CN110863120A - 一种引线框架用铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引线框架用铜合金，其特征在于，该铜合金的重量百分比组成为：Fe：6～10wt％，P：0.001～0.5wt％，余量为Cu及不可避免的杂质。该引线框架用铜合金具有优异的强度、导电以及耐高温软化性能，满足当前小型化部件的性能要求。

Description

一种引线框架用铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金领域，具体涉及一种引线框架用铜合金及其制备方法。

背景技术

近年来，随着电子产业的发展，各种电子设备向小型化、薄型化和轻量化发展，而重量减轻和其中所使用装置的高度集成促使了电子部件的小型化、轻量、高性能化。与此同时，也对结构零件的性能提出了更高要求，要求制备零件所用材料满足强度、导电、折弯等性能要求，更重要的是，随着电子部件的小型化和集中化，伴随的发热问题更是不能忽视，因此，抗高温软化性能的提高对于电子部件的要求越来越高。

目前，LED行业常用引线框架材料为铁青铜，常规牌号如美标C19210、C19400，主要成分组成为Cu-Fe-P，可以实现400MPa左右的抗拉强度、60％IACS以上的导电率，但耐高温软化性能就较差，经试验检测，其500℃下承受5分钟后，能达到原始硬度的70％左右。

如公开号为CN105518164A、发明名称为《铜合金板材及其制造方法以及载流部件》的专利中，公开了一种导电性、强度、弯曲加工性及赋予TD负荷应力时耐应力松弛特性优良的Cu-Fe-P-Mg系铜合金板材，该铜合金板材含有Fe:0.05～2.50％、Mg：0.03～1.00％、P：0.01～0.20％，这些元素的含量满足Mg-1.18(P-Fe/3.6)≧0.03的关系；由固溶Mg量(质量％)/该合金的Mg含量(质量％)×100定义的Mg固溶率为50％以上，粒径50nm以上的Fe-P系化合物的存在密度为10.00个/10μm2以下。该专利的主要目的是获得优良的导电性、强度，特别是改善弯曲加工性与挠曲变形的方向为TD的耐应力松驰特性，但没有提到Cu-Fe-P-Mg合金的耐高温性能。

虽然本行业研发人员在Cu-Fe-P的基础上做了很多改善，但并没有解决铁青铜耐高温软化性能偏低的问题。而且当前的C19210、C19400强度较低，在小型化、薄型化和轻量化发展趋势下，对材料的强度要求越来越高，因此，在满足导电率的前提下提高铁青铜的强度及耐高温软化性能满足当前小型化部件的需求是当前铁青铜需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种强度、导电以及耐高温软化性能优异的引线框架用铜合金。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种引线框架用铜合金的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种引线框架用铜合金，其特征在于，该铜合金的重量百分比组成为：Fe：6～10wt％，P：0.001～0.5wt％，余量为Cu及不可避免的杂质。

本发明添加6～10wt％的Fe元素。Fe能够提高基体强度，本发明绝大部分的Fe是以Fe为基体，少量Cu固溶于Fe的富Fe相(第二相)存在，少量的Fe固溶于Cu形成Cu固溶体的基体相，还有少量的Fe和P通过固溶并淬火处理溶入基体相中形成过饱和固溶体，然后时效处理析出FeP金属间化合物，析出的金属间化合物起到弥散强化的作用，FeP金属间化合物的存在更进一步提高基体强度和硬度，同时对提高合金的耐高温软化性能起到重要的作用，Fe含量低于6wt％时，强度的提高及耐高温软化性能不明显，但过多的Fe对合金导电率影响很大，因此，本发明将Fe含量控制在6～10wt％。

本发明添加0.001～0.5wt％的P元素。P元素一方面能够起到除气、脱氧的作用，降低铜熔体表面张力，提高熔体的流动性，净化合金基体。本发明中的部分P与Fe形成FeP金属间化合物，该化合物在不降低导电的同时可以提高基体的强度和耐高温软化性能，但P显著降低铜的导电率及导热率，若P含量过高，会使基体合金产生脆性，因此，本发明将P含量控制在0.001～0.5wt％。

