CN1455823A - 含银的铜合金 - Google Patents

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Abstract

一种具有高强度、超过552MPa的屈服强度、超过80％IACS的高导电率的铜，以重量计，基本上包括：0.15％－0.7％的铬，0.005％－0.3％的银，0.01％－0.15％的钛，0.01％－0.10％的硅，最高达到0.2％的铁，最高达到0.5％的锡，以及余量的铜和不可避免的杂质。当加工路线包括在高于850℃下进行固溶加热退火(14)并且随后通过冷轧(20)形成片材、薄带材，冷轧期间插入罩式退火(22)时，该合金进一步具有基本上各向同性的弯曲特性。结果该合金特别适于形成用于汽车和多媒体应用的盒式电路接头。该合金也适用于形成棒材、线材或型材。

Description

含银的铜合金
发明背景
1. 发明领域
本发明涉及一种含银的铜合金。更具体地说，在还含有铬、钛和硅的铜合金中含有可控制量的银，导致改进的抗应力弛豫性和改进的各向同性的弯曲性能，而对屈服强度或导电性没有不利的影响。
2. 相关技术说明
利用合金的高导电性和/或高导热性，铜合金可以形成众多的产品。这些产品中的一部分包括电路接头、引线框、电线、管子、金属薄片和可以压制成产品的粉末。一种形式的电路接头是一种箱形结构，其是通过将铜合金带材冲压成预定形状，然后弯曲冲压部分以形成接头。接头必须具有高强度和高导电性。除此之外，接头中作为暴露时间和温度函数的正应力下降，通常称作抗应力弛豫性，应该最小。
电路接头的重要性能包括屈服强度、弯曲成形性、抗应力弛豫性、弹性模量、极限抗拉强度和导电性。
这些性能的目标值和其重要性决定于由所研究的铜合金制造的产品的预期用途。对于许多预定用途来说，下述性能的描述具有普遍意义，但是对于有罩汽车的应用来说，其目标值是具体的。
屈服强度是一种应力，在该应力下材料的应力和应变的比例关系发生特定的偏离，通常偏移0.2％。这意味着在该应力下，相对于弹性变形而言，塑性变形占主导地位。理想的是，用作接头的铜合金具有80ksi，约550MPa的屈服强度。
当将外部应力施加在使用中的金属带材上时，例如当将带材弯曲成接头之后施加负载时，应力弛豫变得明显。金属的反应是产生大小相等、方向相反的内部应力。如果金属被限制在应变位置，内部应力将作为时间和温度的函数而降低。这种现象的发生是由于通过显微塑性流动，金属内的弹性应变转变为塑性或永久应变。
铜基电路接头必须在配合件上长时间保持极限接触力以上，以确保良好的电路连接状态。应力弛豫会使接触力降低至临界值以下，从而导致断路。应用铜合金作为接头的目标是当暴露在150℃的温度下1000小时时，保持至少90％的初始应力，当暴露在200℃的温度下1000小时时，保持至少85％的初始应力。
弹性模量，也称作扬氏模量，是金属刚性或硬度的量度，是在弹性区域内应力与应变的比率。因为弹性模量是材料硬度的量度，因此，需要约150GPa的高模量。
弯曲性决定最小弯曲半径(MBR)，其确定金属带材，在沿着弯曲的外侧半径不发生开裂的条件下可以弯曲的程度。MBR是接头的重要性能，因为不同形状的接头需要进行各种角度的弯曲。
以MBR/t表示弯曲成形性，其中t是金属带材的厚度。MBR/t是可以围绕其对金属带材进行弯曲而不失效的心轴最小曲率半径的比率。“心轴”试验在ASTM(美国试验和材料协会)指定的E290-92中进行了详细说明，题目叫做 金属材料延展性的半控制弯曲试验的标准测试方法(Standard Test Method for Semi-Guided Bend Test for Ductility of Metallic Materials)。
要求MBR/t基本是各向同性，弯曲轴与金属带材的轧制方向垂直的“良好方式”，以及弯曲轴与金属带材的轧制方向平行的“不良方式”，均能获得类似结果。要求90°弯曲的MBR/t约为0.5或更少，180°弯曲的MBR/t为约1或更少。
或者，90°弯曲成形性可以利用具有V形凹口的样块和具有所需半径的工作面的冲头来测定。在“V-样块”方法中，将待测试的铜合金回火带材放在样块和冲头之间，当冲头向下驱动进入凹口时，带材发生所需的弯曲。
与V-样块法有关的是180°“成形冲压”法，其中具有圆柱形工作面的冲头用于将铜合金带材弯曲成180°。
V-样块法和成形冲压法都在ASTM指定的B820-98中有具体说明，其题目为 铜合金弹簧材料的成形性的弯曲测试的标准测试方法(Standard Test Method for Bend Test for Formability of Copper Alloy Spring Material)。
