一种弹性铜合金及其板带和复合热处理方法

摘要

本发明涉及一种弹性铜合金及其板带和复合热处理方法，该铜合金包括1.1％～1.4％或(1)5.2％～11.4％的Ni，0.15％～0.35％或0％～0.1％的Cr，0.1％～0.2％或(2)1.2％～1.4％的Co，0.01％～0.015％或0.2％～0.4％的Zr，0.04％～0.2％的Si，(3)0.7％～0.75％的Mg，0.01％～0.02％的Li，0.1％～0.5％的P，(4)0.001％～0.01％的Fe，0.001％～0.01％的Zn，0.001％～0.01％的Mn，其余为Cu。其中(1)与(2)互斥，(3)与(4)互斥。该铜合金具有高强度、高弹性、高耐疲劳性和高耐热性。

权利要求

1.一种弹性铜合金，其特征在于：该铜合金的重量百分比组成为：Ni：6.8％～11.4％，Cr：0.15％～0.35％或0％～0.1％，Co：0.1％～0.2％，Zr：0.01％～0.015％或0.2％～

0.4％，Si：0.04％～0.08％，Mg：0.7％～0.75％，Li：0.01％～0.02％，P：0.1％～0.5％，Zn：

0.001％～0.01％，Mn：0.001％～0.01％，其余为Cu。

2.一种弹性铜合金，其特征在于：该铜合金的重量百分比组成为：Ni：6.8％～11.4％，Cr：0.15％～0.35％或0％～0.1％，Co：0.1％～0.2％，Zr：0.01％～0.015％或0.2％～

0.4％，Si：0.04％～0.08％，Li：0.01％～0.02％，P：0.1％～0.5％，Fe：0.001％～0.01％，Zn：0.001％～0.01％，Mn：0.001％～0.01％，其余为Cu。

3.一种弹性铜合金板带，其特征在于：由权利要求1或2所述的弹性铜合金制成。

4.权利要求3所述的弹性铜合金板带的复合热处理方法，包括如下步骤：按照合金的组分及其重量百分比制备合金铸锭，对合金铸锭进行热轧或者将合金铸锭进行均匀化处理，热轧的终轧温度为700℃以上或者均匀化处理的温度为700℃以上，热轧或者均匀化处理后，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.2～2mm时，经过立式的退火炉加热至固溶温度以上，并进行气体冷却；继续加工，当合金轧制到0.02～0.06mm时，再经过卧式的退火炉加热至固溶温度以上，并进行气体冷却；再经20～50％的冷变形后，进行时效处理，得到弹性铜合金板带。

5.根据权利要求4所述的弹性铜合金板带的复合热处理方法，其特征在于：所述的固溶温度为850～1000℃。

6.根据权利要求4所述的弹性铜合金板带的复合热处理方法，其特征在于：采用氮气进行气体冷却，气体温度≤20℃。

7.根据权利要求4所述的弹性铜合金板带的复合热处理方法，其特征在于：所述的时效处理温度为400～500℃，时效时间为2～8h。

说明书

一种弹性铜合金及其板带和复合热处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种弹性铜合金及其板带和复合热处理方法，具体涉及一种高性能弹性铜镍硅钴合金及其板带和复合热处理方法，该铜合金具有高强度、高弹性、高耐疲劳性、耐热性好的特点，同时兼备了优异的导电性和抗应力松弛性能，主要应用于引线框架、弹性接插件、弹性元器件、汽车连接器、接触开关触头等各类电子元器件中。

背景技术

[0002] 高性能弹性铜合金是指在具有优异弹性的同时又兼顾高的强度、中等的导电导热性能和优异高温性能的合金。该合金材料主要用作电力电子、交通运输、手机、电工、航空宇航等行业中的引线框架、弹性接插件、弹性元器件、汽车连接器、传感器、导电桥等材料。

[0003] 铜基电子接插件材料作为特殊弹性材料，广泛用于仪器仪表、电子元器件领域，随着各种装置向高可靠、小型化、长寿命方向发展，对材料的质量、品种提出了更高的要求，例如对材料的精度、表面质量、残余应力、抗应力松弛性能、抗冲击震动性能、可焊性等方面要求极其严格。目前接插件用铜合金主要有：黄铜、锡磷青铜、铜镍硅合金、铜镍锡合金、铜镍锰合金、铍青铜、钛青铜、锌白铜、铁磷青铜、铜铬锆合金等。按性能可分为：高强合金、中强合金、低成本黄铜，其中低成本合金主要为普通黄铜，中高档弹性材料主要为析出强化型铜合金、调幅分解合金、固溶强化型铜合金。弹性铜基合金材料主要用作交通运输、通讯电子、电工电力、航空宇航等行业中的引线框架、连接器、传感器、导电桥等材料。

