一種可鉚接的變形低銅合金材料及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種可鉚接的變形低銅合金材料及其應(yīng)用。本發(fā)明公開的低銅合金材料由Al、Cu、M、Zn和不可避免的雜質(zhì)組成，M為Ni、V、Ti、Zr、La、Ce、Pr、Nd、Mo、Si、Be、Cr、Mn、Co和Mg中的至少一種元素，雜質(zhì)包括Fe、Pb、Sn、Sb和Cd中的至少一種元素；該低銅合金材料的重量百分比組成中：Al的含量x=0.1-6.0wt%，Cu的含量y=0.1-4.0wt%，M的含量z=0.001-1.0wt%，雜質(zhì)的總量≤0.1wt%，余量為Zn；Al與Cu的含量之和滿足：0.5wt%≤x+y≤9.0wt%，Al與Cu的含量之比滿足：1≤x/y≤4。該合金可應(yīng)用于家用電器的電源插頭等需要進行鉚接、沖壓加工的零部件。
【專利說明】一種可鉚接的變形低銅合金材料及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低銅合金材料及其應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種可鉚接的變形低銅合金材料及其應(yīng)用，該合金材料可應(yīng)用于家用電器的電源插頭等需要進行鉚接、沖壓加工的零部件。

【背景技術(shù)】
[0002]銅及銅合金是應(yīng)用最廣、用量最大的有色金屬之一，在電子電器工業(yè)中的用量占一半以上。雖然對銅的需求旺盛，但我國銅資源嚴重短缺，國內(nèi)資源供給率不足25%，銅價也持續(xù)保持高位。并且，銅合金的含銅量較高，一般在55%以上，而銅原料價格通常占銅合金售價的85-90%，因此銅價對銅加工企業(yè)的資金流動和市場供求關(guān)系的影響十分嚴重。銅資源的日益短缺和持續(xù)的高銅價使人們不得不接受這一事實:銅及銅合金已成為稀缺材料。因此，為應(yīng)對復雜多變的世界經(jīng)濟形勢，開發(fā)新型的低成本合金材料替代銅合金已成為有色金屬及加工等行業(yè)的未來發(fā)展趨勢。
[0003]鋅基合金是另一種重要的有色金屬合金，具有熔點低、流動性好、導電性能好、原料低廉等特點，一般作為壓鑄和重力鑄造產(chǎn)品使用。壓力和重力鑄造得到的合金為鑄態(tài)組織，常以枝晶形式存在，組織形貌粗大，并且由于鋅是六方結(jié)構(gòu)晶體，室溫時滑移系較少，鑄造合金呈脆性，延伸率很低，不能進行鉚接、壓接等變形量較大的深加工。
[0004]由于鋅基合金的成本優(yōu)勢，近年來在某些銅合金占主導地位的應(yīng)用領(lǐng)域中，鑄造鋅合金已逐步替代了一些銅合金。但是采用壓鑄工藝生產(chǎn)的鋅合金不能進行后續(xù)加工變形，且壓鑄鋅合金產(chǎn)品的外形受限于模具，往往存在合模線等缺陷，影響后續(xù)加工，因此采用鑄造鋅合金替代銅合金的推廣應(yīng)用受到較大限制，對于變形鋅合金而言更是如此。
[0005]電源插頭是較為常見的家用電器零部件，其使用量大，使用范圍廣。目前制造電源插頭的原料以黃銅合金居多，如H59、H62等，但是成本較高，加上銅的資源有限，必然會對家用電器的未來發(fā)展造成制約。
[0006]作為電源插頭的材料需滿足一定條件下的自由跌落不得出現(xiàn)損壞和通電后規(guī)定時間內(nèi)的溫升不得超過45K。國際電工委員會(IEC)的IEC60884-1《家用和類似用途插頭插座第I部分:通用要求》標準規(guī)定:如果樣品不帶軟纜時，重量不超過100g，自由跌落1000次，表面不得出現(xiàn)損害；通電I小時后，插銷的溫升不得超過45K。除了自由跌落和溫升的要求外，材料還需滿足其他機加工方面的要求，例如適當?shù)膹姸?、硬度和塑性，以滿足后續(xù)電源插頭制造過程中的鉚接、沖壓等加工要求。鑄造鋅合金無法滿足以上要求，采用變形鋅合金作為電源插頭目前也鮮有報道。