对于给定的金属样品，两种方法都能给出可以量化的弯曲性结果，可以使用两种中的任一方法来测定相对弯曲性。
极限抗拉强度是带材在拉伸测试中直到失效之前所能承受的最大载荷的比率，其用最大负荷与带材的横截面积的比率表示。要求极限抗拉强度约85-90ksi，即约585-620MPa。
导电率以％IACS(国际退火铜标准)表示，其中纯铜定义为在20℃具有100％IACS的导电率。要求用于高性能电路接头的铜合金具有至少75％IACS的导电率。更优选，导电率为80％IACS或更高。
一种接近所需性能的铜合金被铜发展协会(CDA)(纽约，NY)确定为C18600。C18600是一种含有铁的铜-铬-锆合金，其公开在美国专利NO.5370840中。以重量计，C18600具有的名义组成为0.3％的铬，0.2％的锆，0.5％的铁，0.2％的钛以及余量的铜和不可避免的杂质。
本专利申请全文，除了另有说明之外，所有的百分比均以重量百分比表示。
铜合金的机械和电性能与处理过程密切相关。如果C18600经过时效退火，33％的冷轧和消除应力退火，则合金获得如下标称性能：73％IACS的导电率；620MPa(90ksi)的屈服强度；利用心轴方法(“辊子弯曲”方法)获得的90°的MBR/t为1.2(良好方式)和3.5(不好方式)，在200℃下1000小时后的应力下降为20％。
美国专利号4,678,637公开了含有铬、钛和硅添加元素的铜合金。该合金被CDA确定为C18070，具有标称组成为0.28％的铬，0.06％的钛，0.04％的硅以及余量的铜和不可避免的杂质。当采用热轧、淬火和具有交替的一次或两次中间钟罩式退火的冷轧进行加工时，合金获得如下标称性能：86％IACS的导电率；72ksi(496MPa)的屈服强度；90％MBR为1.6t(良好方式)和2.6t(不好方式)，和经过在200℃下1000小时，32％的应力损失。
DE 196 00 864 C2公开了一种合金，其含有0.1％-0.5％铬，0.01％-0.25％钛，0.01％-0.1％硅，0.02％-0.8镁和余量是铜和不可避免的杂质。本公开中镁的添加用以改进合金的抗应力弛豫性。
1968年，Finlay的 含银的铜(Silver-Bearing Copper)中指出，添加少量银，约添加最多达到25金衡制盎司/吨常衡制(.085重量百分比)的银，能够在温度最高达到约400℃下，使得经冷加工的铜保持其强度。一种含银的铜合金被CDA确定为铜合金C15500。C15500含有0.027-0.10％的银，0.04-0.08％的磷，0.08-0.13％的镁，余量是铜和不可避免的杂质。在 ASM 手册中报道该合金在退火条件下具有90％IACS的导电率，在弹簧回火条件下具有72ksi(496MPa)的屈服强度。没有报道弯曲成形性和抗应力弛豫性。
尽管上述铜合金获得了接头所要求的某些性能，仍需要改进铜合金，使之更接近所需要的目标，并且更进一步需要利用整体系统评价铜合金，该系统将多个消费者认可的所需性能综合成一个单一的性能标志。
发明概述
所以，本发明的一个目的是提供一种铜基合金，其特别适用于电路接头的应用。本发明的一个特征是该铜基合金含有铬、钛和银。本发明的另一个特征是可以加入铁和锡以促进晶粒细化并且增加强度。本发明的又一个特征是通过包括固溶退火、淬火、冷轧和时效在内的步骤来处理合金以使所需的电性能和机械性能达到最大。本发明的更进一步特征是通过由消费者根据具体接头应用的优选取向来权衡的因素，利用合金性能的整体方法对多个合金性能进行整合。
本发明的一个优点是，本发明的合金可以经过加工具有超过80ksi(550MPa)的屈服强度和超过80％IACS的导电率，使得合金特别适用于形成用于汽车和多媒体的电路接头。本发明合金的有利性能之一是在最高达到200℃的高温下具有增强的抗应力弛豫性。而且更进一步的优点是由合金形成的金属带材具有基本各向同性的弯曲成形性和良好的冲压性，使其特别适用于形成盒式接头。
依据本发明，提供一种铜合金，以重量计，其基本组成为0.15％-0.7％的铬，0.005％-0.3％的银，0.01％-0.15％的钛，0.01％-0.10％的硅，最高达到0.2％的铁，最高达到0.5％的锡，余量是铜和不可避免的杂质。
依据本发明，提供一种形成铜合金的方法，该铜合金具有高导电性，良好的抗应力弛豫性和各向同性的弯曲成形性。该方法包括铸造铜合金的步骤，以重量计，该合金含有0.15％-0.7％的铬，附加所需的合金添加元素，余量是铜和不可避免的杂质。将铜合金成型为带材，该带材采用带材退火方法在850℃到1030℃的温度下固溶退火5秒-10分钟。优选的带材退火时间为10秒-5分钟。然后在最多10秒内将带材从至少850℃温度快冷至低于500℃的温度下。然后以40％-99％的厚度压下量，对快冷后的带材进行冷轧，然后在350℃-550℃的温度下退火1-10小时。