[0004] 近年来，随着电子信息、现代交通、通讯、电力、电子，航空航天等工业的发展，对高性能铜合金提出了更多的要求，如：在室温和高温下保持高的强度以及导电、导热性能，硬度好，具有良好的变形和加工能力，具有优异的表面质量和低的残余应力等。以铜镍硅钴为主要元素的高性能弹性铜合金具有高强度、高弹性、高疲劳性、耐热性好，同时兼备了高导电性和抗应力松弛的优点成为了新一代的高强高弹铜合金。检索表明，美国专利No.6506269公开了具有控制添加量的镍、钴、硅和镁或磷两者之一的铜合金。该专利介绍采用高温方法或者低温方法处理铜合金。高温方法获得的性能达不到上述强度和导电性的目标组合。当采用高温方法处理时，据报道示例性合金的导电性为51.9％IACS，抗拉强度为709MPa；当采用低温方法处理时，示例性合金的导电性为51.5％IACS，抗拉强度为905MPa。
但是，低温方法对铜合金实施过量的冷加工，预计这会导致成型性变差和应力松弛抗力下降。美国奥林公司和维兰德工厂股份公司于2003年、2007年和2009年在我国申请了三项有关含钴、镍、硅铜合金的专利(公开号为CN1671877A、CN101041868A、CN101792872A)，研究了多种钴、镍元素不同含量配比带来性能上的变化。

发明内容

[0005] 本发明的主要目的是提供一种高性能弹性铜合金，该合金具有高强度、高弹性、高疲劳性、耐热性好，同时兼备了高导电性和抗应力松弛的优点，能适应各个工业领域对铜基弹性材料的要求。

[0006] 一种高性能弹性铜合金，该铜合金的重量百分比组成为：Ni：1.1％～1.4％，Cr：0.15％～0.35％或0％～0.1％，Co：0.1％～0.2％或1.2％～1.4％，Zr：0.01％～0.015％或
0.2％～0.4％，Si：0.04％～0.2％，Mg：0.7％～0.75％，Li：0.01％～0.02％，P：0.1％～
0.5％，Zn：0.001％～0.01％，Mn：0.001％～0.01％，其余为Cu和其它不可避免的杂质。

[0007] 一种高性能弹性铜合金，该铜合金的重量百分比组成为：Ni：1.1％～1.4％，Cr：0.15％～0.35％或0％～0.1％，Co：0.1％～0.2％或1.2％～1.4％，Zr：0.01％～0.015％或
0.2％～0.4％，Si：0.04％～0.2％，Li：0.01％～0.02％，P：0.1％～0.5％，Fe：0.001％～
0.01％，Zn：0.001％～0.01％，Mn：0.001％～0.01％，其余为Cu和其它不可避免的杂质。

[0008] 一种高性能弹性铜合金，该铜合金的重量百分比组成为：Ni：5.2％～11.4％，Cr：0.15％～0.35％或0％～0.1％，Co：0.1％～0.2％，Zr：0.01％～0.015％或0.2％～0.4％，Si：0.04％～0.2％，Mg：0.7％～0.75％，Li：0.01％～0.02％，P：0.1％～0.5％，Zn：0.001％～0.01％，Mn：0.001％～0.01％，其余为Cu和其它不可避免的杂质。

[0009] 一种高性能弹性铜合金，该铜合金的重量百分比组成为：Ni：5.2％～11.4％，Cr：0.15％～0.35％或0％～0.1％，Co：0.1％～0.2％，Zr：0.01％～0.015％或0.2％～0.4％，Si：0.04％～0.2％，Li：0.01％～0.02％，P：0.1％～0.5％，Fe：0.001％～0.01％，Zn：
0.001％～0.01％，Mn：0.001％～0.01％，其余为Cu和其它不可避免的杂质。

[0010] 由于Cu、Ni为无限互溶，因此过量的Ni可以在基体中起到固溶强化作用，专利中采用高钴含量的时候，由于存在一定量的Co析出相，因此，必须将Ni含量降至1.4％以下来得到高的性能，而当Co含量比较低的时候，可以通过添加高含量的Ni来进行性能的提高，因此，为取得优异的综合性能，Ni、Co含量需要有一定的含量配比。专利成分中当有Fe元素的时候，Fe可以与P形成中间相，脱溶后可以起到提高基体强度的作用，而有Mg元素的时候，Mg可以优先与P形成中间相，脱溶后可以起到提高导电性能的作用，但这时未脱溶的Fe会极大的损伤导电性能，因此，需要根据不同的要求对Mg、Fe进行添加。

