[发明专利]铜锡合金、复合材料及其用途

说明书

本发明涉及一种铜锡合金，含有这种铜锡合金的复合材料以及该铜锡合金和复合材料的用途。该铜锡合金以及含有其的复合材料特别适用于电工学和电子器件中的连接元件。特别地，本发明涉及可回收性问题。

在电工学和电子器件中，目前通常在广泛的范围内将基于Cu-Zn、Cu-Sn和Cu-Fe的铜合金用于连接元件。这些合金特别用于引线框(Stanzgitter)和插入式连接器(Steckverbinder)。对此，材料选择的重要标准是弹性模量、屈服强度、松弛行为和可弯曲性。除了足够的机械强度外，导电性和耐腐蚀性代表在整个体系的使用寿命期间组件的可靠运行的重要标准。在这种情况下，通常存在性能需求的冲突，这些需求在原则上彼此相互排斥，例如良好的导电性与高的耐腐蚀性的组合。铜中的合金化元素例如镍和铬，如果一方面改善耐腐蚀性，则另一方面显著降低导电性。

与其它金属材料的可焊性问题，特别是激光焊接也变得日益重要。鉴于近年来金属价格过度升高，用过的合金的可回收性问题正好也变得越来越特别重要。

Cu-Zn或黄铜合金是固溶强化的材料。其是通常含有5-40重量％锌的二元合金。随着锌含量升高，拉伸强度和硬度增加。在30重量％的锌时，延伸率达到最大值。更高的强度值和硬度值仅能通过冷成型才能获得。

对于例如由CuZn 30合金或CuZn 37合金制成的回弹带型插入式连接器，通常要求Hv＝150的维氏硬度。此外，对于90°弯曲角，标准化到板厚s的最小弯曲半径r/s＝1必须是可观察的。然而，铜锌合金的缺点在于相对不好的可焊性，因为合金化元素锌具有相对高的蒸气压力。在1.013巴下，纯锌在907℃下已沸腾。另外，铜锌合金具有约110KN/mm²的低弹性模量(SI单位：GPa)。此外，出于防腐蚀原因而镀锡的黄铜带由于加入锡而不易回收。铜锌合金的松弛行为也凸显出来，由此限制了可使用它们的温度。

Cu-Sn合金，也称为锡青铜，属于最古老的工艺上可用的铜合金。通常将一些磷添加到Cu-Sn合金中，因此该合金也被称作磷青铜。这些合金的性质主要由通常为4-8重量％的锡含量确定。磷青铜的弹性模量视锡含量而定，为115-120KN/mm²(SI单位：GPa)。锡青铜的弯曲性是突出的。在给定的回火状态下，升高的锡含量改善弯曲性行为。由磷青铜制成的回弹带可以毫无问题地强化到维氏硬度为Hv＝200的硬度水平，并且在90°弯曲角下仍具有r/s＝1的弯曲性。锡黄铜或磷黄铜是激光可焊的，因为这些合金不包含任何易挥发的元素(特别是锌)或任何干扰的第二相。锡青铜或磷青铜的松弛行为优于黄铜合金，尽管其达不到可硬化的铜材料的水平。

当要求良好至极好的回弹性、良好的电和热负荷能力、低的应力松弛、良好的可弯曲性、良好的可焊性和软焊性时，Cu-Sn合金以带材的形式用于冲压件和插入式连接器。磷青铜以镀锡的形式也能良好回收。锡已如此地存在于该合金中。

Cu-Fe合金属于低合金铜材料。通过少量添加铁和磷可改善纯铜的材料性质，例如强度、软化行为或松弛行为。特别地，回火阶段FH中，CuFe2P合金在汽车技术中对于引线框是常用的。在该回火阶段中，该材料具有Rm＝420-500N/mm²(SI单位：MPa)的拉伸强度。维氏硬度为Hv＝130-150。还提供尖锐的弯曲性。弹性模量约为125KN/mm²(GPa)以及材料因此具有良好的回弹性属于CuFe2P合金的优点。导电性为60％-70％IACS(国际退火铜标准：100％IACS相应于约58MS/m)。出于防腐蚀原因，材料的镀锡是很可能的。

CuFe2P合金不能形成均匀的材料，而是具有Fe2P析出物被视为其缺点。因此这使激光焊接变得特别困难。如果在点焊时激光束射在较粗糙的Fe2P析出物上，则其会偏移，由此使贯穿焊接变得不令人满意。另一缺点在于CuFe2P合金的镀锡的废料的难回收性。CuFe2P合金的导电性在熔化时通过约1重量％的进入溶体中的锡降低25％。在制造引线框时，通常占所使用材料的50％-70％的镀锡的冲压件废料(Stanzschrotte)不能直接回收到熔化过程，而是必须经过复杂的熔炼和电化学分离。因此作为阴极回收到材料循环中。此过程是能量非常密集的，并因此相对于直接熔化废料是非常昂贵的。