从下面的说明书和附图中可以明显看出上述的目的、特征和优点。
附图中
图1是由本发明的铜合金制造带材的工艺步骤的流程图。
图2是由本发明的铜合金制造线材或棒材的工艺步骤的流程图。
图3和4是用图表举例说明本发明两种相关合金再结晶的晶粒大小与固溶退火温度和固溶退火时间的关系。
发明详述
本发明的合金特别适用于有罩汽车的应用，其中合金所处的环境温度高，电流也较高，产生I2R的热量。除此之外，该合金可用于多媒体的应用，例如计算机或电话，其中运行温度较低，典型地最高大约在100℃下，传输电流信号也较低。
本发明的合金基本上含有：
0.15％-0.7％的铬，
0.005％-0.3％的银，
0.01％-0.15％的钛，
0.01％-0.10％的硅，
最高达到0.2％的铁，
最高达到0.5％的锡，和
余量是铜和不可避免的杂质。
更优选的合金范围是：
0.25％-0.60％的铬，
0.015％-0.2％的银，
0.01％-0.10％的钛，
0.01％-0.10％的硅，
少于0.1％的铁，
最高达到0.25％的锡，和
余量是铜和不可避免的杂质。
最优选的合金组分是：
0.3％-0.55％的铬，
0.08％-0.13％的银，
0.02％-0.065％的钛，
0.02％-0.08％的硅，
0.03％-0.09％的铁，
少于0.05％的锡，和
余量是铜和不可避免的杂质。
如果高强度相对而言特别重要，则钛含量应当为0.05％或更高。如果高导电率相对而言特别重要，则钛含量应当为0.065％或更低。
铬-在时效退火阶段铬微粒会沉淀，因此产生时效硬化并且伴随导电性增加。也认为铬沉淀物通过晶界的第二相钉扎来延迟晶粒生长，稳定了合金的显微组织。为获得这些有益效果，以重量计，要求铬的最小量为0.15％。
当铬的含量超过0.7％时，已接近铬在铜合金中的最大固溶度极限，并且会产生粗大的第二相沉淀物。粗大的沉淀物有害地影响了铜合金的表面质量和电镀特性，也没有更进一步增加合金强度。还认为过量铬不利地影响了再结晶。
银-银促进各向同性的弯曲性能，因此改进用于电路接头的合金的效用。除此之外，银会增加强度，特别是当铬含量处于指定范围的下限，为0.3％或更低时，更是如此。当合金在时效状态时，添加银会改进抵抗高温应力弛豫的性能。
当银含量少于0.005％时，有益的作用不能完全实现。当银含量超过0.3％时，由于银的存在增加的成本在价值上超过了包含它的益处。
钛-钛增强抗应力弛豫性并且增加合金强度。低于0.01％的钛，不能获得这些有益的性能。过多的钛对合金的导电率有不利的影响，这种影响或许比其它任何合金元素更大。为获得至少80％ IACS的导电率，钛的含量应当保持在0.065％或更低。为获得高强度，钛含量应当保持在0.05％或更高。
硅-硅增强抗应力弛豫性和合金强度。当硅含量小于0.01％时，不能获得有益的效果。当硅含量超过0.1％时，在导电率方面的损失在价值上超过抗应力弛豫性的增加。
铁-铁是任选组分，在铸造和加工的条件下，其可以增加合金的强度并且增强晶粒细化。晶粒细化可以改进弯曲成形性。但是，过量的铁会过度降低导电率。80％ IACS的导电率是所需的条件，所以依据最优选的合金组分，应当限定铁含量低于0.1％。
当存在时，铁与钛的比率，以重量计，优选0.7∶1-2.5∶1，更优选0.9∶1-1.7∶1，最优选约1.3∶1。对于某些具体实施例来说，铁与钛的比率，以重量计，优选0.9∶1-1.1∶1，更优选约1∶1。
锡-锡是任选组分，其可以增加合金的强度，但是如果过量存在会降低导电率并且似乎促进应力弛豫。所以，以重量计，合金中存在的锡应当少于0.5％，当需要80％ IACS的导电率时，优选合金中的锡含量少于0.05％。
其它添加元素，在本发明的合金中可以存在其它元素以实现所要求的性能增加，但又不显著降低所需性能例如弯曲成形性，抗应力弛豫性或导电率。这些其它元素的总量多半低于1％，优选低于0.5％。相对于一般性的例外在下面表述。
钴可以取代铁，以重量计，以1∶1的比率添加。
可以添加镁以改进钎焊性和焊料附着力。在加工阶段，镁也能有效增加合金表面的清洁程度。优选镁含量为约0.05％-约0.2％。镁也可以改进合金的抗应力弛豫特性。
可以通过添加硫、硒、碲、铅或铋来增强可切削性，但同时在导电率方面没有显著降低。这些可切削性增强添加元素可以在合金中形成分离相并且不降低导电率。优选含量最高达到3％的铅，约0.2％-约0.5％的硫和约0.4％-0.7％的碲。
