用于電連接器的可切削銅合金的制作方法
【專利說明】用于電連接器的可切削銅合金發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本公開涉及Cu-N1-Si類型的可切削沉淀硬化銅合金，尤其適于以下領(lǐng)域的應(yīng)用，如具有高機械耐受性和高冷成形性的、特別用于電動螺桿切削部件(eIectric screwmachined part)的電連接器、彈簧硬觸點。本公開進一步涉及包含所述銅合金的半制成銅基產(chǎn)品的生產(chǎn)方法。
[0002]相關(guān)技術(shù)說明
當(dāng)今在連接器合金領(lǐng)域的特殊需求正在增長，隨著創(chuàng)新性銅基合金的商業(yè)化，這種需求被認(rèn)為是根據(jù)終端用戶的新的期望為他們提供適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方案的創(chuàng)新驅(qū)動力。整體的趨勢為:
-在抵抗性、可靠性和耐用性方面改善成品部件的性能；
-縮小部件的尺寸和減少觸點的重量；
-高強度與改善的可變形性和良好的導(dǎo)電性相結(jié)合；和
-設(shè)置原半成品的加工參數(shù)來提高生產(chǎn)率和控制生產(chǎn)成本:可切削性、采用壓接觸點來代替焊接觸點、排除昂貴的操作，如在壓接觸點前的分區(qū)退火(zone annealing)。
[0003]迅速地發(fā)現(xiàn)了 Cu-N1-Si的可沉淀硬化合金可用于各種領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用，這些領(lǐng)域要求中至高的強度、良好的剩余導(dǎo)電性(remaining electrical conductivity)和在熱或機械負(fù)載下部件具有良好的抗疲勞行為。Cu-N1-Si合金主要通過高溫淬火和隨后的熱處理來強化，其在銅基質(zhì)中引入第二相(S-Ni2Si)的沉淀，并從而改善強度。
[0004]通常，此類合金經(jīng)過以下加工:鑄造(連續(xù)或半連續(xù))、熱變形和冷變形、固溶處理(solut1n treat)和水中淬火、冷加工和在惰性氣氛中在大約400-600°C，根據(jù)要獲得的特征在不同的期間進行的最終時效處理(age )。
[0005]此類合金以它們杰出的性能而聞名，因為它們兼具強度和傳導(dǎo)性的結(jié)合，這比其它的可沉淀硬化的銅基合金例如Cu-Fe-P、Cu-N1-P> Cu-Cr-Zr更優(yōu)異。作為強化效應(yīng)的原因的沉淀已經(jīng)確定為Ni2Si沉淀。然而，因為它們的不可切削性質(zhì)，它們僅限定于非切削部件。
[0006]在銅合金的標(biāo)稱化學(xué)組成中，Pb的添加顯著地改善了切削性能，適于精密螺桿切削部件，如連接器插針和插孔的制造。鉛在銅基質(zhì)中以分散的精細(xì)和均勻的顆粒存在。鉛顆粒起到作為潤滑劑和同時作為斷肩器(chip breaker)的作用，由此促進表面上薄的切肩的形成和去除，并確保清潔的切削表面質(zhì)量。易切削銅，如Cu-N1-P-Pb和Cu-Pb-P很大程度上因為它們的切削性能而聞名。
[0007]一定數(shù)量的合金，如銅-鎳-錫家族中的可切削含鉛旋節(jié)合金，如在本申請人的美國專利0089816中描述的合金，可以在抵抗性和可切削性方面與可切削鈹銅合金相競爭。此類合金的弱點，尤其是對于電部件和電子部件的部分，是低的導(dǎo)電率。由于組成中較高數(shù)量的導(dǎo)電性銅和結(jié)構(gòu)中可能的沉淀，某些Cu-N1-Si合金在這個方面提供了令人關(guān)注的性質(zhì)。直到今天，這些Cu-N1-Si合金都沒有在自動車床(automatic lather)上以可切削的形式供應(yīng)，這限制了它們在連接器工業(yè)領(lǐng)域中的用途。
