CN103898353A - 一种高强度高导电性能铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强度高导电性能铜合金及其制备方法，属于铜合金材料技术领域，其特征在于含有1.5～5.0wt.％的Ni，0.5～3.0wt.％Ti，Ni和Ti的含量之比为0.5～5.0，剩余部分由Cu及不可避免杂质构成。该方法的具体步骤为：将纯铜、纯钛、纯镍、纯镁、纯锌、纯锡按照配比在感应炉中熔炼并在金属模具中浇铸获得坯料。对退火后的坯料进行热轧和冷轧变形处理，最后进行时效处理。Ti元素在该种铜合金中起到了明显的晶粒细化作用；同时Ti与Cu和Ni形成化合物，在短时间内时效获得高体积分数的弥散细小第二相，从而达到沉淀强化和净化基体强化的效果。

Description

一种高强度高导电性能铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高导电性能铜合金及其制备方法，属于铜合金材料技术领域。

背景技术

由于铜合金具有优良的导电性，低廉的价格和良好的加工成型性等优点，被广泛用作集成电路引线框架材料。到20世纪90年代，铜基引线框架材料的消耗量已占引线框架材料总消耗量的80％以上。发展高性能铜合金已被列为有色金属工业“十二五”发展展望之一。

目前为止，在铜合金发展历史上，引线框架铜合金的研究与开发是最深入、最成功、最有代表性的。同时，它也是世界各国铜合金研究的热点。引线框架用高精铜带已成为所有带材的代表，引领着带材发展的方向。随着集成电路向高密度，小型化，多功能化发展，引线间距减小、厚度减薄，对引线框架材料的强度要求越来越高。理想的引线框架材料必须满足以下特性：优良的导电导热性能；足够的强度，刚度和成型性；良好的工艺性能，钎焊性，耐蚀性，耐热性和耐氧化性；平整度好，残余应力小；易冲裁加工，且不起毛刺；成本尽可能低，以满足大规模商业化应用的需求。

Cu-Ni-Si合金系作为时效强化型铜合金具有良好的导电性和强度，被广泛研究开发成引线框架材料。然而由于Si原子对铜基体的电子散射能力较强，虽然理想的Ni/Si含量比已被研究确定，但是具有理想的强度、电导率和导热性等综合性能的合金系仍在开发中。

发明内容

本发明一种高强度高导电性能铜合金及其制备方法，其目的在于通过在Cu-Ni合金中添加Ti元素，调整Ni/Ti原子比，获得弥散析出第二相，并结合随后的形变和热处理工艺，通过细晶强化、固溶强化和沉淀强化的综合效果。同时提高强度和电导率的合金材料及其制备方法。此外，还添加第四元合金元素进行合金化，进一步提高合金的性能。

本发明一种高强度高导电性能铜合金，其特征在于是一种通过添加合金元素钛Ti对Cu-Ni合金进行合金化，提高合金的时效动力，在短时间内时效获得高体积分数的弥散细小第二相达到沉淀强化和净化基体的目的，并结合细晶强化并结合细晶强化获得高强度高导电性能并具有良好散热性能的合金材料。

一种高强度高导电性能铜合金，其特征在于：含有1.5～5.0wt.％的Ni，0.5～3.0wt.％Ti，Ni和Ti的含量之比为0.5～5.0，剩余部分由Cu及不可避免杂质构成，上述组分之和为100％。

上述的高强度高导电性能铜合金的制备方法，其特征在于是一种采用添加合金元素0.05～1.0wt.％的Zn、0.05～1.5wt.％的Sn、0.05～2.0wt.％Mg等元素中的一种或两种进行晶粒细化，增强第二相的析出动力学以达到沉淀强化和净化基体同时提高强度和电导率的制备方法。

其具体工艺步骤为：

I、坯料制备：将纯度大于99.9％的纯铜、纯钛、纯镍、纯镁、纯锌、纯锡按下列质量百分比的成分Ni1.5～5.0wt.％，Ti0.5～3.0wt.％或还含有Sn0.05～1.5wt.％，Zn0.05～1.0wt.％，Mg0.05～2.0wt.％中的一种或两种，在真空感应炉中熔炼，待所有原料熔炼完毕后，在1200～1300℃保温15～20分钟，以保证所有合金元素溶解并充分扩散，并在金属模具中浇铸获得长为150～190mm，宽为50～60mm，高为30mm的长方形坯料。