优选可以添加约0.001％-约0.1％的脱氧剂。适当的脱氧剂包括硼、锂、铍、钙和单独的稀土元素金属或者含铈的稀土元素金属。形成硼化物的硼是有利的，因其也增加合金的强度。镁，如上文所述，作为脱氧剂也是有效的。
增加强度但降低导电率的添加元素包括铝和镍，其存在量应当少于0.1％。
锆具有与硅结合并且形成粗大硅化锆粒子的倾向。所以，优选合金中基本上不含有锆，仅有杂质量的锆。
本发明合金的加工对于最终的标准合金性能有重要影响。图1以方框图形式示出了一系列加工步骤以获得目标铜合金所需的屈服强度、弯曲成形性，抗应力弛豫性、弹性模量、极限抗拉强度和导电率。认为这些加工步骤对于任何一种含铬的铜合金都有益处。
通过任何适当的工艺，首先对合金进行铸造10。例如，在碳层保护下，阴极铜可以在大约1200℃的温度下，在坩锅或熔炉中熔化。铬，以及，如果需要，其它成合金元素钛、硅、银和铁可以以适当的母合金的形式添加到熔体中以铸成所需组分的铸件。铸件可以经过连续过程，例如带坯连铸或带式连铸，其中铸件在固溶退火14之前，形成具有适于冷轧12的厚度的条材或带材。这种铸件的厚度优选约10.2mm-25.4mm(0.4英寸-1英寸)，然后冷轧成约1.14mm(0.045英寸)的标称厚度。
换句话说，合金可以通过铸造10′成为扁锭，通过热轧16成为带材。典型地，在750℃-1030℃的温度下进行热轧，并且将铸锭的厚度减至稍微高于固溶退火时的厚度。热轧可以是多个道次的，通常用于形成具有大于固溶退火所需厚度的带材。
尽管通过热轧和冷轧加工对铜合金带材的加工进行了描述，但是，本发明的铜合金也可以形成棒材、线材或管材，在这种情况下，所述加工更有可能是拉拔或挤压。
在热轧16之后，带材经过水淬，然后切边和铣削以除去氧化物涂层。然后带材进行冷轧12以达到固溶退火14的尺寸。如果需要，冷轧12可以是单个道次或具有中间退火(如需要)的多个道次。在约400℃-550℃的温度下进行中间退火约4小时-8小时，在加工结束时，产生具有约10微米的细化晶粒和均质的结构的较高强度合金。如果中间退火温度接近全部均质化，在加工过程结束时，合金具有较低强度和粗糙的晶粒发纹。省略中间退火导致合金在加工结束时具有的晶粒大小在25微米-30微米的范围内。为增强再结晶的晶粒结构，优选冷轧步骤赋予带材一定的冷加工度，例如25％-90％的厚度压下比。
在一定的时间和温度下，合金进行固溶退火14以有效获得充分的再结晶，而没有过度的晶粒生长。优选地，最大晶粒尺寸保持在20微米或更小。更优选，最大晶粒尺寸为15微米或更小。应当进一步选择退火时间和温度以有效获得均匀一致的显微结构。所以，如果退火时间太短或温度太低，硬度和显微结构从带材的一部分到其它部分均会不同，导致非各向同性的弯曲性能。过度的退火时间或温度会导致过度的晶粒生长和不良的弯曲成形性。广义上，固溶退火14应当在850℃-1030℃的温度下进行带材退火10秒-15分钟。更优选，固溶退火14在900℃-1000℃的温度下进行15秒-10分钟，最优选在930℃-980℃的温度下进行20秒-5分钟。
图3图示说明了固溶退火(SA)的时间和温度对于具有0.40%铬的铜合金的再结晶和晶粒生长的影响。晶粒大小的报导值是，例如10-15μm。在950℃的温度下，在退火时间为约17秒-约35秒时，可以获得没有过度晶粒生长的再结晶。在少于17秒时只能发生有限的再结晶。超过35秒时，合金会全部再结晶，但是形成的晶粒尺寸在20-25微米之间，当时间超过约40秒时，可以获得30微米一直到最大100微米范围内的晶粒的快速晶粒生长。
图4图示说明了当合金含有0.54％的铬时，固溶退火时间和温度的作用，并且证实增加铬含量能够拓宽退火时间和温度的可接受范围。在950℃下，时间为约7秒一直到约45秒的情况下，可以获得晶粒尺寸为10-15微米的再结晶。但是，尽管晶粒大小受到严格控制，未溶解的铬粒子会变得更大，从而破坏合金性能。
再参考图1，经固溶退火14的合金接下来进行淬火18以保持显微结构的均质性。在20秒或更少的时间内，淬火应当使合金温度从最低850℃和优选超过900℃的固溶退火温度降低到500℃或更低。更优选，淬火速率为在10秒或更少的时间内从900℃降低到低于500℃。
尽管可以利用对于再结晶有效的多次固溶化退火14，但是，优选对再结晶有效的单一的固溶退火。
在淬火18之后，合金经过冷轧20，使带材或薄板厚度减少40％-80％。对于金属箔片，优选通过冷轧，使厚度减少超过90％，或优选最多达到99％。优选，带材或片材经过冷轧，使厚度减少50％-70％，并且采用轧机通过一个道次或多个道次进行，以产生深度冷加工的带材。
