弹性铜合金研究现状及发展趋势

４６　湖南有色金属　ＨＵＮＡＮ　Ｎ０ＮＦＥＲＲ０ＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　第３Ｏ卷第３期　２０１４年６月　

・材料・　

弹性铜合金研究现状及发展趋势　

苑和锋　，徐玲　

（１．宁波兴业盛泰集团有限公司，浙江宁波３１５３００；２．宁波禾隆新材料有限公司，浙江宁波３１５３００）　

摘要：通信、电子等行业的迅速发展，在很大程度上促进了弹性导电合金的研发。传统的铍青铜、　锡磷青铜、锌白铜等弹性合金虽然已经取得了显著的发展，并且占据了相当大的市场份额，然而它　们分别受到环境保护、材料自身特性、加工工艺等各种因素的制约。因此，能与自然和谐相处且能　替代上述材料满足工业应用的新的高性能铜合金受到越来越多的关注和追捧，也是高性能铜合金　的发展趋势。　关键词：弹性铜合金；Ｃｕ—Ｎｉ—Ｍｎ合金；组织性能；发展趋势　中图分类号：ＴＧ１７８．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５５４０（２０１４）０３—００４６—０４　

弹性合金属于精密仪器仪表和精密机械中不可　缺少的材料。电子信息、汽车和通讯工业的迅猛发　

展，促使主要用于接插件、弹簧等方面的弹性导电合　金用量越来越大。在所有的弹性合金中，铜基弹性　

合金以其优良的导电、导热性能和良好的机械性能，　在电器接插件、弹簧、连接器、开关、接触片等各种导　电弹性元件中得到广泛的应用。　我国近两年新增加以及在建的铜板带加工生产　线产品方案大多集中在引线框架带材、接插元件带　

材、变压器带材、冲压和装饰用锡磷带材、锌白铜带　材等品种。这一现象也恰恰反映了弹性铜合金的广　

泛市场需求。　

１铜及铜合金概述　

铜具有优良的导热、导电性、耐蚀性、可焊性、可　镀性、抑菌陛以及装饰性等优点，属于面心立方晶体　

结构（ｆｃｃ）金属，有１２个滑移系，塑性变形能力强，　易于加工成形。　铜及其合金是各种冷热交换器材的关键材料，　被广泛应用于空调、太阳能集热器栅板、制冷、汽车　

水箱等各种热交换场合；铜材还被应用于化工行业、　建筑行业以及航海领域、生活领域、医药领域等诸多　

方面，用来制作印刷用滤网、反应容器、舰船螺旋桨　

和高档餐具等。　铜合金按照其主要添加元素，可划分为紫铜、黄　

作者简介：苑和锋（１９８２一），男，硕士，主要从事有色金属材料加工及　制备研究工作。　铜、青铜和白铜等四大类。　

２弹性铜合金研究现状　

西方国家具备先进的研究平台和研究方式，在　弹性铜合金产品的研发和加工及应用方面取得快速　发展，在上世纪七十年代达到较高的水平。而我国　上世纪８０年代才开展此类研究，在研究开发、生产　

应用方面处于非常落后的状态。常用的弹性铜合金　主要以传统的锡磷青铜、铍青铜和黄铜合金为主，产　

品基本集中在信息产业、通信产业、汽车产业、消费　类电子产品、工业电子设备等领域。　随着近年来仪器设备向着自身体积缩小的方向　发展，从而带动电子元器件的集成度越来越高，信号　

传输的速度也越来越高，对其性能的要求也越来越　高，如高强度、高导电、高弹性、高可靠性、耐高温、耐　超低温、耐腐蚀、抗强磁场、恒弹性、多功能化、小型　

化、抗疲劳等。　目前，常见的弹性导电铜合金分类及其种类如　表１所示。　

表１　常见的弹性导电铜合金分类及其种类　

强化方式　合金种类　

沉淀强化型弹性导电铜△金　Ｃ和钛ｕ－青铜Ｎｉ－Ｓ、　

形变强化型弹性导电铜合金　铝黄铜、锌白铜、锡磷青铜　有序化转变强化型弹性导电铜合金　Ｃｕ—Ｎｉ—Ｍｎ系合金　２．１　沉淀强化型弹性导电铜合金　沉淀强化型弹性导电铜合金，是指靠在铜中加　

入溶解度随温度降低而明显减小的合金元素，然后　第３期　苑和锋，等：弹性铜合金研究现状及发展趋势研究　４７　

高温处理，形成过饱和固溶体，再进行时效使过饱和　

固溶体分解，合金元素以沉淀相的形式分布在基体　

中，从而发挥强化作用的～类合金。此类合金主要　有Ｃｕ—Ｂｅ系和Ｃｕ—Ｔｉ系、Ｃｕ—Ｎｉ—Ａ１系、Ｃｕ—Ｎｉ　

—Ｓｎ系等合金。　

铍青铜是传统的弹性合金中最具有代表性的材　料之一。它具有较高的强度、弹性、硬度、耐磨性、抗　疲劳性，以及优良的导电性、耐腐蚀性、耐高低温等　特性。铍青铜经过热处理后具有较好的加工性能，　可以对其进行轧制、挤压等任何方式的加工和成形，　