II、变形及热处理：先将坯料在850～1000℃下进行均匀化退火2～4h处理，随后对坯料进行锻压，锻压后的合金进行退火处理，然后在800～930℃进行热轧，总变形量为50～80％，热轧后的合金经除鳞处理，在室温下进行8～10道次的冷轧，总变形量为50～70％，最终得到厚度为1.5～3.0mm的薄板；将变形处理后的合金板材线切割成20×20mm的片状试样，进行时效处理，适用于本发明合金系的人工时效制度为350～550℃×10～360min。

本发明所提供的高强度高导电性能铜合金及其制备方法，其优点在于：

I、与现有的高强度高导电性能Cu-Ni-Si铜合金相比，本发明采用Ti元素代替Si元素，不仅可以通过Ti的细晶强化作用提高合金的强度和韧性，Ti元素还可以和Cu和Ni分别形成化合物，增强第二相的析出动力学以达到沉淀强化和净化基体提高电导率的手段，使得本发明的Cu-Ni-Ti基合金同时具有较高强度、导电性和散热性，组织均匀且不含有毒元素，添加适量的Mg、Zn和Sn还可以适当改善合金的抗应力松弛、耐腐蚀性等性能。该系列合金的优异性能在引线框架材料领域具有广阔的应用前景。

II、本发明合金组分合理、合金化程度高、生产工艺简单、生产成本低、合金导电率高、强度高、适于工业化生产。

III、本发明对满足随着我国电子工业快速发展带来的对铜合金引线框架不断增长的需求，以及解决引线框架材料依赖进口的问题有重要的意义。

附图说明

图1Cu-Ni-Ti合金的光学金相组织图。

图2Cu-Ni-Ti扫描电镜显微组织图。

图3Cu-Ni-Ti-x合金时效后的电导率和硬度值。

具体实施方式

下面，对本发明的铜合金材料的组成及合金组织，详细说明其最佳的实施方式。另外，本发明中的铜合金材料是指通过热轧和冷轧加工成的板状铜合金。

铜合金中的Ni和Ti在实施时效处理时，主要形成NiTi、Ni₂Ti及Cu₄Ti相，提高强度和电导率。Ni的含量为1.5～5.0wt.％。这样规定的理由是因为产生以下问题：若Ni含量低于1.5wt.％，则作为引线框架的铜合金材料得不到足够的强度；若Ni含量过高，则会残留在铜基体中降低铜合金的电导率，且在铸造和热加工时产生对强度提高没有帮助的化合物，不仅降低强度还会对加工性能有不良影响。

Ti的含量为0.5～3.0wt.％。这样规定的理由是：若Ti含量低于0.5wt.％，则起不到足够的细晶强化的效果；Ti在铜合金中的细晶效果随着Ti含量的增加，增大到一定程度后呈平缓趋势，若继续增加Ti含量，会产生和过量Ni带来的同样的问题。此外，还会降低电导率。

Ni和Ti主要形成Ni₂Ti，还含有部分Cu₄Ti及NiTi相，如说明书附图2所示。因此，为提高强度而存在最佳的Ni和Ti含量比。优选将Ni/Ti设定在0.25～4.0的范围内，进一步设定在0.8～3.0的范围内。

另外，优选在Cu-Ni-Ti合金中含有Sn。其含量为0.05～1.5wt.％，Sn与Ti元素形成化合物。适当含量的Sn不仅可以改善合金的塑性加工性能，还可以同时提高合金的电导率和强度。Sn含量不足0.1wt.％时，其效果不能充分体现，超过1.2wt.％时，电导率大幅降低。优选为0.3～1.0wt.％。

另外，优选在Cu-Ni-Ti合金中含有Zn，其含量为0.05～1.0wt.％，Zn对合金的耐腐蚀性能有所提高。此外，Zn还可以改善合金的弯曲加工性能，提高合金的强度，但电导率有所下降。Zn含量低于0.05wt.％时，没有明显的效果；超过1.0wt.％时，合金的强度和电导率均下降。优选为0.1～0.5wt.％。

另外，优选在Cu-Ni-Ti合金中含有Mg，其含量为0.05～2.0wt.％，Mg的添加可以明显提高合金的强度，但会使得铜合金的熔点明显降低，电导率大幅下降，且对锻压和轧制性能带来不良影响。优选为0.05～0.1wt.％。

