阅读说明：本技术 一种弹性青铜合金及其制备方法 (Elastic bronze alloy and preparation method thereof ) 是由 焦晓亮 韩俊钢 安东宁 张勇 岳丽娟 闫永 赵晓巍 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种弹性青铜合金及其制备方法,该弹性青铜合金的原料组成为：Ni：2.0～3.6%,Si：0.5～0.85%,Sn：0.3～1.0%,Zn：1.0～2.0%,Cr：0.15～0.35%,Fe≤0.15%,Mn≤0.2%,余量为Cu。本发明的弹性青铜合金,其原材料成本比锡磷青铜低；熔化温度、密度、比热容、强度、硬度、伸长率与锡磷青铜相同；软钎焊、硬钎焊、气体保护焊和点焊等焊接性能良好；导电性、导热性远大于锡磷青铜；其软化温度、疲劳寿命、抗应力松弛能力也优于锡磷青铜。用这种合金代替锡磷青铜带材,既可以降低原材料成本和加工成本,同时也可以极大的改善国产锡磷青铜性能差、弹性元件寿命短的问题,提升国产材料的性能,其经济和社会效益十分显著。(The invention relates to an elastic bronze alloy and a preparation method thereof, wherein the elastic bronze alloy comprises the following raw materials: ni: 2.0-3.6%, Si: 0.5-0.85%, Sn: 0.3-1.0%, Zn: 1.0-2.0%, Cr: 0.15-0.35%, Fe is less than or equal to 0.15%, Mn is less than or equal to 0.2%, and the balance is Cu. The cost of the raw materials of the elastic bronze alloy is lower than that of tin-phosphor bronze; the melting temperature, density, specific heat capacity, strength, hardness and elongation are the same as those of tin-phosphor bronze; the welding performance of soldering, brazing, gas shielded welding, spot welding and the like is good; the electrical conductivity and the thermal conductivity are far greater than those of tin-phosphor bronze; the softening temperature, the fatigue life and the stress relaxation resistance of the alloy are also superior to those of tin-phosphor bronze. The alloy is used for replacing tin-phosphor bronze strips, so that the raw material cost and the processing cost can be reduced, the problems of poor performance and short service life of an elastic element of the domestic tin-phosphor bronze can be greatly improved, the performance of the domestic material is improved, and the economic and social benefits are very obvious.)

一种弹性青铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，特别是涉及一种弹性青铜合金及其制备方法。

背景技术

锡磷青铜具有高的强度、优良的弹性、耐蚀、耐磨、抗磁、易钎焊、电镀及良好的冷加工性能，被广泛的应用于各种接插件，连接器等，是目前应用最广泛的弹性铜合金材料。目前国内锡磷青铜带的需求量达到20万吨以上，并且需求量仍以年均10%以上的速度增长。但锡磷青铜的结晶温度范围达到150℃～160℃，在凝固过程中合金元素的扩散速度慢，易产生严重的枝晶偏析，铸锭表层至中心层锡含量逐渐降低，严重时铸锭表面可见灰白色析出物Cu₃₁Sn₈、Cu₂P、SnO等，这些硬脆相导致铸锭在常温下硬、脆、易开裂，同时锡磷青铜在凝固过程中收缩率较小，枝晶补缩困难，易形成分散的缩孔，客观上形成疏松，因此锡磷青铜的带材加工工艺过程较困难，需要进行均匀化退火和多次再结晶退火。采用带振动式结晶器的半连续铸造可以部分解决偏析和疏松，但在热轧时中温脆性区开裂现象严重，成品率较低。水平连铸时由于结晶器上、下冷却条件不同，枝晶偏析和比重偏析严重，即使单面铣面量达到0.7～1.0mm，仍易导致带坯的组织和性能差异，这也是很多国产锡磷青铜制成的弹性元件，其寿命一般仅为日本进口的1/3～1/4的原因。

针对上述问题，开发性能好，生产成本低，工艺简单的合金品种来代替或部分代替锡磷青铜，是重要的发展方向之一。国内外也在研究锡磷青铜的替代弹性合金，如CN101050494 B公告了一种镍含量4～5%的弹性黄铜合金材料及其制备方法，CN102443717A公告了一种含铝量3.3～3.6%的弹性黄铜合金，上述专利的主要问题是高温抗应力松弛的能力比锡磷青铜低13～20%，因此其使用环境会受到制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种代替锡磷青铜的弹性青铜合金，该弹性青铜合金既可以降低原材料和加工成本，同时也可以极大的改善国产锡磷青铜的带材性能一致性差、弹性元件寿命短的问题，提升国产材料的性能，其经济和社会效益十分显著。

本发明的另一目的是提供上述弹性青铜合金的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种弹性青铜合金，其特征在于其原料组成为：

Ni：2.0～3.6%，Si：0.5～0.85%，Sn：0.3～1.0%，Zn：1.0～2.0%，Cr：0.15～0.35，Fe≤0.15%，Mn≤0.2%，余量为Cu。

