无铅易切削高导电率的钙碲青铜材料的制作方法

本发明涉及一种无铅易切削高导电率(IACS％——87～93％)的钙碲铜青铜材料。

背景技术：
：

随着不可再生资源的日益消耗，特别是石油资源的消耗，人们不得不为汽车业的可持续发展开始思考，新能源汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，但新能源汽车最大的配套设施无疑是充电桩。

用于新能源汽车充电桩零部件以及普通汽车起动机零部件不但要求有较高的导电性，还要求精密的尺寸、光洁的表面，并且大部分要切削加工，因此要求材料既有高的导电率还要有良好的切削加工性能以及优良的灭弧性能。目前，国内外采用的材料主要有碲铜C14500、C11000和钙铜等材料。C14500碲铜中的碲在固态铜中的溶解度很小，以弥散独立相Cu₂Te存在，对铜的电导率及热导率的影响很小，所以使材料切屑易断，提高了铜的可切削性能和灭弧性能，但是碲铜只能在加工状态使用，因为退火(600℃左右)时Cu₂Te会沿晶界析出，使材料变脆，另外碲使铜的可焊性能恶化，不容易采用氧乙炔和电阻焊，并且碲含量越高材料的灭弧性能越好，基本上碲含量达到0.7％以上，材料的灭弧性能越好，但碲的价格高，材料的性价比不高。

C11000紫铜的优点是电导率与热导率高、抗腐蚀性能强、加工成型性能好、强度适中，并且有良好的可焊性能和表面处理性能，但缺点是紫铜中不含任何易切削元素导致了切削性能差，使材料的加工效率大大的降低，并且紫铜的灭弧性能差。

钙铜的优点是导电性能优，可焊性好，虽然钙含量达到1％左右能改善材料的切削性能，但导电率会明显下降，如果不能达到一定比例的钙含量，会严重影响材料的灭弧性能，并且钙铜材料的灭弧性能不稳定。

技术实现要素：
：

为了解决碲铜、紫铜和钙铜的各自缺点，提供一种既具有良好的导电率和良好的切削加工性能，而且具有良好的灭弧性能的无铅易切削高导电率的钙碲青铜材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无铅易切削高导电率的钙碲青铜材料，该材料的重量百分比组成为：Ca 0.1～1.0％、Te 0.05～0.4％、镧铈合金0.01～0.1％、P 0.002～0.015％、Mg 0.002～0.012％、Pb＜0.01％，余量为铜和总量不大于0.04％的杂质(不可避免的杂质)，且满足Cu+Ca+Te＞99.90％(即铜、钙和碲重量百分比之和＞99.90％)、Cu+Ca+Te+P+Mg+镧铈合金＞99.96％(即铜、钙、碲、磷、镁和镧铈合金重量百分比之和＞99.96％)。

本发明的钙铜材料，其重量百分比组成优选方案之一是：Ca 0.15～0.85％、Te 0.1～0.35％、镧铈合金0.01～0.08％、P 0.002～0.012％、Mg 0.002～0.008％、Pb＜0.01％，余量为铜和总量不大于0.04％的杂质，且满足Cu+Ca+Te＞99.90％、Cu+Ca+Te+P+Mg+镧铈合金＞99.96％。

本发明的钙铜材料，更优选的重量百分比组成是：Ca 0.2～0.5％、Te 0.15～0.3％、镧铈合金0.015～0.05％、P 0.003～0.01％、Mg 0.002～0.005％、Pb＜0.01％，余量为铜和总量不大于0.04％的杂质，且满足Cu+Ca+Te＞99.90％、Cu+Ca+Te+P+Mg+镧铈合金＞99.96％。

上述镧铈合金中，镧含量为30％～40％(重量百分比含量)。

本发明钙碲青铜中限定金属元素种类和添加量的原因在于：

钙：为了改善切削性能和灭弧性能而加入的，由于钙不固溶于铜，以弥散独立相CaCu₅(γ相)存在于铜中，使切屑易断，材料的切削性能和灭弧性能随Ca含量的提高而提高。导电率随Ca含量的提高有所下降。Ca含量大于1.0％，材料导电率下降明显，ICAS在80％以下，材料塑性下降，而对材料的切削性能和灭弧性能无进一步改善效果。Ca含量低于0.1％，导电率ICAS％在92％以上，但切削性能和灭弧性能改善不够明显。所以最优选的Ca含量在0.2～0.5％之间。

碲：为了改善切削性能和灭弧性能而加入的，由于碲以弥散独立相Cu₂Te存在于铜中使切屑易断，提高铜的可切削性能和灭弧性能，但是碲铜只能在加工状态使用，不能退火处理，因为退火(600℃左右)时Cu₂Te会沿晶界析出，使材料变脆，另外碲使铜的可焊性能恶化，不容易采用氧乙炔和电阻焊。Te含量大于0.3％，材料的焊接性能下降并且增加材料的成本。Te含量低于0.1％，材料的切削性能改善不够明显。所以最优选的Te含量在0.15～0.3％之间。

镧铈合金：稀土元素一般不固溶于铜，但少量的稀土金属的加入，能提高铜的导电率。这类元素可与铜中的杂质铅、铋等形成高熔点化合物，呈细小球形质点均匀分布于晶内，可细化晶粒，提高材料的切削性能，也可提高材料的高温塑性。稀土含量低于0.01％，细化晶粒效果不明显，超过0.05％会影响材料的导电率，最优选范围在0.015～0.05％之间。

铜磷合金：磷对铜的力学性能与焊接性能有良好的影响，并且微量磷的加入能提高铜的流动性以及具有脱氧的作用。磷含量低于0.003％，对材料流动性和脱氧效果不明显，超过0.01％对材料的性能无进一步改善效果，最优选范围在0.003～0.01％。