[0007]現(xiàn)階段研究最多的變形鋅合金是Zn-Al系合金，但該合金存在切削性能較差、晶間腐蝕傾向嚴重、尺寸穩(wěn)定性低等缺點，不能滿足電源插頭制造行業(yè)對材料的易加工和可鉚接等性能要求。
[0008]JP特開平10-168533A公開了一種鋅合金，該鋅合金含有:0.1-4.5% Mg，其余為Zn和不可避免的雜質(zhì)。如有必要，至少一種元素選自Cu，Ni ,Mn，總量≤7%，和/或≤10%Al，和/或至少一種元素選自Ti ,Zr，Cr，Co，Li ,Be，Si和La系列元素，總量≤2%，該合金在高溫下具有優(yōu)異的拉伸強度和抗蠕變性能，但該合金為鑄造鋅合金，適用于冷模鑄造、熱模鑄造、注射成型等鑄造方法。
[0009]CN102277517A公開了一種高強可焊鋅合金，該合金組成為:鋁8~12%;銅0.5~3% ;鈦 0.05 ~0.5% ;鎂 0.02 ~0.2% ;鉻 0.03 ~0.15% ;稀土 0.1 ~0.25% ;余量為鋅和不可避免的雜質(zhì)；雜質(zhì)含量< 0.05%。作為一種Zn-Al基變形鋅合金，該合金的抗拉強度在360MPa以上，而延伸率只有≤10%，不能滿足電源插頭用鋅合金對鉚接加工的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可鉚接的變形低銅合金材料，該合金材料可應(yīng)用于家用電器的電源插頭等需要進行鉚接、沖壓加工的零部件。
[0011]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種可鉚接的變形低銅合金材料，該低銅合金材料由Al、Cu、M、Zn和不可避免的雜質(zhì)組成，其中M為N1、V、T1、Zr、La、Ce、Pr、Nd、Mo、S1、Be、Cr、Mn、Co和Mg中的至少一種元素，雜質(zhì)包括Fe、Pb、Sn、Sb和Cd中的至少一種元素，該低銅合金材料的微觀結(jié)構(gòu)中含有富含鋁的鋁鋅銅三元共晶組織；
[0012]該低銅合金材料的重量百分比組成中:A1的含量x = 0.1-6.0wt%, Cu的含量y=0.1-5.0wt%,M 的含量 ζ = 0.001-1.0wt%,雜質(zhì)的總量< 0.1wt余量為 Zn ；A1 與 Cu的含量之和滿足:0.5wt%^ x+y ( 9.0wt%, Al與Cu的含量之比滿足:1≤x/y≤4。
[0013]Al以富含鋁的α-Al 固溶體形式形成初生α枝晶和共晶α相，少量Al固溶于η -Zn固溶體中，在合金中主要起強化作用，隨著Al含量的提高，合金的強度、硬度提高，但塑性降低。雖然適當含量的Al可以改善合金鑄造的流動性，防止氧化，并且改善壓力加工性能，但鋅鋁基變形鋅合金在進行鉚接和沖壓加工時，由于沖擊韌性較差，容易開裂，所以該類合金不適合用于鉚接加工。但本發(fā)明人通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，在鋅鋁基合金中添加一定量的銅，可形成網(wǎng)狀的富含鋁的鋁鋅銅三元共晶組織，該三元共晶組織使得合金的鉚接和沖壓加工性能得到較大改善，開裂現(xiàn)象明顯降低。而該網(wǎng)狀的三元共晶組織的形成需要適當?shù)匿X、銅配比，本發(fā)明中，Al/Cu的含量比控制在1-4，鋁含量控制在0.1-6.0wt %。
[0014]本發(fā)明中加入Cu除了固溶于α相和η相外，主要形成ε相(即CuZn5)。Cu對亞穩(wěn)態(tài)的β相轉(zhuǎn)變起到抑制作用，提供合金高的強度、硬度、耐蝕性和合金液的流動性能，降低合金的晶間腐蝕敏感性。銅在鋅中的最大固溶度是2.7wt%，隨著溫度的降低，析出ε相，在銅含量較低的情況下，ε相析出的數(shù)量少、尺寸小，合金在保持較小強度增幅下，伸長率增加，硬度基本保持不變，適當?shù)靥岣咩~含量，有利于細化鋅鋁基合金的基體組織，提高致密度，減少縮孔縮松傾向。在本發(fā)明中，Π相、α相、ε相三者共同析出，形成富含鋁的鋁鋅銅三元共晶組織，該析出組織在不明顯降低強度的同時，有助于后續(xù)材料的鉚接、沖壓加工、順利軋制扁線。但銅含量不宜過高，過高的銅含量會析出大量的ε相，雖然強度、硬度增高，但延伸率大大下降，因此本發(fā)明將銅含量控制在0.l_5wt%。