所述弹性青铜合金的质量比满足：4.10≤Ni/Si≤4.40，4.15≤Ni＋Cr/Si≤4.50，4.20≤Ni＋Cr＋Mn/Si≤4.55，所有杂质元素的总和≤0.3%。

上述杂质元素包括Fe、Mn及原材料本身带入的一些微量元素，如As、Sb、Bi、Pb、Al、Sn、Ni、S、P等，因不额外添加，也就不作为本专利所述的弹性青铜合金杂质控制要求；成份检测时，杂质元素除Fe、Mn之外，一般不检As、Sb、Bi、Pb、Al、Sn、Ni、S、P等这些元素。

上述弹性青铜合金的制备方法，其特征在于其工艺步骤为：首先将电解铜和电解镍同时装入中频感应炉进行熔炼，待铜液熔化后依次加入金属锌、金属铬、金属锡和金属硅，继续熔炼，控制熔炼温度在1280～1350℃，然后在1240～1280℃温度条件下进行浇注，制成弹性青铜铸锭。

通过本发明制备的弹性青铜合金的质量比满足：4.10≤Ni/Si≤4.40，4.15≤Ni＋Cr/Si≤4.50，4.20≤Ni＋Cr＋Mn/Si≤4.55，所有杂质元素的总和≤0.3%。本发明中所添加元素的作用为：

镍（Ni）：主要与硅结合，形成Ni₂Si强化相使合金强化，抑制晶粒长大和晶界不连续反应发生。镍的含量应控制在2.0～3.6%，主要是因为只有在合金中生成Ni₂Si金属化合物时，才能对合金起到强化效果。当镍含量低于2.0%时，合金中具有过量的硅，会降低合金的强化效果和电导率；当镍含量大于3.6%时，镍无限互溶于铜中，对合金的强化效果有限，也会降低合金的电导率，同时也造成镍资源的浪费。

硅（Si）：能提高铜的硬度、强度，不降低铜的加工性能，但显著降低铜的导电性和导热性。在本合金中主要与过量的镍形成Ni₂Si强化相，提高合金的性能。硅的含量应控制在0.5～0.85%，保证全部的硅与镍形成Ni₂Si金属化合物，避免固溶于铜中的硅对铜的导电性和导热性的影响。

锡（Sn）：提高合金的弹性、强度、硬度、耐磨性、耐蚀性，同时改善合金的焊接性能。锡含量在0.3～1.0%时，既能起到应有的作用，也不会产生明显的锡偏析。

锌（Zn）：提高合金的强度、硬度，改善铜合金与焊料界面之间的组织，特别能改善镀锡层的耐热剥离性。锌含量应控制在1.0～2.0%，因为锌含量的合理添加可使其焊接性能改善效果显著，但超过2.0%，容易使合金材料表面锌含量超过3%，降低焊接性能。

铬（Cr）：促进强化相Ni₂Si从铜基体中析出，提高合金的强度和电导率。铬含量应控制在0.15～0.35%，这主要是因为铬与铜在元素周期表中位置相邻，形成固溶体的倾向较大，铬将优先溶入铜基体，使铜基体处于饱和状态，促使原残留在铜基体内的镍、硅进一步析出或被排挤于铜基体之外。其作用随着铬含量的增加而增大，但铬含量超过0.35%时，过量的铬会引起晶格畸变降低合金的导电性。

同时，铁（Fe）具有细化晶粒的效果，但对电导率影响显著，因此应控制在0.15%以内；锰（Mn）具有脱氧、脱硫的作用，过量时易于硅形成Mn₂Si电子化合物，会使合金的自裂倾向增加，因此应控制上限为0.2%。

本发明将上述元素组合配伍制备成弹性青铜合金，其原材料成本比QSn4-0.3、QSn6.5-0.1、QSn6.5-0.4、QSn7-0.2、QSn8-0.3分别低4.7%、8.7%、8.7%、9.6%、11.3%；其熔化温度、密度、比热容、强度、硬度、伸长率与锡磷青铜相同；软钎焊、硬钎焊、气体保护焊和点焊等焊接性能良好；导电性、导热性远大于锡磷青铜；其软化温度、疲劳寿命、抗应力松弛能力也优于锡磷青铜。用这种合金代替锡磷青铜带材，既可以降低原材料成本和加工成本，同时也可以极大的改善国产锡磷青铜性能差、弹性元件寿命短的问题，提升国产材料的性能，其经济和社会效益十分显著。

附图说明

图1为弹性青铜合金与锡磷青铜的抗应力松弛能力对比图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的具体实施方式作详细说明。应该理解的是，实例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。本发明的范围与核心内容依据权利要求书加以确定。

实施例1（加工成半硬态带材，成品加工率为16～22%）

以2.0%电解镍，0.85%金属硅，0.8%金属锡，1.0%金属锌，0.35%金属铬，Fe≤0.15%，Mn≤0.1%，余量为电解铜，进行配料，共计30公斤。将电解铜和电解镍同时装入25kg中频感应炉进行熔炼，待铜液熔化后依次加入金属锌、金属铬、金属锡、金属硅，控制熔炼温度在1280℃～1350℃，浇注温度1240℃～1280℃，用石墨模具浇注成规格为80×200×215mm的铸锭，经铣面后铸锭规格为：70×200×215mm。