进一步，该铜合金的重量百分比组成还包括ER中一种或者多种，添加量为0.001～1wt％。

与C19210、C19400相比，本发明的Fe含量远远高于前者，而如何保证Fe在基体中均匀分布对于最终性能的实现具有重要的影响。本发明添加0.001～1wt％ER的一种或者多种，ER在净化铜合金基体的同时有利于Fe在铜基体中的分布，同时ER能改变铜铁合金的表面界面能，增强熔炼过程中Cu和Fe的互溶，同时提高Cu在Fe固溶体中的固溶比例，降低Fe固溶体的脆性，并且在凝固过程中ER聚集在第二相的周围，阻止第二相的长大。

作为优选，该铜合金重量百分比组成添加的ER为Y，Y的添加量为0.001～0.5wt％。

研发人员通过大量的试验发现，Y对于改善第二相的均布及第二相的晶粒细化具有良好的效果，因此，本发明优选添加0.001～0.5wt％的Y。

作为优选，该铜合金的重量百分比组成还包括Zn：0.01～0.5wt％、Co：0.01～0.3wt％、Sn：0.01～0.5wt％、Mn：0.01～0.5wt％、Nb：0.001～0.5wt％中的一种或者多种。

少量的Zn具有提高合金强度的作用，但Zn含量过高影响合金的导电率，因此，本发明中Zn的添加量为：0.01～0.5wt％。

少量的Co提高合金基体的强度及耐高温软化性能，作为优选，本发明铜合金添加0.01～0.3wt％的Co。

Mn在该合金中一般作为杂质控制，但在熔炼时不可避免带入一定含量的Mn，少量的Mn可以提高基体强度，但Mn含量过多导电率下降明显，因此，Mn的添加量控制在0.01～0.5wt％。

Nb对于提高合金的耐应力松弛特性和抗高温软化性能具有良好的改善作用，但Nb含量过高对于后续物料回收具有不利影响，因此，Nb的添加量控制在0.001～0.5wt％。

作为优选，该铜合金的基体相是Cu固溶体，第二相是Fe固溶体，其中基体相的体积分数≥80％，第二相的体积分数：5～15％。

本发明合金的基体相为以Cu为基体的Fe固溶于Cu的固溶体，且体积分数≥80％。因基体相是Cu为基体，少量的Fe固溶于Cu，因此基体相在提供一定强度的同时，保证了合金整体优良的导电率及延展性；第二相为Fe固溶体即富Fe相，是以Fe为基体，少量的Cu固溶于Fe，具有Fe的耐磨性、强度和耐高温特性，因此第二相保证了合金具有高的强度、硬度及耐高温软化性能。基体相与第二相的协同作用最终保证了材料高强度、导电以及耐高温性能的实现。

研发人员通过控制Fe的添加量及合金制备工艺，在实现铜合金基体相中生成第二相的同时，基体相的体积分数≥80％，第二相的体积分数5～15％，通过体积分数的控制，保证材料在提高强度、耐高温软化的同时，折弯性能优良、导电率降低较少，从而满足材料的综合性能。

作为优选，该铜合金的基体相平均晶粒粒径≤20μm，第二相平均晶粒粒径≤10μm。

基体相的晶粒度越细小其晶界越多，从而提高了材料的强度，同时在时效过程中促使基体中的Fe、P等元素的析出，对导电率的提升具有良好作用，因此，该铜合金的基体相平均晶粒粒径控制在≤20μm。第二相平均晶粒粒径控制在≤10μm，确保了第二相弥散分布在基体中，起到了强化骨架作用，同时不影响折弯等性能。

作为优选，该铜合金铸坯的第二相平均晶粒粒径≤20μm。

为了控制铜合金成品中第二相细小弥散分布在基体相中，控制铸坯中初生的第二相晶粒大小尤为重要，如果初生的第二相晶粒过于粗大，而后期通过热轧、冷轧工艺也难以将粗大的第二相挤碎以实现晶粒细化，而通过固溶时效工艺可以略微改善，但不能彻底解决第二相的晶粒细化，因此，为了保证铜合金成品中第二相平均晶粒粒径≤10μm就需要通过铸造工艺控制初生的第二相晶粒大小，本申请中铜合金铸坯的第二相平均晶粒粒径≤20μm，在此范围内可以保证成品中第二相晶粒细小，从而实现最终材料的高强度、高导电和高的抗高温软化性能。