然后对合金进行时效热处理22。时效热处理22可以一步完成或者优选两步完成。已经发现，分步时效导致更高的强度和导电率，并且认为通过分步时效也可以改进弯曲成形性。第一时效步骤，如果一步完成则是仅有的步骤，是在约350℃-约550℃的温度下进行1-10小时。优选，第一时效步骤22是在400℃-500℃的温度下进行1-3小时。
如果在多个步骤中进行时效退火，第二步骤退火24是在约300℃-约450℃的温度下进行1-20小时，结果导致增加的导电率而且在强度上没有损失。优选地，第二步骤时效24是在约350℃-约420℃的温度下进行5-7小时。
当例如在汽车应用中要求增强的抗应力弛豫能力时，可以使用时效退火状态的合金。在时效退火之后，合金具有约68ksi(470MPa)的屈服强度和约80％ IACS的导电率。如果还需要更高强度，可以在时效退火步骤22或24之后进行附加的加工步骤。
经时效退火的铜合金带材经过冷轧26以达到最终的标准厚度，典型地大约0.25mm-0.35mm，尽管其目标是使将来的接头具有的厚度约为0.15mm(0.006英寸)或更薄。薄的带材，在约0.15mm(0.006英寸)内，也适用作铜合金的箔产品。通常，冷轧26是通过轧机，采用一个道次或多个道次，使厚度减少10％-50％。
在冷轧26之后，在200℃-500℃的温度下进行10秒-10小时的应力消除退火28。优选，应力消除退火28是在250℃-350℃的温度下进行1小时-3小时。
图2以方框图举例说明特别适用于线材和棒材的制造工艺流程。本发明的铜合金通过适当的工艺铸造30并且挤压32形成具有所需横截面形状的棒材，优选横截面形状是圆形的。热挤压是在700℃-1030℃的温度下进行的，优选在930℃-1020℃的温度下进行。
挤压的棒材进行淬火34，然后经过冷拔(或冷挤压)36以使直径减小最多达98％。然后冷拔的棒材在350℃-900℃的温度下进行1分钟一直到6小时的退火38。冷拔36和退火38的顺序可以额外重复一次或多次，然后经过冷拔(或冷挤压)40以达到最终的尺寸。
尽管单独的性能例如屈服强度，抗应力弛豫性和导电率，对于评价适于用作电路接头的铜合金来说，各自都是重要的，但是，将多种相关性能综合成一个整体数值更有用。这种整体方法可以利用质量功能扩展法(QualityFunction Deployment，QFD。QFD)是发展设计质量的方法论，其目的是令消费者满意，然后将消费者的需求转化为设计目标以应用到整个生产阶段。调查消费者以确定那些对于消费者的应用来说最为重要的性能，并且对每一个性能的相对重要性进行排列。对于每个所需性能，消费者也确定从最低限度可接受的“使人失望的”数值到“所需要的”，一直到“被夸大的”数值范围。在Edwin B.Dean的两篇文章中更加全面地描述了QFD。 Quality Function Deployment from the Perspective of Competitive Advantage(1994年)和Comprehensive QFD from the Perspective of Competitive Advantage(1995年)。两篇文章可以在 http：//mijuno.larc.nasa. gov/dfc/qfd/cqfd.html.下载。
表1列举了打算供汽车使用的铜合金的一系列性能、等级和范围，而表2列举了应用于多媒体的铜合金的类似性能、等级和范围。“等级”是按1-10级划分，10意味着性能值最大，而1意味着性能值最小。
表1汽车和工业接头
性能 相对重要性 失望的Eu(5) 所需的Ei(50) 夸大的Eo(95)
屈服强度 1.0  300MPa  550MPa  800MPa
应力弛豫150°/1000小时200°/1000小时 .82.55.27 30％40％ 10％15％ 5％5％
弹性模量 .66  100GPa  150GPa  200GPa
弯曲性90°-弯曲180°-弯曲 .65.325.325 1xt2xt 0.5xt1xt 在弯曲之前压印0xt0xt
极限抗拉强度 .59  420MPa  680MPa  950MPa
导电率 .46  40％IACS  75％IACS  90％IACS
屈服强度容限 .46  140MPa  50MPa  30MPa
应力弛豫具有的整体相对重要性为.82。对于消费者来说，150℃值的重要性是200℃值的两倍，所以150℃应力弛豫的相对重要性是(.82x.67＝.55)，200℃应力弛豫的相对重要性是(.82x.33＝.27)。90°弯曲和180°相对重要性是相等的，都是(.65x.5＝.325)。90°弯曲值利用V-块法，180°弯曲值利用成形冲压法。