弹性极限和松弛稳定性很高。　用于工业上的铍青铜分为两大类：（１）高强度铍　青铜，含铍量一般在１．８％～２．１％。以ＱＢｅ２为例，　

最高抗拉强度达１　４００　ＭＰａ，弹性模量达１４０　ＧＰａ，但　电导率在２０％～３２％ＩＡＣＳ；（２）高传导铍青铜，以　

ＱＢｅ０．６～２．５合金为例，其具有中等屈服强度，电导　率为纯铜的４５％～６５％，主要用于制作电接插件、熔　

断器、开关部件、电阻点焊电极头、缝焊电极盘等。　铍铜合金的主元素为Ｂｅ，Ｂｅ的价格很高，使得　

该合金生产成本高，并且其粉尘及其化合物存在很　大的毒性。人们正在寻找可以取代它的新型环保型　

弹性材料。　

钛青铜于上世纪五六十年代问世，它具有高的　强度、硬度、弹性极限和优良的耐磨性、耐热性、耐蚀　

性及耐疲劳性，同时又具有良好的加工性能，导电性　仅次于铍青铜，常用来制造高强度、高弹性、高耐磨　

性的零件。　ｃｕ—Ｎｉ—Ａｌ系合金中铝在基体中的固溶度较　

低，而且伴随着温度的下降而减小，会产生Ｎ　Ａｌ化　

合物，有明显的沉淀硬化作用。ｃｕ—Ｎｉ—Ａｌ合金以　其较低的成本和良好的性能，在弹性合金中将会有　

很大的发展前景。　铜镍锡合金具有优良的耐蚀性和中等以上的强　

度，弹性好，易于热、冷压力加工，易于焊接。Ｓｎ在　Ｃｕ—Ｎｉ合金中固溶体中的溶解度不大，且随着温度　的下降而减小，在实际锡含量超过固溶度的铜镍锡　

合金中，会出现一种新的０相，这是一种可溶解铜原　子的Ｎｉ　ｓｎ化合物，即（ｃｕ，Ｎｉ）　Ｓｎ。铜镍锡合金可　因此相的沉淀而产生明显的强化效应，经冷形变时　

效后可获得高的强度和弹性。　

由于Ｓｎ在铜中的固溶度有限，容易出现偏析，　普通的ｃｕ—Ｎｉ—Ｓｎ合金制备方法无法制得质量合　

格的产品。近年来人们做了大量的研究，快速凝固　法、真空熔炼法以及粉末冶金法得以在该合金制备　

过程中应用，使得诸如Ｃｕ一１０Ｎｉ一１２Ｓｎ等含ｓｎ量　

较高的合金得到很好的发展，其局限性在于制造成　本较高、制得的合金尺寸有限。　２．２形变强化型弹性导电铜合金　

Ｃｕ—Ｚｎ—Ａ１、Ｃｕ—Ｎｉ—Ｚｎ、Ｃｕ—Ｓｎ—Ｐ等合金中　大多数都是单相仅固溶体，不发生相变，它们主要靠　

冷变形及随后的低温退火（再结晶前退火）得到强　

化，这些合金属于形变强化型弹性合金。　ｃｕ—ｚｎ—Ａｌ合金和其它黄铜相比较，有更高的　强度和耐蚀性能。在黄铜中加入Ａｌ元素，能使０／．相　

区向铜角明显移动。当Ａｌ含量高时，会出现硬而脆　

的＾ｙ相，对合金的强度和硬度的提高起到明显作用，　但同时也降低了合金的塑性。工业上，变形铝黄铜　

的Ａｌ含量一般不超过４％。ＨＡ１　５９—３～２是常见的　铝黄铜之一，可应用于电机制造中的弹性元件。　当前应用最普遍的已经产业化的弹性铜合金为　ｃｕ—Ｎｉ—ｚｎ合金。ｚｎ能大量溶于ｃｕ—Ｎｉ合金的无　限固溶体中，形成一个广泛的单相　固溶体区，有较　

