一種含鈷硅的銅合金的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的合金領域，具體指一種含鈷硅的銅合金。
【背景技術】
[0002] 黃銅由于其良好的導電性、耐腐蝕性、良好的冷熱加工性能，廣泛應用在各行各 業，是當前時代必不可缺的金屬材料，而銅資源是有限的，隨著不斷開采，資源存量不斷減 少。以錫磷青銅為代表的高強度、高彈性、耐疲勞、耐腐蝕銅合金廣泛應用于醫療、航空、通 信、汽車、電子電氣等行業的連接器、端子、繼電器、彈簧、開關元器件上。但其屬于青銅系列 合金，銅含量高，錫磷青銅中含有較高含量的、更昂貴的金屬Sn，原材料價格導致該產品價 格居高不下。隨著市場競爭日益激烈，企業進入薄利化時代，迫切需求降低各方面成本來提 高盈利水平，對于上述行業的企業，亟待一種滿足使用要求的低成本彈性材料來降低成本。
[0003] 黃銅是以銅、鋅為主體銅合金，可以通過添加其他的合金元素構成復雜黃銅，滿足 不同需求。黃銅合金其具有良好的工藝性能、機械性能和耐蝕性能，是有色金屬中應用最廣 泛的合金材料之一。鋅的儲量豐富，原材料價格遠低于銅，因此黃銅原材料成本普遍低于青 銅。通過相應的方案改善黃銅的一些性能，使其可以滿足更多應用領域的需求，替代使用青 銅才能滿足材料，從資源存量、企業利潤上，都是一個大的趨勢。
[0004] 當前市場上已經出現了幾款復雜彈性黃銅材料用于替代錫磷青銅，但在實際應用 過程中存在不少問題。雖然在抗拉強度、屈服強度等指標上達到了替代彈性材料的使用要 求，但材料基本屬性導致高溫耐久性能、抗蠕變性能差于磷青銅，使用壽命及可靠性差于磷 青銅，使用環境受到限制。此外，隨著近些年上述行業所用器件的輕量化、小型化，對磷青銅 替代材料，甚至磷青銅本身，提出了更高的要求和挑戰。例如，對于彈性元件而言，要想小型 化并保持滿足使用要求的夾持力或回彈力，唯一的方式就是提高材料的彈性模量，這個指 標是由材料的基本屬性決定的，磷青銅彈性模量在IlOGPa左右，而黃銅類替代材料由于固 溶強化比例的增加，使彈性模量進一步降低，在l〇5GPa左右，無法滿足彈性材料應用領域 小型化、輕量化的需求。其次，為了謀求小型化、薄壁化，要求構成這種元器件材料具有更高 的強度以及強度與延伸率的平衡。眾所周知，強度與塑性是一對矛盾，材料通過冷變形加工 硬化來提高強度會導致延伸率下降，使材料的塑性加工能力降低，使用受到限制。另外，在 一些大電流并要求最高使用溫度的應用領域，如電源連接器要求有更高的導電率，當前磷 青銅導電率在16% IACS左右，客觀上需要更高導電率的替代材料出現，而當前的替代材料 如錫黃銅，出于成本和力學性能的考慮，使更多的合金元素固溶在基體相里，這使材料導電 率的提升受到重大限制，只能達到20% IACS左右。
[0005] 如當前一款黃銅替代錫磷青銅材料，國標HSn70-l，美標C44300,其成分為Cu: 70% -73%，Sn :0. 9% -1. 2%，余量為Zn，通過加工硬化可以使力學性能達到上述行業材料 的使用要求，但其在100°C 50 %屈服強度初始應力下1000 h抗應力松弛率僅為不到80 %，難 以滿足持久性需求。
[0006] 又如公開號為CN103088229A的中國專利申請所公布的一款通過降低Sn含量來 降低成本的錫磷青銅替代材料。其主要成分為Sn :0. 01% -2. 5%，P :0. 01-0. 3%，Fe : 0· 01-0. 5, Ni :0· 01-0. 5%，Mn :0· 01-0. 1%，余量為 Cu ;其導電率僅為 10% -16% IACS，應 用領域受到限制。此外，成本降幅不大，降低Sn含量的同時Cu含量提高到97%以上，綜合 成本降幅僅為5% -10%。

【發明內容】

[0007] 本發明所要解決的技術問題是提供一種能顯著降低合金成本且具有更低應力松 弛率、更耐蠕變、更高屈強比、更高彈性模量和更好導電率的含鈷、硅的銅合金。
[0008] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：該含鈷硅的銅合金，其特征在于 包括下述重量組成：
[0009]
[0010] 其中銅、鋅兩種元素之和大于95wt%，不可避免的雜質含量小于0. 2%。
[0011] 較好的，該銅合金含有銅鋅α固溶體的基體相和CoxSidF出相；所述Co xSiy析出 相彌散分布在所述基體相上；所述基體相的面積百分比多95%，所述CoxSiy析出相的面積 比為 0.01% -5%。
