CN103429770A - 高强度、高导电性铜合金以及由其制得的电导体 - Google Patents

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Abstract

一种铜基合金实现具有突破性的电导体产品，其强度、弯曲和导电性的反比关系最小化，其具有至少85%IACS导电性且提供80至85ksi的抗拉强度，与现有技术相比强度至少增加了33%，其通过基本上由如下物质组成的合金制成：0.2-0.5w/o的铬、0.02-0.20w/o的银和0.04-0.16w/o选自由锡、镁和锡/镁组合组成的群组的第三金属成分。

Description

高强度、高导电性铜合金以及由其制得的电导体
本发明的领域和背景：
本发明涉及铜合金及铜合金导体。铜一直是用于导电的主要材料。已开发了各种铜合金来克服元素铜的例如低强度和低弯曲寿命的缺陷。符合保持高导电性的高强度和高弯曲寿命是许多应用的重要要求。镉铜（合金C16200）和镉-铬-铜（合金C18135）是用作要求高强度的导体的两种传统铜合金。这些合金在最小限度地减少其导电性的同时提高了铜的强度，这是导体合金的重要平衡。然而，由于镉的危害性以及施加于包含该元素的材料的局限性，已发展替代合金以取代含镉的合金。现有技术中还包括Percon24品牌铜合金线，其由本发明的所有者制造，并在基于1997年9月12日递交的共同专利申请的它的美国专利6,053,994和6,063,217中被描述。那些线已经不含镉，与合金C18135类似，符合ASTM B624标准，且具有0.15-1.30重量百分比（w/o）的铬、0.01-0.15w/o的锆、余量为铜的组分，并且如在'217专利中所描述和要求保护的那样经特殊处理。
现有技术还包括铜与钴、磷、镍、硅、铬的合金的示例，其包括常常结合高度特殊化的处理要求的组合物，显示了自Percon24专利的近10年以来推进本领域的努力，例如如在下述任选地用“以牺牲成品率（at theexpense of yield）”的特殊处理以提高成形性的PCT公开的申请所显示的：WO2009/123159（'159）（具有镍、硅、锡、镁和锌的铜合金导体）；WO2009/123137（'137）（Cu-Ni-Si-Co-Cr）；WO2009/11922（用氧气控制的Cu-Co-P-Sn）和WO2009/049201（Cu-Sn-Ni-P）。
合金C17510（铍铜合金）是比合金C18135强度更高的合金，但其导电性进一步地降低了。这种合金用于减小导体的尺寸或者提高弯曲寿命。下表1中概括了元素铜以及C18135和C17510合金的导电性和抗拉强度。在ASTM B624标准说明书中概述了合金C18135的要求性能。在专利号为4,727,002的US专利中列出了C17510的导体性能。
表1.现有技术导体合金的状态性能
合金 导电性，％IACS 抗拉强度，ksi
铜 100 35
C18135 85 60
C17510 63 95
图1(现有技术)显示，提高强度与导电性的降低相关联，即这两种特性负相关。随着强度提高而降低的导电性限制了导体的使用，因为增加了电阻。并且，当要求更高强度和弯曲寿命时，导体就会更大且更重。
发明内容
本发明目的通过以线和其他形式(例如带(ribbon)、网(mesh)、股(strand)、织带(braid)、缆(cable))的铜导体的生产来实现，其中的铜基合金具有1％中的2／10至6／10(0.2-0.6％)重量(w／o)的铬(Cr)，优选为0.3-0.5w／o；0.02-0.2w／o的银(Ag)，优选为0.05-0.15w／o；和0.05-0.15w／o的选自锡(Sn)、镁(Mg)和Sn／Mg组合的群组中单个或多种金属的第三成分，在上述范围内可任意选择。通过本质上传统的处理方法，例如：通过铸造形成铸块、挤压、拉伸、任选地酸洗、进一步典型地拉伸至直径大约为0.04-0.08线形、热处理(时效处理(aging))、任选地涂覆(coating)、以及拉伸至典型地如30-48AWG线的最终的形状和尺寸、以及最终通常在650-950°F的范围内的热处理(退火)1至5小时，本合金可容易地生产为线的形式并且容易地热加工和冷加工。