[0015]優(yōu)選地，該低銅合金材料的重量百分比組成中:x = 0.5-4.5wt %, y =0.5-3.0wt%, I ( x/y ( 2.5。
[0016]優(yōu)選地，該低銅合金材料的重量百分比組成中:x = 4.6-6.0wt %, y =0.3-3.5wt%, I ^ x/y ^ 3o
[0017]優(yōu)選地，該低銅合金材料的抗拉強度為290_400MPa，硬度為90-110HV5，延伸率^ 15%。本發(fā)明低銅合金材料制成Φ4.8或Φ4.0的圓線后，經(jīng)機加工成插針，通過鉚接設(shè)備將電源線和插頭連接在一起，即制成AC/DC插頭。電源線通常采用T2銅，為實現(xiàn)低銅合金插頭與電源線更好的連接，兩者的機械性能應(yīng)相近，本方面控制低銅合金的抗拉強度為290-400MPa，硬度為90-110HV5，延伸率≥15 %，以實現(xiàn)低銅合金插頭與電源線的更好的連接匹配。
[0018]優(yōu)選地，所述的Ni的含量為0.001-0.1wt %，所述的Mg的含量為0.001-0.1wt %,所述的Mn的含量為0.001-0.lwt%。N1、Mg在鋅中有少量的固溶度，固溶于η相和β相中，可抑制β相的轉(zhuǎn)變，當兩者在低銅合金中的添加量大于0.001%時就有提高強度的作用，并且可提高合金的耐晶間腐蝕性能，但隨著兩者含量的增加，雖然合金的強度、硬度提高，但同時塑性降低，增大熱裂和冷裂性能，使鉚接和沖壓性能變差。綜合考慮兩者對合金性能的影響，本發(fā)明中N1、Mg和Mn的含量分別控制在0.001-0.1wt%。
[0019]優(yōu)選地，所述的V的含量為0.001-0.1wt %，所述的Ti的含量為0.001-0.1wt %,所述的Zr的含量為0.001-0.lwt%。Zr、V、Ti在低銅合金中的溶解度很低，三者會與Zn、Cu、Al結(jié)合生成細小彌散的質(zhì)點 ，起到細化合金晶粒、提高強度的作用，如Ti與Zn形成的TiZn3能夠細化合金的晶粒，從而提高合金的力學性能和再結(jié)晶溫度，但過高的含量易造成合金的脆性，不利于后續(xù)的鉚接加工，因此添加量分別控制在0.001-0.lwt%。
[0020]優(yōu)選地，所述的La的含量為0.001-0.1wt %，所述的Ce的含量為0.001-0.1wt %,所述的Pr的含量為0.001-0.1wt %，所述的Nd的含量為0.001-0.1wt % ;所述的Mo的含量為0.001-0.1wt %,所述的Si的含量為0.001-0.1wt %,所述的Cr的含量為0.001-0.1wt %，所述的Co的含量為0.001-0.1wt % O稀土元素La、Ce、Pr、Nd能夠起到良好的細化晶粒和除氣作用，添加后可明顯改善合金的力學性能、鉚接加工和沖壓加工性能，但添加量過高會造成基體脆性，延伸率大大降低。Mo、S1、Cr、Co的添加量分別控制在0.001-0.1wt%, Mo、S1、Cr、Co與鋅生成第二相，均勻分散于鋅基體中，起到第二相強化作用。
[0021]優(yōu)選地，所述的Be的含量為0.001-0.1wt%。0.001-0.1wt%的Be固溶于鋅基體中，起到固溶強化的作用。
[0022]本發(fā)明低銅合金對于Fe、Pb、Sn、Sb和Cd等雜質(zhì)具有較強的敏感性。含有雜質(zhì)Fe時形成的FeAl3和FeZn7相會降低合金的流動性，且形成的硬質(zhì)點不利于后續(xù)的深加工，特別是對后續(xù)的電鍍性能影響很大，易在電鍍后產(chǎn)品表面形成黑點。Pb呈細小顆粒分布于晶界和枝晶間，容易造成晶間腐蝕。Sn與鋅會形成低熔點的共晶體，使得材料容易變脆，不利于后續(xù)的加工。Sb和Cd存在于固溶體中，形成熱脆性，降低耐蝕性能。因此Fe、Pb、Sn、Sb和Cd等元素在本發(fā)明合金中，都是作為雜質(zhì)元素來控制，總量控制在0.1wt %以下。為進一步限制Pb、Cd等有害元素含量，滿足環(huán)保的要求，本發(fā)明合金中，雜質(zhì)Pb的含量應(yīng)控制在
