铜基合金含有镁，并且所述磷化物颗粒选自于铁镍磷化物颗粒、铁镁磷化物颗粒、磷化铁颗粒、镁镍磷化物颗粒、二磷化三镁颗粒及其混合物。
13．根据权利要求12所述的方法，其中所述磷化物颗粒的粒径是50-0.5μ。
14．根据权利要求10所述的方法，包含二次均化步骤，其中至少一次均化步骤是接在轧制步骤之后的，并且其中均化步骤各持续2-24小时。
15．根据权利要求10所述的方法，其中所述所述的中间退火持续1-24小时。
16．根据权利要求10所述的方法，其中所述的应力消除退火持续1-20小时。
17．根据权利要求10所述的方法，其中所述铸造步骤形成一厚度为0.500-0.750英寸的带材，并且所述方法还包含在所述至少一次均化步骤之后铣削所述带材至少一次。
18．根据权利要求10所述的方法，其中所述冷却步骤是以每小时冷却20-200°F的速率完成的。
19．根据权利要求10所述的方法，其中所述铸造步骤包括铸造铜基合金，其主要组成为：锡含量约0.4-约0.9％(重量)，锌含量约6.0-约12.0％(重量)，磷含量约0.01-约0.2％(重量)，铁含量约0.01-约0.8％(重量)，和选自于镍、钴及其混合物的材料，其量各为约0.001-约0.5％(重量)，和余量主要为铜。
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