[0011] 所添加合金元素的作用：

[0012] 镍：镍元素可以起到固溶强化作用，此外镍元素的添加还可以增加合金的耐热温度。

[0013] 铬、钴和锆元素：三种元素的添加均可以主要起到细化晶粒及提高合金综合性能的作用。当三种元素共同添加到合金中，由于三种元素之间存在元素间相互作用，能明显细化晶粒和降低合金偏析，其效果要优于元素单独添加。

[0014] 硅：硅和镍、钴会形成硅化物第二相强化粒子来提高合金的强度，合金经过时效后析出的硅化物可以一定程度上提高合金的强度。

[0015] 镁：添加镁能提高合金的铸造质量，增加合金的流动性，还可以优先与P形成中间相，脱溶后可以起到提高导电性能。

[0016] 锂：锂的加入，会在铜中优先生成了高熔点的化合物，可以提高合金的高温塑性。

[0017] 磷、锰：磷、锰主要可以起到脱氧作用，微量的磷元素还可以与其他合金形成化合物，提高合金的综合性能。

[0018] 铁：铁元素能有效地调整合金晶粒组织大小，提高组织的均匀性，改善合金的耐应力腐蚀敏感性。

[0019] 锌：锌元素在合金中主要提高合金对焊锡渍透性和耐热粘着性能。

[0020] 本发明的另一目的是提供由上述高性能弹性铜合金构成的弹性铜合金板带及其复合热处理方法。

[0021] 一种弹性铜合金板带，由上述高性能弹性铜合金制成，其复合热处理方法包括如下步骤：按照合金的组分及其重量百分比制备合金铸锭，对合金铸锭进行热轧或者将合金铸锭进行均匀化处理，热轧的终轧温度为700℃以上或者均匀化处理的温度为700℃以上，热轧或者均匀化处理后，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.2～2mm时，经过立式的退火炉加热至固溶温度T1以上，并进行气体冷却；继续加工，当合金轧制到0.02～0.06mm时，再经过卧式的退火炉加热至固溶温度T2以上，并进行气体冷却；再经20～50％的冷变形后，进行时效处理，得到弹性铜合金板带。

[0022] 其中，所述的固溶温度T1和T2均为850～1000℃；采用氮气进行气体冷却，气体温度≤20℃；所述的时效处理温度为400～500℃，时效时间为2～8h。

[0023] 与其他弹性铜合金相比，本发明的高性能弹性铜合金通过复合热处理之后，无论在强度、导电性还是弹性、耐腐蚀、可加工性能方面都是非常优良的，同时还具有优良的抗应力松弛性能，可达带材屈服强度≥880MPa、弹性模量≥125GPa、导电率≥45％IACS、室温100h应力松弛≤3％，宽度挠曲≤0.03mm，粗糙度≤0.08μm等性能指标，可以广泛应用于电器接插件、弹簧、连接器、开关、触头等各类电子元件中。

具体实施方式

[0024] 本发明铜合金包含的主要元素有：1.1％～1.4％或(1)5.2％～11.4％的Ni，0.15％～0.35％或0％～0.1％的Cr，0.1％～0.2％或(2)1.2％～1.4％的Co，0.01％～
0.015％或0.2％～0.4％的Zr，0.04％～0.2％的Si，(3)0.7％～0.75％的Mg，0.01％～
0.02％的Li，0.1％～0.5％的P，(4)0.001％～0.01％的Fe，0.001％～0.01％的Zn，0.001％～0.01％的Mn，其余为Cu和其它不可避免的杂质。其中(1)与(2)互斥，(3)与(4)互斥。

[0025] 本发明中所述的一种高性能弹性铜合金板带的复合热处理过程为：当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进行水槽中，无论后续加工过程如何，当合金轧制到1.2～2mm时，经过立式的退火炉加热至固溶温度T1以上(根据成分的差别，在850℃～1000℃之间)并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后无论后续加工过程如何，当合金轧制到0.02～0.06mm时，再经过卧式的退火炉加热至固溶温度T2以上(根据成分的差别，在850℃～1000℃之间)并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经20～50％的冷变形后，进行时效温度为400～500℃，时效时间为2～8h的时效处理，可以达到此类合金最佳性能的组合。

[0026] 实施例1

[0027] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.2mm时，经过立式的退火炉加热至850℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.02mm时，再经过卧式的退火炉加热至1000℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经20％的冷变形后，进行时效温度为500℃，时效时间为2h的时效处理，合金的成分和物理性能如表1所示。

