CN118581350A - 一种低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金及其制备方法 - Google Patents
一种低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明采用机器学习方法设计了一种低铬含量中强高导Cu‑Cr‑Sn‑Zn合金及其制备工艺，属于新材料设计与加工技术领域。开发的低铬含量Cu‑Cr‑Sn‑Zn合金成分特征在于：Cr含量为0.10wt％～0.50wt％，Sn含量为0.05wt％～0.50wt％，Zn含量为0.10wt％～0.50wt％，La含量为0.001wt％～0.10wt％，余量Cu。根据需要，还可以添加Mg、Zr、P或Ce等一种或多种微合金化元素，以提升合金的综合性能。微合金化元素的含量为0.00wt％～0.30wt％Mg，0.00wt％～0.20wt％Zr，0.00wt％～0.10wt％P，0.00wt％～0.10wt％Ce。本发明协同优化了合金中Cr、Sn、Zn等元素含量，进而显著提升了铜合金力学和电学综合性能，抗拉强度可达600～650MPa，导电率可达75％IACS～80％IACS，适合大规模工业化生产与应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型中强高导铜合金及其制备工艺，属于金属材料设计、制备加工技术领域，特别提供了一种低铬含量、低成本Cu-Cr-Sn-Zn合金的成分与制备工艺。
背景技术
铜合金由于强度高、导电率高、弹性好、弹性滞后小、耐疲劳等优良特性，已被广泛应用于电气、通讯、机械等领域。其中，高强高导铜合金由于具有突出的强度和导电率的综合性能，被广泛应用于集成电路引线框架、电气化铁路接触线等领域。特别是，随着集成电路向高密度、小型化、多功能化、低成本的方向发展，需要与封装工序相匹配的铜合金引线框架材料向多引脚、高密度、超薄、微型方向发展，因此对引线框架铜合金的导电率及强度等综合性能也提出了更高的要求。
目前广泛应用的引线框架用铜合金主要有Cu-Fe-P合金、Cu-Ni-Si合金等。目前已经难以满足强度高、导电导热性能优异、成形性能良好并且成本低，可满足大规模商业化应用的需求。理想的引线框架材料是抗拉强度600MPa以上、导电率75％以上、抗软化温度大于500℃的高强度、高导电、优异加工性能的材料。
Cu-Cr-Sn-Zn系合金具有优良的冲压成形性、电镀性、接合性、钎焊性及耐软化性，兼具较高的强度和导电性能，是目前国际上引线框架用中强高导铜合金的主流攻关方向。开发一种同时具有高强度和高导电综合性能的易刻蚀Cu-Cr-Sn-Zn系合金及其制备工艺，以满足极大或超大规模集成电路引线框架等材料的应用需求具有重要意义。
发明内容
本发明以降低Cr元素含量、精确控制Cr、Sn、Zn等元素含量，进而提升铜合金强度和导电综合性能为目的，采用机器学习方法分析了公开报道的中强高导铜合金成分-性能数据，利用特征工程分析数据，建立了关键合金因子-性能模型，使用实验验证和性能测试验证设计结果，实现了高性能铜合金高效成分设计，通过合金元素含量优化以及合理的制备工艺制定，开发了一种高综合性能、低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金的成分与制备工艺。
一种低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金，其特征在于：Cr含量为0.10wt％～0.50wt％，Sn含量为0.05wt％～0.50wt％，Zn含量为0.10wt％～0.50wt％，La含量为0.001wt％～0.10wt％，余量Cu。
进一步地，根据需要，还可以添加Mg、Zr、P或Ce等一种或多种微合金化元素，以提升合金的综合性能。微合金化元素的含量为0.00wt％～0.30wt％Mg，0.00wt％～0.20wt％Zr，0.00wt％～0.10wt％P，0.00wt％～0.10wt％Ce。
本发明的低铬元素含量Cu-Cr-Sn-Zn合金的制备工艺如图1所示，其特征在于制备工艺流程为：熔炼→均匀化处理→热轧→粗冷轧→固溶淬火→一次精冷轧→一次时效→二次精冷轧→二次时效→三次精冷轧；具体工艺步骤如下：
(1)熔炼：将按比例配好的电解Cu原料放入熔炼炉中加热至1200℃～1300℃；待完全熔化后，将电解Sn、Cu-Zn、Cu-Cr、Cu-La、Cu-Mg、Cu-Zr、Cu-P、Cu-Ce中间合金加入金属液中，采取在金属表面覆盖烘烤木炭/竹炭等防止氧化；将熔炼好的合金熔体静置10～30分钟后除渣，温度保持在1200±10℃；随后浇铸成扁锭，冷却至室温后，去除表面缺陷；
(2)均匀化处理：将去除表面缺陷后的扁锭在800～1000℃下保温1～8h；
