CN104404290A - 一种高导热性的传感器用铜合金材料及制造方法 - Google Patents

一种高导热性的传感器用铜合金材料及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高导热性的传感器用铜合金材料及制造方法，主要成分是铜，还包括铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉。制造该铜合金材料的方法，包括以下制造步骤：（1）熔融铜，得到铜水；（2）将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例混合熔融，得到混合金属水；（3）铜水和混合金属水混合；（4）将步骤（3）所得的金属水热锻处理，形成固体合金；（5）将固体合金时效处理。本发明的具有优良的导电性能和导热性能，电导率为92—105%IACS，热导率为460—520wm-1k-1。

Description

一种高导热性的传感器用铜合金材料及制造方法
技术领域
本发明涉及一种高导热性的传感器用铜合金材料及制造方法，属于金属材料及金属材料加工领域。
背景技术
铜合金被广泛应用于汽车部件、家电部件、电气、电子、光学部件、配管构件、水暖金属件或者各种阀门等。且由于近年来全球变暖，强烈要求制品或者构件的小型、轻量化和薄壁化，在比重比铁大的铜合金中，需要通过高强度化来应对上述要求。
尤其在气象机械、气象光学仪器领域，对仪器的重量有着较高的要求，以及对仪器的精密程度要求较高，就需要使用高强度的且轻质的合金材料，很多气象观测站，由于地域、交通的限制，不能够满足较重仪器的搬运和安装，仪器更换也存在很大的难度，这就需要在仪器的配备上有着较高的要求，仪器的精密度，以及仪器的使用寿命要求高。对于仪器制作时使用的材料，尤其是传感器，以及数据采集芯片使用的铜合金的要求很高，传统的简单的铜合金材料基本无法满足要求。传统的铜合金不仅在质量重、感应的灵敏度差以及能够被使用的次数少，不能满足气象领域的仪器使用要求。
高导高强铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应用于电阻焊、电力、电子、机械制造等工业领域。
现有的晶体管、IC等半导体，或集成电路等组件，其连结电极与外部导线一般是以高纯度4N系(纯度＞99.99mass(质量)％)的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为电性连接的接合线，然而，由于黄金较高的价格，以及黄金市场的不稳定性，在考虑成本和行业风险的情况下，使用黄金存在一定的弊端，不利于工业化应用和大规模的生产。使用铜合金替代高价位的高纯度4N系(纯度＞99.99mass(质量)％)的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为电性连接的接合线成为业内人士考虑的方向。使用铜合金时，由于封装用树脂与导线的热膨胀系数差异过大，随着半导体启动后温度上升，因热形成的体积膨胀对形成回路的铜接合线产生外部应力，特别是对暴露于严酷的热循环条件下的半导体组件，容易使铜接合线产生短线的问题。
用于作为载流部件(例如连接件、引流框、继电器和开关)的电气和电子部件的材料具有良好的电导率，以抑制因为载流而产生焦耳热，要求所使用的材料的高强度能承受在使用此材料的电气和电子设备的组装和运行过程中向其施加的应力。用于电气和电子部件的材料还要求具有极佳的可弯曲加工性，而且，为了确保电气和电子部件之间的接触可靠性，要求用于该部件的材料具有极佳的耐应力松弛性。尤其近年来，电气和电子部件存在集成化、微型化和轻质化的倾向，碎玉材料的性能要求更高，铜合金板的厚度要变薄，强度以及敏感度要求更高。
发明人通过检索得到专利号为2010800134044，发明名称为高度强铜合金专利，该铜合金中的组分为锌20％～45％、铁0.3～1.5％、铬0.3～1.5％，余量为铜，且该铜合金内部分散有铁-铬系化合物粒子和Al2Ca的金属间化合物粒子，以重量标准计所述铁相对于所述铬的含有比率Fe/Cr为0.5～2。在具体实施例中公布了抗拉强度和破断延伸率的试验数据，但是对于这种配比的铜合金材料，只能通过使用该专利中公开的制作方法来得到，对于铜合金材料内部的成型结构，无法实现具体控制，且该铜合金材料的抗变形系数，以及导电系数并不能达到在气象机械的传感器中的要求，无法应用到气象机械的传感器中，无法解决减轻气象机械的重量和提高气象机械的传感灵敏度的问题。
发明人还检索到申请号为201110228500.7，发明名称为一种铜合金材料的发明专利，该发明公开的铜合金材料，由以下以重量百分比计的原料制成：Pb0.641％～0.704％，Si1.23％～1.36％，Mn1.94％～2.32％，Ni1.95％～2.21％，Fe0.093％～0.153％，Sn0.025％～0.048％，Zn35.3％～35.76％，Cu余量。该发明的铜合金材料具有高强度、耐磨、耐腐蚀、延展性好、易加工、不易拉脱等优点，适合于制造高压柱塞泵的核心零件如滑靴和配流盘。但是这种铜合金材料的导电性能不好，不适应于制作传感器部件，尤其不适应于制作气象领域的传感器。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种高导热性的传感器用铜合金材料，其具体方案为：