作为优选，该铜合金第二相中Cu固溶于Fe，其中Cu的重量百分比为7～12wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本申请铜合金的第二相为Cu固溶于Fe的固溶体，除此之外可能还含有少量的其他元素固溶于Fe，少量的Cu固溶于Fe可以降低第二相(富Fe相)的脆性，改善富Fe相与基体的结合性，提高了材料整体的塑性和后续加工性能，但Cu固溶Fe的含量过高会造成第二相强度降低，材料整体的耐高温软化性能也降低，因此，为了保证材料的综合性能，本申请中Cu固溶于Fe的重量百分比为7～12wt％。

一种引线框架用铜合金的制备方法，其特征在于，该铜合金带材的制备流程为：熔炼→水平连续铸造→固溶处理→连续挤压→粗轧→阶梯时效→精轧→成品退火，所述水平连铸铸造具体参数控制为：铸造温度：1350～1550℃，拉铸速度：0.5～1.5m/min，铸坯出口温度：650℃～800℃，铸坯出结晶器30～120mm处采用水冷却，水的压力：0.3～1.0MPa，水的温度：20～40℃。

本发明采用水平连铸铸造技术，将保温炉内的温度控制为1350～1550℃，是为了确保合金铜液的温度在合金的液相线温度以上，避免了合金熔液在保温炉中生成富铁相，同时大大降低了合金熔液中Fe与Cu的比重偏析情况。

采用0.5～1.0m/min速度拉铸，在速度低于0.5m/min时，由于铸造速度慢，在合金熔液的凝固过程中，富铁相熔液长大，当富铁相直径超过10μm时，则会大大降低材料的折弯性能。在高于1.0m/min时，合金凝固补缩不完全，拉铸过程中铸坯易产生气孔、缩松和拉裂等缺陷。

铸坯出口温度控制在650℃～800℃，避免铸坯在凝固过程中出现因铸造应力大而产生应力开裂等缺陷。

铸坯出结晶器30～120mm处采用水冷却，水的压力：0.3～1.0MPa，水的温度：20～40℃。在该控制条件下二次水冷效果明显，避免铸坯冷却过程中析出粗大的第二相粒子。

作为优选，固溶处理具体参数控制为，固溶处理温度：900～1150℃，保温时间30～120min，固溶处理后淬火，淬火后的铸坯硬度：40～60HV。

通过在900～1150℃下、保温时间30～120min条件下进行固溶处理，使得Fe充分固溶于铜基体中，为后续时效做准备；固溶处理后淬火，为了保证后续时效的充分，淬火后的铸坯硬度控制为40～60HV，在硬度低于40HV时，固溶不充分，第二相、FeP金属间化合物不能充分析出，在硬度高于60HV时，在后道连续挤压过程中，挤压模具磨损大，使用寿命低，难以实现大规模生产。

作为优选，阶梯时效具体参数控制为：一级时效温度：550～700℃，保温时间：1～10h；一级时效结束后，以50～300℃/1h的降温速率将炉温降至二级时效温度，二级时效温度：350～480℃，保温时间：1～10h。

一级时效温度：550～700℃，保温时间：1～10h，将加工硬化的带坯进行再结晶退火，达到软化目的，提高带坯的后道冷加工塑性。一级时效结束后，以50～300℃/1h的降温速率将炉温降至二级时效温度，二级时效温度：350～480℃，保温时间：1～10h，二级时效将合金基体中大量固溶的Fe析出，从而大大提高铜合金的导电率，富Fe相析出能够提高合金的电磁性、抗高温软化性能、耐应力松弛性能和耐磨性等。

本发明的优点：1)通过控制Fe、P等元素的添加含量、基体相与第二相析出及析出比例实现强度、导电及耐高温软化性能优异的引线框架用铜合金。

2)采用水平连铸红锭铸造技术，解决了合金凝固时的表面开裂、拉断等现象，在铸坯出结晶器30～120mm处采用水冷却，使得水平连续铸造速度提高2倍，同时确保了铸坯中第二相细小并弥散分布。

3)本申请的铜合金抗拉强度为：650～750MPa，导电率为：50～65％IACS，在500℃保温5min，硬度值为原始硬度的80％，与传统的C19210、C19400相比，在强度及耐高温软化性能得到提高，导电率性能优良，满足当前小型化部件的性能要求。

附图说明

图1为实施例1的金相照片(×2000)；

图2为实施例1铸坯的扫描电镜照片(×2000)。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

选取20个实施例合金和1个对比合金(C19400)，采用相同的制备方法加工为板带产品，制备工艺流程为：熔炼→水平连续铸造→固溶处理→连续挤压→粗轧→阶梯时效→精轧→成品退火。