表2多媒体接头
性能 相对重要性 失望的Eu(5)  所需的Ei(50) 夸大的Eo(95)
屈服强度 1.0  400MPa  600MPa  800MPa
弹性模量 .8  90GPa  130GPa  180GPa
弯曲性能90°-弯曲180°-弯曲 .65.325.325 4xt5xt 1xt2xt 0xt0xt
极限抗拉强度 .6  500MPa  700MPa  950MPa
应力弛豫100°/1000小时 .5  40％  15％  5％
导电率 .4  3％IACS  30％IACS  60％IACS
屈服强度容限 .3  140MPa  60MPa  30MPa
90°弯曲和180°相对重要性是相等的，都是(.65x.5＝.325)。90°弯曲值利用V-块法，180°弯曲值利用成形冲压法。
对于汽车和工业应用以及多媒体应用两者来说，本发明的铜合金能够获得的QFD值超过50(所需要的)，表明消费者将发现所研究的铜合金适用于这两种应用场合。
如上面所述，可以将铜合金带材可以成型为电路接头，但是，本发明的合金和加工方法同样适用于形成引线框。引线框需要良好的弯曲性能，因为外部引线需要弯曲成90°角以插入印刷电路板。细化的晶粒结构以及不含粗大颗粒使得合金适于进行均匀的化学蚀刻，该蚀刻是在引线框形成过程中使用的一种加工方法。
如上面所述，可以将铜合金成型为带材，但是，本发明的合金和加工方法同样适用于形成电学场合所用的棒材、线材和型材。合金的高杨氏模量是高刚性的先决条件，大约140GPa。以弯曲性为代价，通过延伸中间轧制或拉拔达到最大98％的厚度压下量以及在350℃-900℃的温度下，在1分钟-6小时内，进行一次或多次中间退火，可以获得较高的导电率和较高的强度。
从下面的实施例中可以更加明显地看出本发明铜合金的优点。
实施例
实施例1
铜合金，具有标称的组成为：0.55％的铬，0.10％的银，0.09％的铁，0.06％的钛，0.03％的硅，0.03％的锡以及余量的铜和不可避免的杂质，通过熔化铸造成铸锭。对铸锭进行机械加工和在980℃下热轧，经过淬火和加工处理得到1.1mm厚度的带材。将带材切割成长度约为300mm的片，在950℃下浸入熔融盐槽中20秒，然后用水淬火以达到室温(标称为20℃)。铣削切割带材的表面以除去表面氧化物，然后冷轧以得到0.45mm的中间规格，在470℃下加热处理1小时，然后在390℃下加热处理6小时。之后，轧制带材达到最终0.3mm的规格，并且在280℃下进行消除应力退火2小时。
最终的产品显示如下性能：
屈服强度＝84ksi(580MPa)；
弹性模量＝145GPa；
90°度弯曲半径0xt(V-块法，显微照相检验显示没有裂纹)；
180°度弯曲半径0.8xt(成形冲压法，显微照相检验显示没有裂纹)；
应力弛豫-
在100℃下暴露1000小时之后，应力损失6％，
在150℃下暴露1000小时之后，应力损失13％，和
在200℃下暴露1000小时之后，应力损失22％；
极限抗拉强度86ksi(593MPa)；和
导电率79％ IACS。
对于汽车和工业应用来说，该合金具有的QFD等级为54，参见表12，对于多媒体应用来说，其等级为64，参见表11。
实施例2
具有如表3所示组分的七种铜合金进行熔化并在钢铸模中铸造成4.5千克(10磅)的铸锭。浇注之后，铸锭尺寸为102mm×102mm×44.5mm(4″×4″×1.75″)。在950℃下将铸锭保温2小时，然后以六个道次热轧成12.7mm(0.50″)的厚度，并水淬。切边和铣削以除去氧化层之后，合金经过冷轧达到1.14mm(0.045″)的标称厚度，在950℃下在流化床炉中固溶加热处理20秒，然后水淬。
然后顺序采用几个道次冷轧合金达到60％厚度的缩减量，达到0.46mm(0.018″)的厚度，然后进行双时效退火，其包括在470℃下，1小时的第一静态退火，然后是在390℃下，6小时的第二静态退火。这种加热处理可以硬化合金，同时增加导电率使其大于冷轧态的值，而没有使显微组织再结晶。然后将合金冷轧，使其厚度缩减33％，达到0.30mm(0.012″)，在280℃下进行2小时的消除应力退火。如表4所示，本发明的合金接近市场欢迎的552MPa(80ksi)屈服强度和80％ IACS的导电率的标称组合。
表3
   Cr   Ti   Si  Ag  Fe  Sn
 J306  0.32  0.060  0.020  X  X  X
 J308  0.50  0.048  0.020  0.046  X  X
 J310  0.53  0.057  0.015  0.10  X  X