加工成半硬态带材的工艺过程如下：

铸锭加热（加热温度为650℃±20℃，保温时间为3-8小时），进行热轧，热轧后带坯厚度为4mm。热轧坯经过均匀化退火（保温温度为550℃±10℃，保温时间为3~6小时），粗轧至1.2mm，再次中间退火（保温温度为450℃±10℃，保温时间为3.5~5小时）后精轧至0.37mm→连续退火、表面清洗→精轧至0.3mm半硬态成品→低温热处理（240℃×3~5小时）→清洗钝化→分切

用上述方法制得的厚度0.3mm弹性青铜带材，检测其性能并与半硬态的锡磷青铜带材的性能进行对比，结果见表1：

表1 半硬态弹性青铜、锡磷青铜带材性能对比表

由表1可以看出，半硬态弹性青铜的抗拉强度、屈服强度、硬度、伸长率与锡磷青铜基本相同，弹性模量、电导率高于锡磷青铜。

实施例2（加工成硬态带材，成品加工率为25～32%）

以3.6%电解镍，0.5%金属硅，0.3%金属锡，1.6%金属锌，0.15%金属铬，Fe≤0.15%，Mn≤0.1%，余量为电解铜，进行配料，共计30公斤。将电解铜和电解镍同时装入25kg中频感应炉进行熔炼，待铜液熔化后依次加入金属锌、金属铬、金属锡、金属硅，控制熔炼温度在1280～1350℃，浇注温度1240～1280℃，用石墨模具浇注成规格为80×200×215mm的铸锭，经铣面后铸锭规格为：70×200×215mm。

铸锭加工成硬态带材的工艺过程如下：

铸锭加热（加热温度为680℃±20℃，保温3-6小时）→热轧（70→3.0mm）→中间退火（保温温度为520℃±10℃，保温时间为3~6小时）→粗轧至1.0mm→中间退火（保温温度为420℃±10℃，保温时间为3~5小时）→精轧至0.26mm→连续退火→表面清洗→精轧至0.2mm硬态成品→低温热处理（260℃×3~5小时）清洗钝化→分切

用上述方法制得的厚度0.20mm弹性青铜带材，检测其性能并与硬态的锡磷青铜带材的性能进行对比，其中疲劳强度为带材在高周期疲劳试验机上循环10⁸次所能承受的最大压应力，对比结果见表2：

表2硬态弹性青铜、锡磷青铜带材性能对比表

表2可以看出，硬态弹性青铜抗拉强度、屈服强度、硬度、伸长率与锡磷青铜基本相同，疲劳强度、电导率高于锡磷青铜。

实施例3（加工成特硬态带材，成品加工率为35~46%）

以2.8%电解镍、0.75%金属硅、1.0%金属锡、2%金属锌、0.20%金属铬，

Fe≤0.15%，Mn≤0.1%，余量为电解铜，进行配料，共计30公斤。将电解铜和电解镍同时装入25kg中频感应炉进行熔炼，待铜液熔化后依次加入金属锌、金属铬、金属锡、金属硅，控制熔炼温度在1280-1350℃，浇注温度1240-1280℃，用石墨模具浇注成规格为80×200×215mm的铸锭，经铣面后铸锭规格为：65×200×215mm。之后加工成特硬态带材的工艺流程如下：

铸锭加热（加热温度为650℃±20℃，保温3-6小时）→热轧（65→2.8mm）→中间退火（保温温度为500℃±10℃，保温时间为3~6小时）→粗轧至0.8mm→中间退火（保温温度为400℃±10℃，保温时间为3~5小时）→精轧至0.3mm→连续退火→表面清洗→精轧至0.2mm硬态成品→低温热处理（300℃×3~5小时）清洗钝化→分切

用上述方法制得的厚度0.20mm弹性青铜带材，检测其性能并与硬态的锡磷青铜带材的性能进行对比，其中软化温度的测定是依据ISO5182-1978标准，带材保温1h后硬度下降10%时的退火温度定义为软化温度，结果见表3：

表3 特硬态弹性青铜、锡磷青铜带材性能对比表

由表3可以看出，特硬态弹性青铜与锡磷青铜带的抗拉强度、屈服强度、硬度、伸长率与锡磷青铜基本相同，软化温度、电导率高于锡磷青铜。

抗应力松弛能力对比：

典型接插件、连接器依靠内部机械弹簧实现电连，应力松弛会造成接触压力失效，在接连器接触表面的热量和接触电阻会显著增加，最终电路将中断。应力松弛是压力释放的根本，残余压应力是应力松弛的主要衡量指标，弹性青铜合金的高温抗应力松弛能力优于锡磷青铜，弹性青铜合金与锡磷青铜带材的抗应力松弛对比见图1。