(3)热轧：将均匀化处理后的坯料进行热轧变形，开轧温度800℃，终轧温度≥700℃，热轧道次压下量30％～50％，总变形量60％～95％；
(4)粗冷轧：道次变形量20％～40％，总变形量50％～90％；
(5)固溶淬火：在线惰性气体保护固溶淬火；
(6)一次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量30％～80％；
(7)一次时效：罩式炉时效，惰性气体保护；
(8)二次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量20％～70％；
(9)二次时效：罩式炉时效，惰性气体保护；
(10)三次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量20％～70％。
进一步地，步骤(5)所述固溶温度为900～1000℃。
进一步地，步骤(7)所述一次时效温度为400～550℃，保温1～5h。
进一步地，步骤(9)所述二次时效温度为350～500℃，保温2～8h。
本发明的技术要点：
本发明采用机器学习方法分析了公开报道的中强高导铜合金成分-性能数据，协同优化了合金中Cr、Sn、Zn等元素含量，获得了综合性能优异的低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金。合金成分设计过程中，在保证合金强度和导电率的前提下，本发明最大限度地降低Cr元素含量，并保证合金元素总含量尽量低，以降低合金成本；多次形变-热处理可最大限度促进合金中Cr析出相的析出，以实现合金高强度、高导电率的综合性能。
专利局网站上公布了一条授权号为CN107299246B的发明专利，专利名称为一种高强高导的CuCrMgSn-Ce合金线材及其制备方法。”其成分包括Cu、Cr、Mg、Sn、Ce元素及不可避免的杂质，其中，Cu是合金基体，其所占质量比例高于98％，其他成分所占质量比例如下：Cr0.10～0.40％，Mg 0.02～0.15％，Sn 0.02～0.10％，Ce 0.02～0.10％，且Mg与Sn的总质量占比在0.08～0.17％之间，不可避免的杂质的总质量低于0.05％.”。
与对比文件CN107299246B相比，本发明创新点在于Sn、Zn搭配可以促进Cr元素析出、细化Cr析出相在20～100nm，有效提升合金后续制备成框架后的蚀刻性能。
本发明的优点：
(1)本发明在成分设计时综合考虑了各个元素对中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金组织性能的综合影响，特别是对Cr、Sn、Zn、La等元素的精心选择与优化，对降低合金成本、提升合金性能起到了显著的作用。具体考虑因素如下：
Cr元素主要是析出相Cr相的组成元素。
Sn元素加入主要是促进析出相的析出，抑制析出相的粗化，提高合金的力学和电学性能。
Zn元素加入一方面在铜基体中均匀分布，可以强化合金基体，另一方面促进了析出相的析出，提高合金的力学和电学性能。
La元素加入具有以下作用：①在熔炼中易与氧、硫、氢及一些杂质发生反应，具有脱硫、脱氢及消除杂质的作用，能够改善合金组织，使合金组织更加趋于纯净，有效提高合金的导电率；②显著降低晶界处的界面能，从而降低界面移动的驱动力，提高合金的力学性能；③可以促进析出相的析出，提高合金的力电性能。
(2)本发明的熔炼工艺能够避免高熔点元素的熔化不充分以及微量元素和易氧化元素的烧损等问题，提高了铸锭化学成分的准确性和均匀性。
(3)本发明的形变-热处理工艺可以提高合金中析出相的析出程度，提高合金的综合力学与电学性能，所制备合金的综合成本较低，性能可达到600～650MPa，75％IACS～80％IACS。
附图说明
图1为所发明低铬含量Cu-Cr-Sn-Zn合金的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例：本发明以降低Cr元素含量、精确控制Cr、Sn、Zn等元素含量，进而提升铜合金强度和导电综合性能为目的，开发了一种低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金，成分如表1所示。
表1低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金成分(wt％)
该合金的制备工艺如下：
(1)熔炼：将按比例配好的电解Cu原料(纯度大于99.99％)放入熔炼炉中加热至1200℃～1300℃；待完全熔化后，将电解Sn、Cu-Zn、Cu-Cr、Cu-La、Cu-Mg、Cu-Zr、Cu-P、Cu-Ce中间合金加入金属液中，采取在金属表面覆盖烘烤木炭/竹炭等防止氧化；将熔炼好的合金熔体静置20分钟后除渣，温度保持在1200±10℃；随后浇铸成扁锭，冷却至室温后，去除表面缺陷；