明显的固溶强化作用，并且能增加合金的抗大气腐　蚀的能力。ｃｕ—Ｎｉ—ｚｎ主要靠较大的变形量来提　

高自身的强度、硬度，再结合相应的热处理工艺来改　

善其综合性能。工业应用中的ｃｕ—Ｎｉ—ｚｎ合金含　５％～１８％Ｎｉ和４３％～７２％Ｃｕ，其余为ｚｎ。这类合　金的耐蚀性、弹性于强度均很高，并且有优良的研磨　

性、钎焊性和抗应力松弛能力，易于电镀和热冷加　工。以ＢＺｎｌ５—２０为例，其主要性能见表２。目前国　

内几家Ｃｕ—Ｎｉ—ｚｎ的主要生产企业（如宁波兴业盛　泰集团有限公司、宁波禾隆新材料有限公司等）的实　

际生产状况表明，该类合金的主要问题是如何在使　用边角料作为原料的同时，解决其轧制和退火后出　

现的表面质量问题。　表２　ＢＺｎＩ５—２０主要性能参数　

性　能　参数　抗拉强度ｏ　Ｌ馒状态，加上率６Ｕ％）　（软状态）／ＭＰａ　

屈服强度　ｏ　２（软状态）／ＭＰａ　

布氏硬度ＨＢ　姜　；　

伸长率ａ　；　

弹件极限Ⅱ　ｆ掮特杰、／ＭＰａ　８００（加工率８０％）　３８０～４５０　

１４０　

ｌ６Ｏ～１７５　７０　

２～４　３５～４５　

１００　

ｃｕ—Ｓｎ—Ｐ合金中Ｐ的加入使合金具有高的强　４８　湖南有色金属　第３Ｏ卷　

度、硬度、弹性极限、弹性模量和疲劳极限，提高了耐　

腐蚀性能，改善了铸造时的流动性。但是，也会加大　铸锭的偏析，Ｓｎ的含量越高，对偏析的影响程度越　

大。Ｐ的加入量一般不超过０．４５％，否则合金会因　为发生共晶一包晶反应而引起热脆。ｃｕ—Ｓｎ—Ｐ合　

金和其它形变强化型铜基合金一样，也是主要靠大　的形变，加上随后的低温退火来改善合金的性能。　预先变形程度越大，退火后弹性极限增加越多。例　

如，将变形程度为５０％和８０％的ＱＳｎ６．５—０．１合金　

１Ｏ　３Ｏ　２ｏ　进行２５０℃退火，前者的弹性极限在４１４～４６２　ＭＰａ，　

明显低于后者的４９４～５６０　ＭＰａ。　２．３有序化转变强化型弹性导电铜合金　有序化转变强化型弹性导电铜合金主要以Ｃｕ—　Ｎｉ—Ｍｎ系合金为主。Ｃｕ—Ｎｉ—Ｍｎ合金是以ｃｕ—Ｎｉ　合金为基础加入Ｍｎ元素形成的合金，又称为锰白铜。　Ｍｎ在高温下，可以和Ｃｕ完全固溶。Ｍｎ的加入，除了　

能起到固溶作用外，还能在合金内形成ＭｎＮｉ化合物，　起到沉淀强化的作用。相关相图见图１。　

Ｄ　３０　４０　５０　６０　７０　８０　９０　Ｍｎ　Ｃｕ　１０　２０　３０　４０　５０　６０　７０　８０　９０　Ｍｎ　Ｍｎ／％　Ｍｎ／％　（ａ）液相面等温线投影图　（ｂ）固相面等温线投影图　

图１　Ｃｕ—Ｎｉ—Ｍｎ合金三元相图　

此外，Ｍｎ还能显著提高ｃｕ—Ｎｉ合金抗湍流冲　击腐蚀的能力，消除ｃｕ—Ｎｉ合金中过剩Ｃ的不良影　响，改善合金的工艺性能。这类合金具有优良的耐　

蚀性、强度、弹性、热冷加工性、焊接性等性能，因而　在电子工业上被广泛应用。　

３　铜镍锰合金研究现状及其应用　

３．１传统锰白铜研究现状及其应用　

传统的锰白铜中Ｍｎ的含量一般不超过１４％。　

目前，国内主要有ＢＭｎ３—１２、ＢＭｎ４０—１．５和ＢＭｎ４３　

—１．５三种牌号，沿用了前苏联的三种锰白铜的牌　号，具体成分见表３。这三种合金主要以线材的形式　

（少量以带材、板材形式）作为精密电阻合金来应用。　表３传统锰白铜的化学成分（质量分数）％　

ｃｕ—Ｎｉ—Ｍｎ合金作为精密电阻用合金，主要用　

于：（１）电器回路中的电阻部件，如精密、大功率线绕　

阻及电位器等；（２）测量仪器、仪表中的电阻元件，如　标准电阻、电桥、电位差计等元件；（３）电阻应变计元　件等。　

ＢＭｎ３—１２合金特点：在０—１００℃范围内电阻　

与温度呈抛物线的关系，电阻温度系数ｑｔ￣４，，电阻值　很稳定，具有中等的电阻系数和低的对Ｃｕ热电势，　

广泛用于制作电阻元件。缺点是电阻温度系数不　

高，使用温度范围很窄（０～４５　ｏＣ），恒温条件下使用　

才具有较高的精度，易发生选择性氧化和腐蚀等。　

ＢＭｎ４０—１．５合金又称康铜，它作为精密电阻合　金使用要比ＢＭｎ３—１２合金早，与ＢＭｎ３—１２合金相　

比，它具有以下优点：（１）更好的电阻一温度曲线的　直线关系；（２）可以在较宽的温度范围内使用；（３）