[0028] 表1合金各元素质量百分比和物理性能

[0029]

[0030] 实施例2

[0031] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.4mm时，经过立式的退火炉加热至900℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.02mm时，再经过卧式的退火炉加热至850℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经30％的冷变形后，进行时效温度为400℃，时效时间为4h的时效处理，合金的成分和物理性能如表2所示。

[0032] 表2合金各元素质量百分比和物理性能

[0033]

[0034] 实施例3

[0035] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.6mm时，经过立式的退火炉加热至950℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.02mm时，再经过卧式的退火炉加热至900℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经40％的冷变形后，进行时效温度为420℃，时效时间为5h的时效处理，合金的成分和物理性能如表3所示。

[0036] 表3合金各元素质量百分比和物理性能

[0037]

[0038] 实施例4

[0039] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.8mm时，经过立式的退火炉加热至1000℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.02mm时，再经过卧式的退火炉加热至950℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经50％的冷变形后，进行时效温度为440℃，时效时间为6h的时效处理，合金的成分和物理性能如表4所示。

[0040] 表4合金各元素质量百分比和物理性能

[0041]

[0042] 实施例5

[0043] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到2.0mm时，经过立式的退火炉加热至850℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.03mm时，再经过卧式的退火炉加热至1000℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经20％的冷变形后，进行时效温度为460℃，时效时间为8h的时效处理，合金的成分和物理性能如表5所示。

[0044] 表5合金各元素质量百分比和物理性能

[0045]

[0046] 实施例6

[0047] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.3mm时，经过立式的退火炉加热至875℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.04mm时，再经过卧式的退火炉加热至850℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经25％的冷变形后，进行时效温度为480℃，时效时间为3h的时效处理，合金的成分和物理性能如表6所示。

[0048] 表6合金各元素质量百分比和物理性能

[0049]

[0050] 实施例7

[0051] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.4mm时，经过立式的退火炉加热至900℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.05mm时，再经过卧式的退火炉加热至875℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经35％的冷变形后，进行时效温度为500℃，时效时间为5h的时效处理，合金的成分和物理性能如表7所示。

[0052] 表7合金各元素质量百分比和物理性能

[0053]

[0054] 实施例8

[0055] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.5mm时，经过立式的退火炉加热至925℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.06mm时，再经过卧式的退火炉加热至900℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经45％的冷变形后，进行时效温度为425℃，时效时间为7h的时效处理，合金的成分和物理性能如表8所示。

[0056] 表8合金各元素质量百分比和物理性能

[0057]

[0058] 实施例9

[0059] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.6mm时，经过立式的退火炉加热至950℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.06mm时，再经过卧式的退火炉加热至925℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经50％的冷变形后，进行时效温度为425℃，时效时间为6h的时效处理，合金的成分和物理性能如表9所示。

[0060] 表9合金各元素质量百分比和物理性能

[0061]

[0062] 实施例10

[0063] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.7mm时，经过立式的退火炉加热至975℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.06mm时，再经过卧式的退火炉加热至925℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经30％的冷变形后，进行时效温度为450℃，时效时间为6h的时效处理，合金的成分和物理性能如表10所示。

[0064] 表10合金各元素质量百分比和物理性能

[0065]

[0066] 实施例11

[0067] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到1.8mm时，经过立式的退火炉加热至1000℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.03mm时，再经过卧式的退火炉加热至950℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经40％的冷变形后，进行时效温度为475℃，时效时间为8h的时效处理，合金的成分和物理性能如表11所示。

[0068] 表11合金各元素质量百分比和物理性能

[0069]

[0070] 实施例12

[0071] 当制备处理的合金铸锭经过热轧后，保持终轧温度700℃以上，(或不经热轧的水平连铸铸锭经过700℃以上的均匀化处理后)，直接进入水槽中，进行后续加工，当合金轧制到2.0mm时，经过立式的退火炉加热至900℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，之后继续加工，当合金轧制到0.05mm时，再经过卧式的退火炉加热至850℃，并快速进行气体冷却(氮气，气体温度≤20℃)，再经50％的冷变形后，进行时效温度为450℃，时效时间为4h的时效处理，合金的成分和物理性能如表12所示。

[0072] 表12合金各元素质量百分比和物理性能

[0073]

[0074] 本发明制备的铜合金具有高强度、高弹性、高耐疲劳性、耐热性好的特点，同时兼备了优异的导电性和抗应力松弛性能，主要应用于引线框架、弹性接插件、弹性元器件、汽车连接器、接触开关触头等各类电子元器件中。