[0008]所供應(yīng)的半成品必須為最終用戶設(shè)計，從而實現(xiàn)壓接的終端連接，其優(yōu)選于焊接的終端連接。這的確意味著大部分的切削部件在多次車削和/或鉆削操作之后需要被局部加熱高至固溶加熱溫度以在壓接該部件之前使管件足夠軟化。伸長率顯著增加，并且硬度降低，下屈服強度(lower yield strength)足夠低以適應(yīng)塑性變形和確保最佳的電接觸。然而，這樣的操作對于薄的部件來說幾乎總是精妙的，因為其要求對部件非常小面積的熱處理，而不影響到其余部分。
[0009]因為固溶體以不同的程度強化了強度以及彈性模量和耐腐蝕性，所以Ni在Cu中的完全溶解度增加。
[0010]制造方法在進一步的步驟中包括時效處理來實現(xiàn)時效峰值狀態(tài)(peak-agedstate)，并且其導(dǎo)致Cu-N1-Si合金的高性能屬性:對應(yīng)于時效峰值的高機械強度和良好的導(dǎo)電率。此條件促進了主要由針形Ni2Si沉淀組成的不同性質(zhì)的沉淀的精細(xì)分布，所述沉淀是高應(yīng)力、彈簧屬性和良好的成形性的原因。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在時效條件的限定中由重結(jié)晶導(dǎo)致的軟化和在時效過程中的強化之間的良好折中可以提供最佳的部件設(shè)計。硅增加了強度、耐磨性和耐腐蝕性。
[0011]在可沉淀硬化銅合金中，增加強度通常以延展性和傳導(dǎo)性為代價。通過在半成品的制造方法，包括鑄造、固溶熱處理和時效熱處理的過程中，對機械強度和導(dǎo)電率的預(yù)期變化的精確研宄，切削的Cu-N1-Si家族表現(xiàn)為能夠涉及各種應(yīng)用，主要在連接器制造領(lǐng)域中的多功能材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供基于Cu-N1-S1-Pb體系的新一代可切削合金。由于特殊的熱-機械處理和優(yōu)化的合金組成，它們達(dá)到機械性能，同時保持高的冷變形性和提供極好的切削性能，這在生產(chǎn)率方面對于最終用戶是關(guān)鍵的因素。
[0013]本發(fā)明涉及在Cu-N1-S1-Pb基礎(chǔ)上的一系列創(chuàng)新性半成品的技術(shù)開發(fā)和工業(yè)化，其以切削和/或冷鐓精密部件，如電觸點的制造為目的。產(chǎn)品范圍主要針對具有0.2 mm至200 mm的直徑的棒材和線材(rods and wires)的生產(chǎn)，但還可以涉及從0.05 kg/m高至100 kg/m的包括方形和六邊形橫截面的型材(profile)。該產(chǎn)品通過還材(billet)或線材的連續(xù)或半連續(xù)鑄造來獲得。噴霧鑄造技術(shù)也可以用于制造該合金家族的坯材。
[0014]在此方面，本公開涉及以制造主要用于電連接器和電子連接器的切削和/或冷鐓部件為目的的一系列創(chuàng)新性半制成銅基產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)和工業(yè)化。由于良好調(diào)節(jié)和掌握的化學(xué)組成和使用制造方法的最佳組合，該創(chuàng)新性可沉淀硬化的銅合金家族由于其可被切削的能力對于未來工業(yè)顯示出非常令人關(guān)注的潛能。這種基于Cu-N1-S1-Pb體系的新一代可切削合金必須經(jīng)過特殊的制造方法來最終達(dá)到令人關(guān)注的性能，如良好的冷變形性、高強度以及良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。以工業(yè)化為目的的半成品的范圍涉及具有0.2 mm至200mm的直徑的線材和棒材，以及從0.05 kg/m高至100 kg/m的包括方形和六邊形橫截面的型材的生產(chǎn)。