具体的工艺为：

1)熔炼：按照铜合金带材的组分配比进行称料，加入至熔化炉内，待原料全部熔化后，加入复合覆盖剂覆盖。将合金熔液温度控制在1400℃并保温30分钟。

2)水平连铸铸造：铸造温度为1400℃，采用水平连铸红锭铸造技术，拉铸棒坯规格Φ50mm，拉铸速度控制在0.5m/min，铸坯出口温度控制在700℃，铸坯出结晶器90mm处采用水冷，水压力0.4MPa，出水温度20℃～30℃，铸坯在线冷却。

3)铸坯固溶：将铸坯放入1000℃固溶炉，保温40min，固溶处理后淬火，淬火后的铸坯硬度为55HV。

4)连续挤压：挤压机挤压铸坯为30mm宽×20mm厚的铜带坯，挤压速度为5.0r/min。

5)粗轧：从挤压坯20mm厚轧至1.5mm厚度，轧制厚度控制1.5±0.015mm。

6)阶梯时效：一级时效温度为600℃，保温时间为3h；一级时效结束后，以60℃/1h的降温速率将炉温降至二级时效温度，二级时效温度为400℃，保温时间为5h。

7)精轧：将带坯的厚度从1.5mm经过多道冷轧至0.2mm厚。精轧后厚度控制在0.215±0.005mm。

8)成品去应力退火。退火温度170℃，保温2h。

最后清洗、成品分条、包装。

对于制备得到的20个实施例合金和1个对比例合金的带材样品，分别测试力学性能、导电率、耐高温氧化性能。

室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。

导电率测试按照《GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品宽度为20mm，长度为500mm。

耐高温软化性能测试：先测试铜合金带材的原始硬度H0，将样品放入500℃的保温炉中，保温30min后测试其硬度H1，H1/H0≥80％表示样品的耐高温软化性能合格。

Claims (10)

1.一种引线框架用铜合金，其特征在于，该铜合金的重量百分比组成为：Fe：6～10wt％，P：0.001～0.5wt％，余量为Cu及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的引线框架用铜合金，其特征在于：该铜合金的重量百分比组成还包括ER中一种或者多种，添加量为0.001～1wt％。

3.根据权利要求2所述的引线框架用铜合金，其特征在于：该铜合金重量百分比组成添加的ER为Y，Y的添加量为0.001～0.5wt％。

4.根据权利要求1所述的引线框架用铜合金，其特征在于：该铜合金的重量百分比组成还包括Zn：0.01～0.5wt％、Co：0.01～0.3wt％、Sn：0.01～0.5wt％、Mn：0.01～0.5wt％、Nb：0.001～0.5wt％中的一种或者多种。

5.根据权利要求1所述的引线框架用铜合金，其特征在于：该铜合金的基体相是Cu固溶体，第二相是Fe固溶体，其中基体相的体积分数≥80％，第二相的体积分数：5～15％。

6.根据权利要求5所述的引线框架用铜合金，其特征在于：该铜合金的基体相平均晶粒粒径≤20μm，第二相平均晶粒粒径≤10μm。

7.根据权利要求5所述的引线框架用铜合金，其特征在于：该铜合金铸坯的第二相平均晶粒粒径≤20μm。

8.根据权利要求5所述的引线框架用铜合金，其特征在于：该铜合金第二相中Cu固溶于Fe，其中Cu的重量百分比为7～12wt％，余量为Fe及不可避免的杂质。

9.根据权利要求1至8任一权利要求所述的一种引线框架用铜合金的制备方法，其特征在于，该铜合金带材的制备流程为：熔炼→水平连续铸造→固溶处理→连续挤压→粗轧→阶梯时效→精轧→成品退火，所述水平连铸铸造具体参数控制为：铸造温度：1350～1550℃，拉铸速度：0.5～1.5m/min，铸坯出口温度：650℃～800℃，铸坯出结晶器30～120mm处采用水冷却，水的压力：0.3～1.0MPa，水的温度：20～40℃。

10.根据权利要求9所述的引线框架用铜合金的制备方法，其特征在于：固溶处理具体参数控制为，固溶处理温度：900～1150℃，保温时间30～120min，固溶处理后淬火，淬火后的铸坯硬度：40～60HV。

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