为了达到目标强度／导电性，本发明的产品可以是通过热和／或冷加工形成为包括线、线材、股、电缆、织带、绳、网、片、带、母线条(buss bar)、环、杆等的各种最终的或中间的形状的各种长度和面积的形状。
根据以下结合附图的具体实施方式，本发明其他的目的、特征和优点将是显而易见的，其中：
附图说明
图1为显示了传统（现有技术）导体合金的性能的曲线图；
图2为显示了这里描述的合金1至6的导电性对抗拉强度（electricalconductivity vs.tensile strength）的比较特性（c）的曲线图；
图3为显示了这里描述的合金3、4和7的比较特性的曲线图；
图4为显示了这里描述的合金8至11的比较特性的曲线图；
图5为显示了具有各种银含量的Cu-0.4Cr-Ag-0.1Mg的绞合的（stranded）19/38AWG导体的特性的曲线图；
图6为显示了这里描述的工业化铸造的合金12-14的导电性对抗拉强度的特性的曲线图；
图7a-7c为典型的绞合导体结构的横截面示意图。
具体实施方式
以下非限制性实施例描述了用于各种应用的本发明的优选实施例的实施。
实施例1
在实验室规模的设备上铸造包含铬、银、镁和锡的一系列铜合金并处理成棒。主要合金金属的化学成分在下表2中列出。
表2.实验室铸造合金
Figure BDA00003612994800031
该材料被挤压、拉伸成为0.0641"直径，并在850°F和950°F之间退火。然后，将该0.641"线拉伸成0.0144"，并在各种温度下时效处理3小时。以下显示了每种金属的结果。
表3.在各种温度下时效处理3小时的合金1
Figure BDA00003612994800041
表4.在各种温度下时效处理3小时的合金2
Figure BDA00003612994800042
表5.在各种温度下时效处理3小时的合金3
Figure BDA00003612994800043
表6.在各种温度下时效处理3小时的合金4
Figure BDA00003612994800051
表7.在各种温度下时效处理3小时的合金5
Figure BDA00003612994800052
表8.在各种温度下时效处理3小时的合金6
Figure BDA00003612994800053
图2比较了每个合金的相关性能。可见Cu-0.4Cr-0.1Ag-0.1Mg（合金3）和Cu-0.4Cr-0.1Ag-0.1Sn（合金1）展现出导电性和强度的最佳组合。将Sn和Mg增加超过最初的0.1w／o达到0.2w／o(合金4)没有提高其性能。包含铁的合金(合金6)具有性能的最差组合。应将图2的各种曲线与图1中的比较，结果突显合金1和3确实优于图1中的合金，但合金6没有。
实施例2
实验室铸造包含铬和镁而不含银的铜合金(合金7)。该合金的组份显示在表9中。与实施例1的合金类似地处理该合金。按照不同最终热处理的合金7的性能显示在表10中。
表9.实验室铸造合金7的组分
合金 Cu,% Cr,% Mg,％
7 Bal 0.4 0.15
表10.在各种温度下时效处理3小时的合金7
Figure BDA00003612994800061
在图3中将合金7的性能与合金3(Cu-0.4Cr-0.1Ag-0.1Mg)和合金4(Cu-0.4Cr-0.1Ag-0.2Mg)相比较。
该图再次显示了0.1w／o银和镁的银和镁的组合提供了性能的最佳组合。
实施例3
与实施例1的合金类似地实验室铸造并处理具有各种银含量的一系列铜铬镁合金。该合金的主要金属化学组分在表11中列出。
表11.具有各种银含量的实验室铸造合金
合金 Cu，％ Cr，％ Ag，％ Mg，％
8 Bal 0.4 0.1 0.1
9 Bal 0.4 0.2 0.1
10 Bal 0.4 0.3 0.1
11 Bal 0.4 0.4 0.1