该高导热性的传感器用铜合金材料，主要成分是铜元素，包括铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉，上述各组分在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：15％～18％，铁：3.5％～4.5％，锰：3.0％～5.0％，钴：1.0％～2.0％，硼：0.5％～1.0％，银：0.05％～0.15％，钯：0.03％～0.10％，镉：0.05％～0.10％。
所述铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：16％～18％，铁：3.7％～4.2％，锰：3.5％～4.5％，钴：1.2％～1.8％，硼：0.6％～0.9％，银：0.07％～0.13％，钯：0.04％～0.08％，镉：0.06％～0.09％。
所述铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：16.5％，铁：4.0％，锰：4.0％，钴：1.5％，硼：0.75％，银：0.1％，钯：0.06％，镉：0.75％。
一种制造高导热性的传感器用铜合金材料的方法，包括以下制造步骤：
(1)将铜投放到熔融炉中，熔融炉内保持真空，将熔融炉内温度上升至1250℃，并保温一段时间，待铜完全熔融，形成铜水；
(2)将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例投放到另一个熔融炉中，保持熔融炉内真空，加热至炉内温度达1350℃，保温一段时间，直至上述个金属元素完全熔化，形成均匀的混合金属水；
(3)将步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水混合，并维持在温度不低于1300℃，保持真空的环境，让步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水在熔融炉内维持足够长的时间，让所述的铜水和所述的混合金属水混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合均匀的铜水和混合金属水置于温度为800℃～860℃的环境中热锻处理，形成固体合金；
(5)将步骤(4)所得的固体合金时效处理，时效处理的环境温度为400℃～500℃，时效处理的时间为8～12个小时。
所述步骤(1)中的熔融炉内的真空度为10-4～10-5pa。
所述步骤(2)和(3)中的熔融炉内的真空度为10-5～10-6pa。
本发明的有益效果是：
本发明的制造方法提高金属塑性、降低变形抗力，使之易于流动成形，获得良好的组织架构。通过本发明的制造方法制造本发明各合金比例的铜合金，能够改善金属组织，提高金属力学性能和物理性能，尤其是本发明铜合金材料的导电性能。
将结合本发明的铜合金材料和制造方法制造出来的铜合金应用与传感器上，能快速将传感器工作产生的热散失出去，避免传感器高温导致工作效率下降，甚至导致工作崩溃，尤其适用于传感器的感应芯片等灵敏部件，高导热的性能将热量及时导到部件的表面，进而散失在空气中，使部件能高速运行，不受到自身产生的热量的影响。
本发明的具有优良的导电性能和导热性能，电导率为92—105％IACS，热导率为460—520wm-1k-1。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明的主要成分是铜元素，其中还包括铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉。
实施例1：
铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：15％，铁：3.5％，锰：3.0％，钴：1.0％，硼：0.5％，银：0.05％，钯：0.03％，镉：0.05％。
制造上述比例合金成分的高导热性的传感器用铜合金材料的方法，包括以下制造步骤：
(1)将铜投放到熔融炉中，熔融炉内保持真空，真空度为10-4pa，将熔融炉内温度上升至1250℃，并保温2小时，铜完全熔融，形成铜水；
(2)将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例投放到另一个熔融炉中，保持熔融炉内真空，真空度为10-5pa，加热至炉内温度达1350℃，保温5小时，直至上述各金属元素完全熔化，形成均匀的混合金属水；