0.005wt%以下，雜質(zhì)Cd的含量應(yīng)控制在0.0Olwt %以下。
[0023]優(yōu)選地，本發(fā)明可鉚接的變形低銅合金材料在電源插頭上的應(yīng)用。本發(fā)明低銅合金的鉚接和沖壓加工性能好，可應(yīng)用于家用電器的電源插頭等需要進行鉚接、沖壓加工的零部件。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0025](I)本發(fā)明合金與普通的Zn-CiuZn-Al基變形鋅合金相比，具有適當?shù)膹姸?、硬度和延伸率，抗拉強度保持?90-400MPa之間，硬度在90_110HV5、延伸率≥15 %，可以實現(xiàn)鉚接、沖壓加工性能。
[0026](2)普通變形鋅合金再結(jié)晶溫度低，拉伸過程中會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，當加工率達到30%時就會產(chǎn)生加工軟化，但本發(fā)明克服了普通變形鋅合金的上述不足，本發(fā)明低銅合金的加工率達到85%時才會出現(xiàn)加工軟化現(xiàn)象，從而本發(fā)明低銅合金具有良好的變形性能，能夠順利生產(chǎn)出圓線和扁線。
[0027](3)該發(fā)明合金滿足電源插頭對材料溫升性能的要求，Ih后的溫升一般為15-34K，符合IEC60884-1對電源插頭溫升方面的性能要求。
[0028](4)該合金主要應(yīng)用于普通黃銅電源插頭的替代，可以節(jié)省成本，也可應(yīng)用于其他需要進行鉚接、沖壓加工的銅合金零部件的替代。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為實施例1低銅合金微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖片；
[0030]圖2為圖1中箭頭所指處的能譜分析結(jié)果。

【具體實施方式】
[0031]以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0032]選取了 20個實施例合金和2個對比例合金(對比例I按照JP特開平10-168533A進行合金配比，對比例2按照CN102277517A進行合金配比)，采用相同的工藝方法分別加工成制造AC/DC插頭所需的圓線:通過半連鑄或水平連鑄生產(chǎn)成Φ100-Φ200mm鑄錠，鑄錠經(jīng)過擠壓后鋸切至400-700mm的長度，加熱至200-300°C，通過正向擠壓機或反向擠壓機擠壓出圓線坯Φ6-12，經(jīng)過多次拉伸和至少兩次退火后加工成規(guī)格為Φ4.8、Φ4.0圓線成品，然后對其進行矯直。圓線經(jīng)過機加工后成插針，然后通過鉚接設(shè)備把電源線和插頭連接在一起，制成AC/DC成品插頭。實施例、對比例的成分及性能測試結(jié)果見表1。
[0033]實施例1低銅合金微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖片如圖1所示，圖1中箭頭所指處的能譜分析結(jié)果如圖2所示，可明顯看出本發(fā)明合金具有富含鋁的鋁鋅銅三元共晶組織，該三元共晶組織為網(wǎng)狀。
[0034] 根據(jù)IEC60884-1標準進行自由跌落和溫升測試，IEC60884-1標準規(guī)定:對加工成成品的插頭進行交流電通電lh，升溫不能超過45K為合格；滾筒跌落檢測，根據(jù)插頭的重量不同要對插頭進行100-1000次的滾筒跌落試驗，在試驗的過程中插頭不能有斷裂、彎曲。對于實施例和對比例合金進行自由跌落和溫升測試。自由跌落測試的樣品不帶軟纜，重量不超過100g，跌落1000次后觀察樣品表面是否有裂紋，判斷其完好程度。自由跌落和溫升測試的結(jié)果見表1。