合金8具有与合金3相同的标称组分，合金9、10和11增加了银的含量。这些合金被拉伸成直径为0.0140"，并在各种温度下被热处理三小时。结果在表12至15中列出。
表12.在各种温度下时效处理3小时的合金8
Figure BDA00003612994800071
表13.在各种温度下时效处理3小时的合金9
Figure BDA00003612994800081
表14.在各种温度下时效处理3小时的合金10
Figure BDA00003612994800082
表15.在各种温度下时效处理3小时的合金11
Figure BDA00003612994800091
结果显示，随着银的增加，强度增加了。然而，该强度的增加伴随着导电性的降低。在图4中比较了这4种合金的性能。
具有0.1%的银的合金8显示出强度和导电性的最高组合。将银含量从0.1%增加至0.2%对性能的组合没有太大的影响。而将银增加超过0.2%是不利的，并且会在给定的强度下降低导电性。
这些合金意欲用作单线形状、绞合的或成束的电导体。两种比较常用的结构是镀有银或镍的19/36和19/38（以同轴布置来结合的19单端36AWG或38AWG线）。为了确定这些导体形式的合金的性能，将它们镀银并拉伸成0.0040"（38AWG）直径。用单端线制造19/38AWG结构的导体。随后在各种温度下热处理并测试这些绞合的导体。在表16至19中列出了这些导体的性能。
表16.时效处理3小时的合金8的19/38绞合结构
Figure BDA00003612994800101
表17.时效处理3小时的合金9线的19/38绞合结构
Figure BDA00003612994800102
表18.时效处理3小时的合金10线的19/38绞合结构
表19.时效处理3小时的合金11线的19/38绞合结构
Figure BDA00003612994800112
在图5中描绘了抗拉强度比导电性的图示，以比较这些合金的相关性能。得到与如图4所示的单端合金的性能的相似趋势。合金8显示出性能的最佳组合。用合金8制成的绞合导体显示出大约为或超过85%IACS（如在600-750°F温度范围内时效处理）和85ksi抗拉强度（如在600-750°F温度范围内时效处理）的性能组合。
实施例4
基于前述实施例的发现，在工业规模设备上生产三种Cu-Cr-Ag-Mg/Sn合金。这三种合金的组分显示在表20中。
表20.工业铸造的合金
Figure BDA00003612994800121
将这些合金挤压并淬火。然后该材料被拉伸成为0.0641"直径，并在850°F和950°F之间进行热处理。然后，将该线拉伸成为0.0144英寸直径，并在各种温度下热处理3小时。这三种合金的性能在表21至23中列出。
表21.在各种温度下热处理3小时的合金12
Figure BDA00003612994800122
表22.在各种温度下热处理3小时的合金13
Figure BDA00003612994800131
表23.在各种温度下热处理3小时的合金14
Figure BDA00003612994800132
在图6中比较这三种商业铸造的合金的导电性和抗拉强度。发现在上述数据方面这三种合金之间没有显著差异，但在其软化响应上这三种合金之间是不同的。为了达到同样性能的集合，含Mg合金必须在高温下退火。这表明较大的抗软化性。抗软化性是在某些例如用高温绝缘来绝缘的应用中的要求之一。
可将合金线以传统形式绞合，如图7a-7c所示。总体可参见用于电缆结构的美国专利7,544,886。
为了确定这些绞合导体形式的合金的性能，将AWG38合金12线（Cu-0.4Cr-0.1Ag-0.1Mg）镀银并制成19/38绞合结构（参见图7b）。将该导体的样品在各种温度下进行热处理，以确定最佳的热处理温度。其结果显示如下。
表24.在各种温度下热处理3小时的合金12的19/38绞合导体结构
Figure BDA00003612994800141
结果表明该合金的性能超出了本发明中对这一材料的既定要求，即最低80ksi的抗拉强度、85%IACS的导电性和6%的伸长率。
