一种高强高弹CuNiSn合金材料及其制备方法技术

一种高强高弹CuNiSn合金材料及制备方法，它的重量百分比组成为：Ni8.5～10.5％，Sn1.8～2.8％，Co 0.5～1.0％，B0.005～0.01％，V0.01～0.05％，P 0.1～0.5％，其余为Cu。其通过熔炼及铸造，固溶退火，铣面，粗轧，中间料退火，酸洗，中轧，二次固溶处理，精轧，时效热处理等加工处理后得到该材料。本发明专利技术抗拉强度高达1230MPa，在应力比为‑1，循环周次为107次条件下，合金的疲劳强度不小于400MPa。在插拔力≥1.5N时，插拔次数为41000～43000次，插拔46000次时出现裂纹，可以满足高频次大电流的弹性元器件的使用要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在高端弹性元件和电子元器件领域广泛使用的新型高强高弹CuNiSn合金材料及其制备方法，属于有色金属加工领域。
技术介绍
高强高弹铜合金是弹性元件和电子元器件的关键材料之一，它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，主要用于制备导电弹性元器件，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。铍青铜是一种优质弹性材料，具有高强度、硬度、耐磨、无磁性、导电导热性好和冲击无火花等优异性能。但是铍青铜也有其固有的缺点：铍的氧化物或粉尘等有毒；合金性能对热处理很敏感；高温抗应力松弛能力差，不宜长时间在较高温度下工作；生产工艺相对复杂，成本较高，限制其应用。锡磷青铜属于应用最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。CuNiSn合金是由美国贝尔实验室研制开发的一种新型的高强高弹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。普通家用墙壁插座或插排，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。对于人流量比较大的户外或公共场合(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。无论锡磷青铜还是Cu-9.5Ni-2.3Sn合金均不能满足户外或公共场合用插座的要求，因此需要对Cu-9.5Ni-2.3Sn合金改性处理以提高合金的耐疲劳性能，以满足高频次大电流的弹性元器件的使用要求。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是弥补现有铜合金弹性、耐疲劳性性能的不足，在Cu-9.5Ni-2.3Sn合金的基础上，添加少量的Co、B、V、P等合金元素，对合金体系组织结构进行改善，提高合金的综合性能，以期得到一种高强高弹、耐疲劳特性优异的多元Cu-Ni-Sn合金。为了达到上述目的，本专利技术是这样实现的：一种高强高弹、耐疲劳特性优异的多元Cu-Ni-Sn合金，它含有如下重量百分数的化学成分：Ni8.5～10.5％，Sn1.8～2.8％，Co0.5～1.0％，B0.005～0.01％，V0.01～0.05％，P0.1～0.5％，其余为Cu。所添加合金元素的作用：镍：在Cu-N-iSn系合金中，镍与锡形成镍锡化合物。镍的添加抑制了锡在铜中的固溶度，加剧了锡的偏析。同时，镍元素还能细化晶粒，提高合金强度。钴：在Cu-Ni-Sn系合金中，添加少量的钴能与锡形成Co-Sn化合物，增加合金强度，提高弹性极限。且，Co的熔点较高，在凝固过程中率先析出，作为形核粒子，进而细化晶粒，提高合金性能。同时，明显提高合金的导电性能和耐疲劳性能。考虑钴价偏高，钴含量一般控制在0.5～1.0％。。锡：在Cu-Ni-Sn系合金中，当Sn含量大于4％时，在时效过程中，合金会发生调幅分解，导致合金导电率很低，不超过10％IACS，造成电器元件在使用过程中温升大，降低元器件的使用寿命。当Sn含量小于4％时，Cu-Ni-Sn合金具有良好的加工硬化特性、导电稳定性高，抗热应力松弛性能好和元件变形小等优良性能。硼：在合金熔炼过程中，添加适量的硼具有除气和脱氧作用，提高熔炼坯锭质量。同时，硼做为形核粒子，可以促进Co-Sn化合物的析出，与基体组织保持半共格晶面，阻碍位错扩展，细化晶粒。但是，硼在铜中的溶解度极低，过量的硼容易在晶界聚集，产生加工脆性。故硼含量应在0.005～0.01％。钒：钒作为高熔点金属元素，能够显著细化晶粒，可以大幅度提高合金强度、耐疲劳性能和耐腐蚀性能。磷：磷是铜合金的有效脱氧剂，提高合金的流动性。磷可以与铜中的镍结合形成镍磷化合物，净化了铜中的镍，协同提高合金的强度和导电性能。但磷含量不宜超过0.5％，否则，恶化合金加工性能。本专利技术的另一目的是提供上述高强高弹、耐疲劳特性优异的多元Cu-Ni-Sn合金的制备方法。