浅谈电子领域中弹性导电合金的发展

浅谈电子领域中弹性导电合金的发展

弹性材料是指精装仪器表和精密机械中不可或缺的材料。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滑移系的选择铜具有优良的导热、导电性、耐蚀性、可焊性、可镀性、抑菌性以及装饰性等优点,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、黄铜、青铜和白铜等四大类。2弹性铜合金在智能手机中的应用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。2.1健全的社会主义市场经济体制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一类合金。此类合金主要有Cu-Be系和Cu-Ti系、Cu-Ni-Al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1400MPa,弹性模量达140GPa,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Ni3Al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θ相,这是一种可溶解铜原子的Ni3Sn化合物,即(Cu,Ni)3Sn。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-10Ni-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。2.2cu-ni-zn铝青铜Cu-Zn-Al、Cu-Ni-Zn、Cu-Sn-P等合金中大多数都是单相α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α相区向铜角明显移动。当Al含量高时,会出现硬而脆的γ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%。HAl59-3-2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α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BZn15-20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。Cu-Sn-P合金中P的加入使合金具有高的强度、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-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合金进行250℃退火,前者的弹性极限在414~462MPa,明显低于后者的494~560MPa。2.3金的加入方法有序化转变强化型弹性导电铜合金主要以CuNi-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。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、铜、铜材料的研究现状和应用3.1bnn3-5精密电阻材料特点传统的锰白铜中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。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,电阻温度系数很小,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℃),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-温度曲线的直线关系;(2)可以在较宽的温度范围内使用;(3)较好的耐热性;(4)较好的耐蚀性。该合金除了能作电阻合金使用,还能作热电偶和热电偶补偿`导线。BMn43-1.5合金又称考铜,该种合金有着类似BMn40-1.5合金的力学性能,同样可以作为热电偶材料,测温范围也较宽,在现有热电偶材料中其灵敏度是最高的(除半导体热电偶材料)。其缺点是在腐蚀性气氛中,尤其是含S气氛中,寿命较短。另外,传统的Cu-Ni-Mn合金中还有一种无Ni锰白铜。它是将BMn3-12合金中的Ni用Al来替代而制成的精密电阻合金。Al能够在对机械性能影响不大的情况下,降低其电阻温度系数,增加电阻系数和耐蚀性。因为它的价格相对低廉,同时也能满足电气性能上的要求,因此在某些场合可以替代含Ni锰白铜用作精密电阻元件来使用。3.2其他有序化合金随着电气、电子信息等行业的快速发展,人们对材料提出了更高的要求,相继投入大量的人力、物力、财力研究开发新型弹性合金材料,Cu-Ni-Mn合金也因此进入人们视野为人们所关注。国内部分专家通过对Cu-20Ni-20Mn合金的研究,发现Ni和Mn的加入使得合金固溶强化程度大大提高,时效工艺使合金内形成了细小的MnNi相,并均匀地分布在基体中,在固溶体内形成了溶质原子浓度具有周期性起伏的、有序的调幅结构,大大提高了合金的强度、硬度和弹性。国内研究组织及部分专家针对产生有序化能强化合金的原因没有一致观点,目前被人们认可接受的理论主要有两个:(1)位错运动在有序畴内造成反相畴界,有序畴尺寸增大,所产生的反相畴面积增大,因而强度性能升高;(2)有序化不仅使近邻原子种类发生变化,而且使一些合金原子间距也发生明显变化,在晶格中造成一种应变而产生强化效应。SeungzeonHan等人对Cu-6Ni-2Mn-Sn-Al合金进行了研究,结果显示合金经过比较大的冷变形后,进行400℃×3h时效强化,合金垂直轧制方向的强度要大于轧制方向的强度,但是延伸率几乎为0,呈现出很强的各向异性。彭承坚采用电磁悬浮熔炼-铜模吸铸工艺制备了Cu10Ni15MnAlTi合金,与潘奇汉等人的研究相比,该研究合金在主要元素Ni的含量降低后、工艺流程中省去了热加工的情况下,制备的产品性能接近。国外还有一些针对在铜中加入微量Ni、微量Mn和高Ni、超高Mn的研究,也摸索出了适合相应合金的工艺方案,取得了一定成果。4cu-ni-mn合金的研究目前我国弹性铜合金的研究主要集中在Cu-Ni-Sn系列合金领域,取得了大量的研究成果。但是,工业应用中主要以铍青铜和锌白铜等材料为主。因此Cu-Ni-Mn系合金作为一种新型弹性铜合金具有很宽广的研究范围以及很大的发展潜力和前景。近年来,国内外机构相继在Cu-Ni-Mn系合金的研究上投入了一定的研究资源,相关的研究成果确依然稀少,总的来说国内外研究进展普遍比较缓慢,相关理论并没有完全建立。未来一定时期内,Cu-Ni-M