然后在适当的温度下热处理较大线轴的该绞合导体，以获得附加测试的所需性能。在表25中列出了该导体的性能。其性能组合超出了本发明的目标。
表25.765°F下热处理3小时的合金12的19/38导体结构
Figure BDA00003612994800142
对于导体来说，高弯曲寿命是高度需要的属性。在ASTM B470中描述了导体的弯曲寿命的测试。在该测试中，将导体在预定的载荷下，以给定的速率绕在给定直径的轴上来回弯折。然后，记录疲劳破坏周期数。将表25中的合金12（Cu-0.4Cr-0.1Ag-0.1Mg）导体的弯曲寿命与符合ASTMB624（在表1中列出）的要求的标准高强度导体比较。符合ASTM B624要求的两种不同的合金呈现在表26中。该表列出了经测试的导体的断裂载荷和平均弯曲寿命两者。相对于ASTM B624合金，其弯曲寿命实质上增加了。
表26.与ASTM B624合金相比较的合金12的19/38导体的弯曲寿命
Figure BDA00003612994800151
现在，对本领域技术人员而言，能够做出符合前述公开的文字和精神并在本发明的范围内的其他实施例、改进、细节和应用将是显而易见的，本发明的范围仅由以下权利要求书来限制，该权利要求书根据包含等同原则的专利法来解释。

Claims (17)

1.一种热或冷加工并最终热处理的形式的铜基合金导体产品，其特征在于，该铜基合金导体产品由合金组分制成，其实质组成为：
（a）0.2-0.6w/o的铬，
（b）0.02-0.20w/o的银，
（c）0.04-0.16w/o选自由锡、镁和锡/镁组合组成的群组的第三金属成分，以及
（d）余量为铜，
该产品具有至少80ksi的抗拉强度、至少6%的伸长率和至少80%IACS导电性。
2.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，成分（a）的组分范围为0.3-0.5w/o。
3.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，成分（b）的组分范围为0.05-0.15w/o。
4.根据权利要求1所述的产品，其特征在于，成分（a）和（b）的组分范围为0.3-0.5w/o的（a）和0.05-0.15w/o的（b）。
5.根据权利要求1或4所述的产品，其特征在于，成分（c）实质上由镁组成。
6.根据权利要求1或4所述的产品，其特征在于，成分（c）实质上由锡组成。
7.根据权利要求1或4所述的产品，其特征在于，成分（c）实质上由锡/镁组合组成。
8.根据权利要求1或4所述的产品，其特征在于，该产品是单线的形式。
9.根据权利要求8所述的线产品，其特征在于，该产品是绞合、成束、绳或其他导体形式。
10.一种由合金制备的线材产品，其特征在于，该合金实质组成为：
（a）0.2-0.6w/o的铬，
（b）0.02-0.20w/o的银，
（c）0.08-0.15w/o选自由锡、镁和锡/镁组合组成的群组的第三金属成分，以及
（d）余量为铜。
11.一种铜基合金，其特征在于，其基本组成为：
（a）0.2-0.6w/o的铬，
（b）0.02-0.20w/o的银，
（c）0.04-0.16w/o选自由锡、镁和锡/镁组合组成的群组的第三金属成分，以及
12.根据权利要求11所述的合金，其特征在于，成分（a）的组分范围为0.3-0.5w/o。
13.根据权利要求11所述的合金，其特征在于，成分（b）的组分范围为0.05-0.15w/o。
14.根据权利要求11所述的合金，其特征在于，成分（a）和（b）的组分范围为0.5w/o的（a）和0.05-.015w/o的（b）。
15.根据权利要求11所述的合金，其特征在于，成分（c）实质上由镁组成。
16.根据权利要求11所述的合金，其特征在于，成分（c）实质上由锡组成。
17.根据权利要求11所述的合金，其特征在于，成分（c）实质上由锡/镁组合组成。
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