 O  0.3  0.06  0.03  0.1  X  X
 E  0.3  0.06  0.03  X  X  X
 BT  0.50  0.06  0.03  0.1  0.06  0.10
 BU  0.50  0.06  0.03  X  0.06  0.10
 K005  0.30  0.06  0.03  X  X  X
 K007  0.40  0.05  0.04  0.10  0.07  0.04
 K008  0.54  0.06  0.03  0.1  0.01  X
X＝仅存在杂质含量
表4
合金 条件 YSKsia   MPa  UTSKsi      MPa 延伸率％ 导电率％IACS
冷轧 62    427  64       441  2  44.7
 J308 时效 72    496  76       524  9  84.3
消除应力退火 79    545  81       558  2  83.2
冷轧 62    427  64       441  2  41.8
 J310 时效 72    496  76       524  8  79.7
消除应力退火 81    558  82       565  3  77.3
合金O和E采用与合金J308和J310基本相同的方法进行加工，只是在1000℃下进行12小时的均质化退火之后开始热轧，在900℃下在盐槽中进行90秒的固溶热处理，然后水淬，在500℃时效处理1小时。获得了时效态的0.2mm规格(方法A)和0.3mm规格(方法B)的拉伸和导电性能，表明(表5)，在0.3％铬水平下添加银导致强度增加。
表5
合金 方法 YSKsi         MPa  UTSKsi    MPa 延伸率％ 导电率％IACS
 O  A  67.6        466.1  72.1   497.1  12  78.6
 E  A  63.2        435.8  68.3   470.9  8  80.3
 O  B  66.7        459.9  71.5   493.0  11  78.1
 E  B  64.4        444.0  69.3   477.8  12  80.3
合金BT和BU采用与合金O和E基本相同的方法进行加工，只是时效处理包括两阶段退火，第一阶段在470℃下进行1小时，第二阶段在390℃下进行6小时。测定时效态的拉伸强度和导电性能，如表6所示，表明在0.5％的铬水平下添加银导致应力弛豫下降(抗应力弛豫性增加)。
表6
合金  YSKsi    MPa  UTSKsi       MPa 延伸率％ 导电率％IACS 在1000小时下的应力弛豫量(％)
  100℃    150℃  200℃
 BT  70.1   483.3  74.8      515.7  9   79.1    2.4    4.8  10.9
 BU  70.2   484.0  74.8      515.7  11   80.0    3.9    7.3  11.7
实施例3
表7A和7B表示本发明的组成和加工方法能够导致改进的弯曲性能。如表7A所示，当用固溶热处理(SHT)加工时，本发明的合金J310具有各向同性的弯曲性能，而不含银的对照合金J306具有稍微各向异性的弯曲性能。当用罩式退火(BA)并插入冷轧压下来加工对照合金K005时，其具有各向异性和较差的弯曲性能。采用心轴法评价表7A中合金J306、J310和K005的弯曲性能，已发现，该方法得到的弯曲值比V-块法至少高0.5倍。
当在850℃-1030℃下使合金K007和K005进行1-24小时的均质化步骤时，在600℃-1000℃的温度下进行热轧，然后在每分钟50℃-1000℃的冷却速率下淬火。这些步骤之后，进行压下量最多99％的冷轧，冷轧期间插入一次或两次的在350℃-500℃的温度下至多10小时的罩式退火(常规BA方法)。表7B表明采用常规BA方法，含银的合金K007具有更好的弯曲性能。在表7B中记录的合金的弯曲值是采用V-块法测定的。
表7B表明当采用常规的罩式退火(BA)方法或采用固溶热处理(SHT)方法处理时，与商品合金K005相比，本发明的合金K007和K008具有更好的弯曲性能。相对于常规BA方法，采用新方法(SHT)可以得到更好的弯曲成形性和各向同性值。
表7A
合金 方法  YSKsi    MPa  UTSKsi    MPa 延伸率％ 导电率％IACS  90°的MBR/tGW/BW  ％SR150℃/1000h
 J310  SHT  81    558  82    565  3  77.3  1.2/1.2  14