[0035]

【權(quán)利要求】
1.一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于，該低銅合金材料由Al、Cu、M、Zn和不可避免的雜質(zhì)組成，其中 M 為 N1、V、T1、Zr、La、Ce、Pr、Nd、Mo、S1、Be、Cr、Mn、Co 和 Mg 中的至少一種元素,雜質(zhì)包括Fe、Pb、Sn、Sb和Cd中的至少一種元素，該低銅合金材料的微觀結(jié)構(gòu)中含有富含鋁的鋁鋅銅三元共晶組織； 該低銅合金材料的重量百分比組成中:A1的含量x = 0.1-6.0wt %, Cu的含量Y =0.1-4.0wt %, M 的含量 ζ = 0.001-1.0wt %,雜質(zhì)的總量< 0.1wt %,余量為 Zn ；A1 與 Cu 的含量之和滿足:0.5wt% ≤ x+y ≤ 9.0wt%, Al與Cu的含量之比滿足:1 ≤x/y ≤4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于該低銅合金材料的重量百分比組成中:x = 0.5-4.5wt%, y = 0.5-3.0wt %, I ≤ x/y ≤ 2.50
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于該低銅合金材料的重量百分比組成中:x = 4.6-6.0wt %, y = 0.3-3.5wt%, I ≤ x/y ≤ 3?
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于該低銅合金材料的抗拉強度為290-400MPa，硬度為90-110HV5，延伸率≥15%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于所述的Ni的含量為0.001-0.1wt %，所述的Mg的含量為0.001-0.1wt %，所述的Mn的含量為0.001-0.lwt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于所述的V的含量為0.001-0.1wt %，所述的Ti的含量為0.001-0.1wt%，所述的Zr的含量為0.001-0.lwt%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于所述的La的含量為0.001-0.1wt %，所述的Ce的含量為0.001-0.1wt %，所述的Pr的含量為0.001-0.1wt %，所述的 Nd 的含量為 0.001-0.1wt % ;所述的 Mo 的含量為 0.001-0.1wt %,所述的Si的含量為0.001-0.1wt %，所述的Cr的含量為0.001-0.1wt %，所述的Co的含量為 0.001-0.1wt % ο
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于所述的Be的含量為0.001-0.1wt % ο
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料，其特征在于該低銅合金材料中所述的雜質(zhì)Pb的含量為0.005wt%以下，所述的雜質(zhì)Cd的含量為0.0Olwt% 以下。
10.權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種可鉚接的變形低銅合金材料在電源插頭上的應(yīng)用。
【文檔編號】H01R13/03GK104073686SQ201410269844
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】孫文聲, 郜曉彬, 余惺, 楊澍, 周宏渤, 張明 申請人:寧波博威合金材料股份有限公司