[0012] 優選所述CoxSi#出相中粒徑在10-200nm之間的數量占比彡90%，粒徑在200nm 以上的彡10%。
[0013] 所述銅和鋅的原子比Cu/Zn可以為2. 3-15. 8,所述銅與鋅的質量分數滿足 0.65^ ([Cu]/3+1)/([Zn]+5) ^ 3. 5〇
[0014] 上述銅合金的屈服強度/抗拉強度彡85% ;100°C、1000H、50%屈服強度初始應力 條件下的應力松弛率< 15%。
[0015] 進一步地，該銅合金還可以含有0· 01-3. 5wt %的Sn元素、0· 01 % -4. Owt %的Al 和0· 01% _3wt%的Ni中的至少一種。
[0016] 更進一步地，上述各方案中的銅合金還可以含有0.01% -0.35wt%的P。
[0017] 該銅合金還含有ConiPn析出相，所述Co J3n析出相的面積比為0· 01% -5%。
[0018] 上述各方案中，該銅合金還可以包括總含量為0. 0001 % -2 %的A，所述A選 自 0· Olwt % -I. 5wt % 的 Mn、0.0 lwt % -I. 5wt % 的 Fe、0.0 Olwt % -〇· 3wt % 的 Cr、 O.OOlwt % -〇.2wt % 的 Zr、0.001wt % -〇.5wt % 的 Mg、0.001wt % -〇.8wt % 的 Ti、 0· 0005wt% -〇· 3wt%的 B 和 0· OOOlwt% -〇· lwt%的 Re 中的至少一種。
[0019] 銅和鋅的作用及配比：Zn固溶在Cu中，形成單相α固溶體，起到固溶強化的作 用，構成合金組織的基體。Zn含量低于38%都可以形成α固溶體，但銅鋅之間需要滿足 一定關系，當銅鋅原子比< 2. 3,銅鋅質量比（[Cu]/3+lV([Zn]+5) < 0. 68時，由于固溶 進銅的鋅過多，導致基體導電率和彈性模量偏低，高溫耐久性急劇下降，無法滿足使用中 對電流傳輸、信號傳輸、單位時間溫度升高量、夾持力、耐久性等要求。當銅鋅原子比Cu/ 211>15.8，質量比（[&1]/3+1)八[211]+5)>2.88時固溶引起的晶格畸變少，導致鈷硅化 合物固溶于晶格形成的固溶體的穩定效果不好，需要較高的溫度快速冷卻才能形成鈷硅 化合物的飽和固溶體，而黃銅在高溫下氧化脫鋅很嚴重，不能滿足生產需求。本發明通過 控制銅鋅的比例和范圍，使鈷硅化合物在600°C時仍然還有較高固溶度，此時直接進行在 線水冷固溶即可形成飽和固溶體，滿足進一步時效析出的條件，擴展了工藝區間，在固溶 工序時無需通過二次固溶或極速冷卻，如CN104232987A中所述的在熱乳后需要用液氮進 行急速冷卻，大大降低了資源消耗和生產成本。優選銅鋅原子比Cu/Zn為2. 4-15,質量比 0. 69 < ([Cu]/3+1)八[Zn]+5) <2. 76從質量分數上優選Cu的質量分數在81 %-92%。
[0020] 鈷和硅的作用及配比：單獨添加 Co元素時，其固溶于基體中，通過固溶強化的作 用提高材料的強度。Si的鋅當量系數為10,添加一個單位的Si相當于添加10個單位的 鋅，縮小α相區，擴大β相區，通過固溶強化及促進較硬的β相形成提高材料強度。但兩 者單獨添加都會降低材料的導電率和彈性模量，不能起到改善材料彈性耐久性的作用。Co 和Si同時添加，可以形成鈷硅金屬間化合物，通過固溶時效工藝，化合物析出，彌散分布在 基體上，將本身要固溶進基體相降低導電率的Co和Si排除在基體之外，提高了材料的導電 率。彌散分布在基體相上細小的析出相，在發生低于再結晶溫度的塑性變形時可以阻礙晶 格的滑移和位錯的移動，形成更多的位錯及位錯塞積，即形成柯垂爾氣團，使材料獲得比單 獨固溶時更高的強度和屈強強度與抗拉強度比。彌散分布在基體上細小的析出相，由于其 對晶格畸變的阻礙和對位錯的釘扎作用，使材料在發生彈性變形時需要更大的應力，即提 高了材料的彈性模量。同樣的原理，提高了材料彈性變形范圍內和相對高的溫度時發生塑 性變形的難度，即提高了材料的抗應力松弛能力。Co元素超過3wt %材料的熱加工性能惡 化，低于0.0 lwt%，無法形成數量足夠的析出相改善材料性能。Si元素超過0. 5%材料會產 生熱脆，且嚴重降低導電率，低于0. 〇lwt%無法形成足夠的析出相改善材料性能。
[0021] 該銅合金的微觀組織的特征有：銅鋅固溶體構成的α相為基體相，其面積 占比多95%