(3)将步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水混合，并维持在温度1300℃，保持真空的环境，真空度为10-5pa，让步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水在熔融炉内维持5小时，让所述的铜水和所述的混合金属水混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合均匀的铜水和混合金属水置于温度为800℃的环境中热锻处理，形成固体合金；
(5)将步骤(4)所得的固体合金时效处理，时效处理的环境温度为400℃，时效处理的时间为8个小时。
实施例2：
铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：18％，铁：4.5％，锰：5.0％，钴：2.0％，硼：1.0％，银：0.15％，钯：0.10％，镉：0.10％。
制造上述比例合金成分的高导热性的传感器用铜合金材料的方法，包括以下制造步骤：
(1)将铜投放到熔融炉中，熔融炉内保持真空，真空度为10-5pa，将熔融炉内温度上升至1250℃，并保温2.5小时，铜完全熔融，形成铜水；
(2)将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例投放到另一个熔融炉中，保持熔融炉内真空，真空度为10-6pa，加热至炉内温度达1350℃，保温5.5小时，直至上述各金属元素完全熔化，形成均匀的混合金属水；
(3)将步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水混合，并维持在温度不低于1390℃，保持真空的环境，真空度为10-6pa，让步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水在熔融炉内维持5.5小时，让所述的铜水和所述的混合金属水混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合均匀的铜水和混合金属水置于温度为860℃的环境中热锻处理，形成固体合金；
(5)将步骤(4)所得的固体合金时效处理，时效处理的环境温度为500℃，时效处理的时间为12个小时。
实施例3：
所述铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：16％，铁：3.7％，锰：3.5％，钴：1.2％，硼：0.6％，银：0.07％，钯：0.04％，镉：0.06％。
制造上述比例合金成分的高导热性的传感器用铜合金材料的方法，包括以下制造步骤：
(1)将铜投放到熔融炉中，熔融炉内保持真空，真空度为10-4.5pa，将熔融炉内温度上升至1250℃，并保温2.2，铜完全熔融，形成铜水；
(2)将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例投放到另一个熔融炉中，保持熔融炉内真空，真空度为10-5.5pa，加热至炉内温度达1350℃，保温5.2小时，上述各金属元素完全熔化，形成均匀的混合金属水；
(3)将步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水混合，并维持在温度1330℃，保持真空的环境，真空度为10-5.5pa，让步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水在熔融炉内维持5.2小时，让所述的铜水和所述的混合金属水混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合均匀的铜水和混合金属水置于温度为820℃的环境中热锻处理，形成固体合金；
(5)将步骤(4)所得的固体合金时效处理，时效处理的环境温度为430℃，时效处理的时间为9个小时。
实施例4：
所述铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：18％，铁：4.2％，锰：4.5％，钴：1.8％，硼：0.9％，银：0.13％，钯：0.08％，镉：0.09％。
制造上述比例合金成分的高导热性的高导热性的传感器用铜合金材料的方法，包括以下制造步骤：
(1)将铜投放到熔融炉中，熔融炉内保持真空，真空度为10-4.5pa，将熔融炉内温度上升至1250℃，并保温2.8小时，铜完全熔融，形成铜水；
(2)将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例投放到另一个熔融炉中，保持熔融炉内真空，真空度为10-5.5pa，加热至炉内温度达1350℃，保温5.7小时，直至上述各金属元素完全熔化，形成均匀的混合金属水；
(3)将步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水混合，并维持在1380℃，保持真空的环境，让步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水在熔融炉内维持5.4小时，让所述的铜水和所述的混合金属水混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合均匀的铜水和混合金属水置于温度为850℃的环境中热锻处理，形成固体合金；