(2)均匀化处理：将去除表面缺陷后的扁锭在800℃下保温2h；
(3)热轧：将均匀化处理后的坯料进行热轧变形，开轧温度800℃，终轧温度≥700℃，热轧道次压下量30％～50％，总变形量80％；
(4)粗冷轧：道次变形量20％～40％，总变形量70％，轧后厚度为10mm；
(5)固溶淬火：在线惰性气体保护固溶淬火，固溶温度1000℃；
(6)一次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量70％，轧后厚度为2.0mm；
(7)一次时效：罩式炉时效，惰性气体保护，温度为500℃，保温1h；
(8)二次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量67％，轧后厚度为1.0mm；
(9)二次时效：罩式炉时效，惰性气体保护，温度为450℃，保温5h；
(10)三次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量50％，轧后厚度为0.5mm。
所制备合金的抗高温软化温度均在500℃以上，强度和导电性能如表2所示。
表2低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金性能
Claims (6)
1.一种低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金，其特征在于：Cr含量为0.10wt％～0.50wt％，Sn含量为0.05wt％～0.50wt％，Zn含量为0.10wt％～0.50wt％，La含量为0.001wt％～0.10wt％，余量Cu。
2.如权利要求1所述低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金，根据需要，还可以添加Mg、Zr、P或Ce中一种或多种微合金化元素，以提升合金的综合性能；微合金化元素的含量为0.00wt％～0.30wt％Mg，0.00wt％～0.20wt％Zr，0.00wt％～0.10wt％P，0.00wt％～0.10wt％Ce。
3.如权利要求1或2所述低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金的制备工艺，其特征在于制备工艺流程为：熔炼→均匀化处理→热轧→粗冷轧→固溶淬火→一次精冷轧→一次时效→二次精冷轧→二次时效→三次精冷轧，具体步骤如下：
(1)熔炼：将按比例配好的电解Cu原料放入熔炼炉中加热至1200℃～1300℃；待完全熔化后，将电解Sn、Cu-Zn、Cu-Cr、Cu-La、Cu-Mg、Cu-Zr、Cu-P、Cu-Ce中间合金加入金属液中，采取在金属表面覆盖烘烤木炭/竹炭防止氧化；将熔炼好的合金熔体静置10～30分钟后除渣，温度保持在1200±10℃；随后浇铸成扁锭，冷却至室温后，去除表面缺陷；
(2)均匀化处理：将去除表面缺陷后的扁锭在800～1000℃下保温1～8h；
(3)热轧：将均匀化处理后的坯料进行热轧变形，开轧温度800℃，终轧温度≥700℃，热轧道次压下量30％～50％，总变形量60％～95％；
(4)粗冷轧：道次变形量20％～40％，总变形量50％～90％；
(5)固溶淬火：在线惰性气体保护固溶淬火；
(6)一次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量30％～80％；
(7)一次时效：罩式炉时效，惰性气体保护；
(8)二次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量20％～70％；
(9)二次时效：罩式炉时效，惰性气体保护；
(10)三次精冷轧：道次变形量10％～30％，总变形量20％～70％。
4.如权利要求3所述低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金的制备工艺，其特征在于步骤(5)所述固溶温度为900～1000℃。
5.如权利要求3所述低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金的制备工艺，其特征在于步骤(7)所述一次时效温度为400～550℃，保温1～5h。
6.如权利要求3所述低铬含量中强高导Cu-Cr-Sn-Zn合金的制备工艺，其特征在于步骤(9)所述二次时效温度为350～500℃，保温2～8h。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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