实施例

下面，对本发明的实施例，与比较例进行对比进行更详细说明，但本发明不限定于这些实施例。

本发明的实施例及比较例的铜合金材料通过表1所示的化学组成(剩余部分为Cu)组成。将这些铜合金在真空感应炉中熔炼，待所有原料熔炼完毕后，在1250℃保温20分钟，以保证所有合金元素溶解并充分扩散，并在金属模具中浇铸获得长为190mm，宽为55mm，高为30mm的长方形坯料。

表1

其次，先将坯料在850～980℃下进行均匀化退火2～4h处理，随后坯料在800～950℃下进行热轧，总变形量为65～70％，热轧后的合金经除鳞处理，在室温下进行8～10道次的冷轧，总变形量为65～75％，最终得到厚度约为1.5～3.0mm的薄板；

然后将变形处理后的合金板材线切割成20×20mm的片状试样，进行时效处理，适用于本发明合金系的人工时效制度为400～550℃×10～360min。

下面实施例1-1～1-4及比较例1-5的条件如下。

<实施例的工序>

实施例1-1：对No.1-No.7号合金冷轧后在400、450和500℃下进行时效处理，保温10～360min后空冷。

实施例1-2：对No.8～10号合金冷轧后在400、450和500℃下进行时效处理，保温10～360min后空冷。

实施例1-3：对No.11～13号合金冷轧后在400、450和500℃下进行时效处理，保温10～360min后空冷。

实施例1-4：对No.14～16号合金冷轧后在400、450和500℃下进行时效处理，保温10～360min后空冷。

<比较例的工序>

比较例1-5：对No.17号合金冷轧后在400、450和500℃下进行时效处理，保温10～360min后空冷。

实施例和比较例中的主要性能见表2。

表2

实施例1-1～1-3中No.6，No.10和No.12材料具有高的强度和良好的导电性，且性能均优于比较例1-5中No.17材料。实施例1-3中No.12和实施例1-4中No.15虽然具有较高的强度，但是其电导率相对较低。相比而言，实施例1-2中No.10同时具有高的强度和电导率，且相比比较例1-5中No.17的性能有较大幅度的提高。No.6作为基础合金，其主要性能见说明书附图图3。由图3可见，在450℃温度下时效，其综合强度和电导率性能最优。

Claims (5)

1.一种高强度高导电性能铜合金，其特征在于：含有1.5～5.0wt.％的Ni，0.5～3.0wt.％Ti，Ni和Ti的含量之比为0.5～5.0，剩余部分由Cu及不可避免杂质构成，上述组分之和为100％。

2.如权利要求1所述的高强度高导电性能铜合金，其特征在于，所述不可避免杂质中含有0.05～1.5wt.％的Sn。

3.如权利要求1所述的高强度高导电性能铜合金，其特征在于，所述不可避免杂质中含有0.05～1.0wt.％的Zn。

4.如权利要求1所述的高强度高导电性能铜合金，其特征在于，所述不可避免杂质中含有0.05～2.0wt.％的Mg。

5.如权利要求1-4中任一所述的高强度高导电性能铜合金的制备方法，其具体工艺步骤为：

I、坯料制备：将纯度大于99.9％的铜、钛、镍、镁、锌或锡按质量百分比的成分Ni1.5～5.0wt.％，Ti0.5～3.0wt.％或还含有Sn0.05～1.5wt.％，Zn0.05～1.0wt.％，Mg0.05～2.0wt.％中的一种或两种，在真空感应炉中熔炼，待所有原料熔炼完毕后，在1200～1300℃保温15～20分钟，以保证所有合金元素溶解并充分扩散，并在金属模具中浇铸获得长为150～190mm，宽为50～60mm，高为30mm的长方形坯料。

II、变形及热处理：先将坯料在850～1000℃下进行均匀化退火2～4h处理，随后对坯料进行锻压，锻压后的合金进行退火处理，然后在800～930℃进行热轧，总变形量为50～80％，热轧后的合金经除鳞处理，在室温下进行8～10道次的冷轧，总变形量为50～70％，最终得到厚度为1.5～3.0mm的薄板；将变形处理后的合金板材线切割成20×20mm的片状试样，进行时效处理，适用于本发明合金系的人工时效制度为350～550℃×10～360min。

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