(5)将步骤(4)所得的固体合金时效处理，时效处理的环境温度为490℃，时效处理的时间为10个小时。
实施例5：
所述铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：16.5％，铁：4.0％，锰：4.0％，钴：1.5％，硼：0.75％，银：0.1％，钯：0.06％，镉：0.75％。
制造上述比例合金成分的高导热性的传感器用铜合金材料的方法，包括以下制造步骤：
(1)将铜投放到熔融炉中，熔融炉内保持真空，真空度为10-4.5pa，将熔融炉内温度上升至1250℃，并保温2.2小时，待铜完全熔融，形成铜水；
(2)将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例投放到另一个熔融炉中，保持熔融炉内真空，真空度为10-5.5pa，加热至炉内温度达1350℃，保温5.3小时，直至上述个金属元素完全熔化，形成均匀的混合金属水；
(3)将步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水混合，并维持在1340℃，保持真空的环境，让步骤(1)所得的铜水和步骤(2)所得的混合金属水在熔融炉内维持5.3小时，让所述的铜水和所述的混合金属水混合均匀；
(4)将步骤(3)所得的混合均匀的铜水和混合金属水置于温度为830℃的环境中热锻处理，形成固体合金；
(5)将步骤(4)所得的固体合金时效处理，时效处理的环境温度为450℃，时效处理的时间为10个小时。
将上述5个实施例的各组分的合金比例以及通过上述5个具体实施例制造出来的铜合金材料制作成长度为厚度为4mm，长度为5cm，宽度为2cm的矩形片，分别测试其合金强度、延伸率、导热性性能的参数整理为下表：
实施例 电导率 热导率
实施例1 92 460
实施例2 105 520
实施例3 97 480
实施例4 102 500
实施例5 99 490
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (6)

1.一种高导热性的传感器用铜合金材料，主要成分是铜元素，其特征是包括铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉，上述各组分在铜合金材料中所占的重量百分比为：铝：15%~18%，铁：3.5%~4.5%，锰：3.0%~5.0%，钴：1.0%~2.0%，硼：0.5%~1.0%，银：0.05%~0.15%，钯：0.03%~0.10%，镉：0.05%~0.10%。
2.根据权利要求1所述的高导热性的传感器用铜合金材料，其特征是所述铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：
铝：16%~18%，铁：3.7%~4.2%，锰：3.5%~4.5%，钴：1.2%~1.8%，硼：0.6%~0.9%，银：0.07%~0.13%，钯：0.04%~0.08%，镉：0.06%~0.09%。
3.根据权利要求1所述的高导热性的传感器用铜合金材料，其特征是所述铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉在铜合金材料中所占的重量百分比为：
铝：16.5%，铁：4.0%，锰：4.0%，钴：1.5%，硼：0.75%，银：0.1%，钯：0.06%，镉：0.75%。
4.一种制造如权利要求1-3任一所述的高导热性的传感器用铜合金材料的方法，其特征是包括以下制造步骤：
（1）将铜投放到熔融炉中，熔融炉内保持真空，将熔融炉内温度上升至1250℃，并保温一段时间，待铜完全熔融，形成铜水；
（2）将铝、铁、锰、钴、硼、银、钯和镉按照各自的重量百分比例投放到另一个熔融炉中，保持熔融炉内真空，加热至炉内温度达1350℃，保温一段时间，直至上述个金属元素完全熔化，形成均匀的混合金属水；
（3）将步骤（1）所得的铜水和步骤（2）所得的混合金属水混合，并维持在温度不低于1300℃，保持真空的环境，让步骤（1）所得的铜水和步骤（2）所得的混合金属水在熔融炉内维持足够长的时间，让所述的铜水和所述的混合金属水混合均匀；
（4）将步骤（3）所得的混合均匀的铜水和混合金属水置于温度为800℃~860℃的环境中热锻处理，形成固体合金；
（5）将步骤（4）所得的固体合金时效处理，时效处理的环境温度为400℃~500℃，时效处理的时间为8~12个小时。
5.根据权利要求4所述的高导热性的传感器用铜合金材料制造方法，其特征是所述步骤（1）中的熔融炉内的真空度为10-4 ~10-5pa。
6.根据权利要求4所述的高导热性的传感器用铜合金材料制造方法，其特征是所述步骤（2）和（3）中的熔融炉内的真空度为10-5 ~10-6pa。
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