[0015]本公開涉及可切削和/或可冷鐓的Cu-N1-S1-Pb合金，其適用于在電觸點的領(lǐng)域制造切削的精密部件，其要求高強度和高導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性，以及良好的冷成形性。該合金類型是通過沉淀硬化處理來強化的。在一個實施方案中，可切削可沉淀硬化的銅合金包含:N1:1 - 4.1 wt.%
Si:0.3-3.0 wt.%
Pb:0.4 - 4.0 wt.%
Zn 0.5 wt.%
Sn 0.5 wt.%
Cr 0.5 wt.%
Zr 0.5 wt.%
Fe 0.05 wt.%
P 0.3 wt.%
不可避免的雜質(zhì) Cu:剩余部分，
其中，不可避免的雜質(zhì)不超過0.3 wt.%。在一個變體中，該銅合金包含不超過0.1 wt.%的Fe。在進一步的變體中，Pb含量在0.5至3 wt.%之間。
[0016]此外，由于在銅基質(zhì)中沉淀不同的第二種顆粒的可能性，可切削銅合金由于良好的剩余冷成形性顯示出適于切削、沖壓、折彎、壓接的廣泛的可實現(xiàn)的加工性能。組成的受控調(diào)節(jié)可以提供優(yōu)異的機械性能以及高傳導(dǎo)性與良好的自動車床上的可切削性的極好的折中。
[0017]在一個實施方案中，半制成銅合金產(chǎn)品可以通過結(jié)合可切削銅合金與適合的生產(chǎn)方法來獲得，該方法包括:
在所述合金上進行連續(xù)線材鑄造(wire casting)、還材鑄造(billet casting)和還材噴霧壓實(billet spray compacting)中的一種；
熱成形；
在800至950°C之間的溫度下固溶熱處理10至30 min的一段時間；
從固溶處理溫度淬火；
冷變形；和
在380至600°C之間的溫度下和以I h至5 h的一段時間進行時效處理。
[0018]通過上述方法獲得的銅合金產(chǎn)品可以顯示出高的冷成形性，最小值大約為8%的伸長率，以及至少650 MPa或550 MPa的高強度。該銅合金產(chǎn)品還可以顯示出超過1000MPa的非常高的強度。該銅合金產(chǎn)品可以進一步具有至少30% IACS的導(dǎo)電率(對于最高強度)。這樣的導(dǎo)電率完全符合電部件制造商的期望。該銅合金產(chǎn)品特別適合于在以下領(lǐng)域的應(yīng)用，如具有高機械耐受性和高冷成形性的、特別用于電動螺桿切削部件的電連接器、彈簧硬觸點。高切削性能和高強度與足夠的延展性，以及高抗應(yīng)力松弛性賦予該銅合金產(chǎn)品創(chuàng)新性的潛能。
[0019]在第一變體中，該可切削的銅合金可以包含大約2.5 wt.%的N1、大約0.4 wt.%的S1、大約1.0 wt.%的Pb和基本上由Cu組成的剩余部分。根據(jù)第一變體的銅合金與生產(chǎn)方法相結(jié)合得到的銅合金產(chǎn)品顯示出重要水平的剩余延展性與高抵抗性和良好的導(dǎo)電性，并因此可以在不需要分區(qū)退火下操作壓接。
[0020]考慮到關(guān)于有毒化合物的新環(huán)境和資源(wealthy)的立法，通過引入可切削產(chǎn)品，市場經(jīng)歷了一場演變，其中要求良好的傳導(dǎo)性與高強度相結(jié)合。在第二變體中，可切削的銅合金可包含大約3.5 - 4.0 wt.%的N1、大約0.7 - 1.0 wt.%的S1、大約0.8 -1.2wt.%的Pb和基本上由Cu組成的剩余部分。根據(jù)第二變體的銅合金與生產(chǎn)方法相結(jié)合得到的銅合金產(chǎn)品具有高強度和高導(dǎo)電性，且表現(xiàn)為高強度銅合金的技術(shù)方案，顯示出令人關(guān)注的性能。
[0021]在一個實施方案中，根據(jù)第二變體(最初:包含優(yōu)于3 wt.%的Ni以及優(yōu)于0.8wt.%的Si)的銅合金可以與生產(chǎn)方法結(jié)合，從而銅合金產(chǎn)品的強度可以達(dá)