一种高强高弹、耐疲劳特性优异的多元Cu-Ni-Sn合金的制备方法，包括以下工艺流程：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造，b.一次固溶退火，c.铣面，d.粗轧，e.切边，f.中间退火，g.酸洗，h.中轧，i.二次固溶退火，j.精轧，k.时效处理，l.酸洗，m.拉弯矫直，n.分剪，o.包装入库。步骤a中，所述投料的具体顺序为：先加入铜(Cu)，熔化后，再加入镍(Ni)、钴(Co)、钒(V)、铜硼合金(Cu-B)，再在低温下加入锡(Sn)，待全部融化后加入铜磷(Cu-P)合金，成分化验合格并对炉渣清理后，使用烘烤后的木炭覆盖；采用工频感应炉在非真空环境下进行熔铸，所述的熔炼的温度为1220～1270℃，所述铸造的温度控制在1160～1200℃，采用水平连铸方式铸造。步骤b中，将铸坯放置U型退火炉中进行固溶退火，固溶温度为800～850℃，保温时间为3～5h，然后喷水快速冷却，将Sn化合物固溶到基体组织相中。步骤c中，将固溶处理后的铸坯进行铣面处理，上下铣面量约0.8mm，主要去除表面氧化皮等不良缺陷。步骤d中，将铣面后的锭坯进行冷轧开坯，变形量为60～75％。步骤f中，将切边后的冷轧板放置钟罩式退火炉中进行中间退火，退火温度为580～620℃，退火时间为6～8h。步骤h中，将酸洗后的板材进行中轧，变形量为55～80％。步骤i中，将中轧后的板带材进行在线固溶处理，固溶温度为850～900℃，退火机列速度为50～60m/min，冷却速度30～50℃/s，冷却方式采用H2+N2压缩混合气体。步骤j中，将固溶处理后的带材进行精轧，变形量为10～30％。步骤k中，将精轧后的带材放置钟罩式退火中进行时效处理，时效温度为470～520℃，时效时间为4～6h。本专利技术的优点在于：与传统Cu-9.5Ni-2.3Sn合金相比，本专利技术的高强高弹、耐疲劳特性优异Cu-Ni-Sn合金在强度、导电、弹性、耐疲劳特性方面均表现优异，且具有良好的冷加工特性，。其化学成分为：Ni8.5～10.5％，Sn1.8～2.8％，Co0.5～1.0％，B0.005～0.01％，V0.01～0.05％，P0.1～0.5％，其余为Cu。本专利技术开发出了易于实现批量化生产的制备方法。利用本专利技术所提供的合金配方和制备方法，得到的高强高弹Cu‐Ni‐Sn合金抗拉强度σb可高达到1230MPa，断后延伸率≥5％。在应力比为-1，循环周次为107次条件下，合金的疲劳强度不小于400MPa。该新型合金材料，可满足在插拔力≥1.5N时，插拔次数为41000～43000次，插拔46000次时出现裂纹，远远高于户外或公共场合用插座对拔力≥1.5N时插拔次数≥40000次的要求。下面通过具体实施方式对本专利技术做进一步说明，但并不意味着对本专利技术保护范围的限制。具体实施方式本专利技术中所述铜合金的制备及加工工艺为：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造，b.固溶退火，c.铣面，d.粗轧，e.切边，f.中间退火，g.酸洗，h.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高弹CuNiSn合金材料，其特征在于：Ni8.5～10.5％，Sn1.8～2.8％，Co 0.5～1.0％，B0.005～0.01％，V0.01～0.05％，P 0.1～0.5％，其余为Cu。

【技术特征摘要】
1.一种高强高弹CuNiSn合金材料，其特征在于：Ni8.5～10.5％，Sn1.8～2.8％，Co0.5～1.0％，B0.005～0.01％，V0.01～0.05％，P0.1～0.5％，其余为Cu。2.一种高强高弹CuNiSn合金材料的制备方法，包括以下步骤：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及铸造，b.一次固溶退火，c.铣面，d.粗轧，e.切边，f.中间退火，g.酸洗，h.中轧，i.二次固溶退火，j.精轧，k.时效处理，l.酸洗，m.拉弯矫直，n.分剪，o.包装入库。3.根据权利要求2所述的高强高弹CuNiSn合金材料的制备方法，其特征在于：采用工频感应炉在非真空环境下进行熔炼，在工频感应炉内按先后顺序：先加入铜，熔化后，再加入镍、钴、钒、铜硼合金，再在低温下加入锡，待全部融化后加入铜磷合金，成分化验合格并对炉渣清理后，使用烘烤后的木炭覆盖；采用工频感应炉在非真空环境下进行熔铸，所述熔炼的温度为1220～1270℃，所述铸造的温度控制在1160～1200℃，采用水平连铸方式铸造。4.根据权利要求2所述的高强高弹Cu...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪东亚，刘峰，彭丽军，刘龙明，任利明，陈战波，高清，陈水岳，苑和锋，吴小龙，阮峰，
申请(专利权)人：宁波兴业盛泰集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33