铜镁合金：镁在铜中的固溶度很小，但微量镁的加入能提高铜的抗高温氧化能力，也对铜有脱氧作用。镁含量低于0.002％，脱氧效果不明显，超过0.005％会影响材料的导电率，最优选范围在0.002～0.005％。

铜：合金材料的铜含量越高，导电率越高，反之导电率下降。合金材料使用的原料电解铜要求铜含量不能低于99.96％，否则原料电解铜中的杂质含量过高会影响材料的导电性能。

本发明限定Cu+Ca+Te＞99.90％，Cu+Ca+Te+P+Mg+镧铈合金＞99.96％，之所以限定这两个范围，主要是Ca、Te、P、Mg和镧铈合金都为本发明的主要加入元素，其中Cu+Ca+Te＞99.90％，因为Ca和Te为本发明最重要的元素，切削性能和灭弧性能的提高基本靠这两个元素的控制；后面的Cu+Ca+Te+P+Mg+镧铈合金＞99.96％，包括了更多元素，P、Mg和镧铈合金用量的限定主要作为辅助元素，对提高材料性能也有非常重要的作用。

本发明的优点和有益效果：

1.本发明通过调整合金材料中的铜、钙、碲、镧铈合金、铜磷合金、铜镁合金最适当的添加量以得到累积效果，确保合金材料具有优良的切削性能和高的导电率；与现有的碲铜、紫铜、钙铜相比，无铅易切削高导电率钙碲青铜材料可以在退火状态下加工，焊接性能良好、灭弧性能良好，高的软化温度，同时具有高的性价比。所以本发明材料可以是电气接插件、新能源汽车充电桩零部件、汽车起动机马达零部件、钎焊头、焊炬头等优先选择的材料。

2.本发明无铅易切削高导电率的钙碲铜青铜材料中的钙几乎不固溶于铜，对铜的导电率及热导率影响很小，可提高铜的可切削性能和灭弧性能；碲在固态铜中的溶解度很小，但碲含量太高材料的焊接性能下降并且增加材料的成本；由于碲非常昂贵，而钙很便宜，用大部分的钙来替代碲，并且通过钙和碲的合理搭配，因此钙碲铜青铜比碲铜、紫铜和钙铜更加适宜广泛应用于电气接插件、新能源汽车充电桩零部件、汽车起动机马达零部件、钎焊头、焊炬头等优先选择的材料。

附图说明

图1 实施例4样品材料的吃刀深度0.5mm；

图2 实施例4样品材料的吃刀深度1.0mm；

图3 实施例6样品材料的吃刀深度0.5mm；

图4 实施例6样品材料的吃刀深度1.0mm；

图5 实施例7样品材料的吃刀深度0.5mm；

图6 实施例7样品材料的吃刀深度1.0mm；

图7 实施例8样品材料的吃刀深度0.5mm；

图8 实施例8样品材料的吃刀深度1.0mm；

图9 实施例9样品材料的吃刀深度0.5mm；

图10 实施例9样品材料的吃刀深度1.0mm；

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不仅仅局限于实施例：

本发明实施例合金材料样品制备方法为行业常规方法，大致流程为：配料→工频感应电炉熔炼(合金化处理，木炭覆盖保护，)→半连铸φ163mm的铸锭(熔炼温度1100℃～1150℃)→1250吨反向挤压机830～860℃挤压→φ30→φ25→φ22→φ20→φ18→φ16.5，成品采用两辊校直机校直抛光，其中配料过程中用的Te为纯碲材料，Ca为铜钙中间合金，Ca含量为18～22％，镧铈合金，镧含量为30～40％。另外配料过程中用的磷、镧铈合金、镁用的是Cu-Ca、Te、Cu-P、Cu-Mg中间合金形式加入，各组分最终含量均落入配分含量范围。

对比样品碲铜也采用同样的工艺条件加工而成。

本发明无铅易切削高导电率钙铜各实施例和对比例碲铜的具体成分含量列表(表1)。

本发明无铅易切削高导电率钙铜各实施例和对比例碲铜各项性能比较列表(表2)。

表2中的电导率检验依据为GB/T 3048.2-2007《电线电缆点性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》。

表2中的力学性能检验依据为GB/T 228.1-2010。

表2中的切削性能评价通常的方法是：固定切削工艺参数，测定切削力与易切削铅黄铜HPb63-3相对比，得到相对切削率。但实际生产中往往根据切削形状大小、排屑顺畅程度、刀具磨损程度来判定材料的可切削性的“好”或“差”。我们采用的是切屑形态试验方法进行。主轴转速为1000rpm/min，进给量为0.16mm/rer。吃刀深度分别为0.5mm和1.0mm。其中“优”表示切削性能好，“良”表示良好，“差”表示切削性能差。

表1 本发明实施例与对比例碲铜合金组分(wt％)

表2 实施例合金与对比例合金性能比较

从附图1～9实施例与比较例的切屑形态对比，从切屑形态比较，钙碲青铜的切削性能比紫铜好很多，比碲铜也要好，与钙铜相当。

上述各种试验结果表明，本发明无铅易切削高导电率钙铜与碲铜比较：切削性能优于碲铜，电导率相当，力学性能相当。钙铜可在退火状态进行冷加工而碲铜不行。钙铜的焊接性能也优于碲铜。所以本发明无铅易切削高导电率钙铜比碲铜(C14500，QTe0.5)综合性能更好、性价比高的材料，比碲铜(C14500、QTe0.5)更适用于导电率、切削性、抗蚀性要求高的零件，如电气接插件、汽车零件、钎焊头、焊炬头等等。