 J306  SHT  78    538  80    552  3  78.2  1.2/0.8 未测试
 K005  BA  72    496  81    558  10  86.6  1.6/2.6  30
表7B
合金 方法  YSKsi    MPa  UTSKsi    MPa 延伸率％ 导电率％IACS  90°的MBR/tGW/BW ％SR150℃/1000h
K005  BA  78    538  84    579  10  84.5  1.7/4.0 未测试
K007  BA  78    538  82    565  10  80.2  0.5/2 未测试
K005  SHT  74    510  78    538  8  81.4  0.5/0.5  12
K008  SHT  78    538  81    558  8  81.9  0/0  15
支持以测量值为函数的等级的计算结果表明，由不同合金或回火带来的要求值的提高是可测定的。
为此，使用s-形状的数学函数。在失望限内获得的等级应当低，例如5％。接近所需性能的等级应当达到约50％，并且随着测定性能的微小改变应当显示急剧的增加或减少。在夸大限度内，要求超额满足。等级应当达到95％。更进一步的改进不能使消费者的满意度过多改善。性能上改变仅会导致等级的微小改变。
为此，我们使用成比例的arc tan-函数w(f(x))。该函数限定在有效性能的最低值(Xmin)和最高值(Xmax)之间。在此将等级w(f(x))分别设定为0或100％。在这些等级值f(x)之间，给定的两个点将形成s-函数。
f(x＝50+(100/B)·arc tan(c1·(x+c2))
通过(x1，f(x1))和(x2，f(x2))设定的两个等级可以计算常数c1和c2。这些设定值通过判定等级的适当特性来决定。w(f(x))＝w(f(xmin))+(w(f(xmax))-w(f(xmin)))·(f(x)-f(xmin))/(f(xmax)-f(xmin))
其中x是经详细测定的性能的实际值。w(f(x))表示性能的等级。
性能整体的整体等级通过将每种有效性能的等级乘以由QFD确定其相对重要性的指定值获得。将这些结果相加，并且除以相对重要性所有值之和。
通过这种方法，性能的整体等级可以以百分比的结果表示，完全夸大时为100％。理想的结果(中数)显示约为50％。整体等级是在最客观的基础上比较合金和回火的有用工具。用于多媒体应用的数值列于表8，用于汽车应用的数值列于表9。
表8用于多媒体应用的QFD-计算法
性能                                   设定值        计算的常数     校正结果
  X1  f(x1)   X2    f(x2)   xmin  xmax   w(fxmin) w(fxmax)   c1   c2  x   w(f(x))
屈服强度(MPa)   400   5   600   50   150  1000   0   100   0.03157   -600  600   50.15
弹性模量(Gpa)   90   5   130   50.0001   90  220   0   100   0.1578   -130  130   48.51
弯曲性能I(1) 4 5 1 50.0001 0 5 100 0 -2.105 -1 1 56.31
弯曲性能II(1)   5   5   2   50.0001   0  6   100   0   -2.105   -2   2   52.06
极限抗拉强度(MPa)   500   5   700   50.0001   300  1200   0   100   0.03157   -700   700   49.74
应力弛豫(％)   40   5   15   50.0001   2  70   100   0   -0.2526   -15   30   48.95
屈服强度容限(MPa)   140   5   60   50.0001   10   100   100   0   -0.07892   -60   60   52.82
导电率(％IACS)   3   5   30   50.0001   1   80   0   100   0.2338   -30   30   48.95
表9用于汽车和工业应用的QFK-计算法：参数
性能                                       设定值      计算的常数     校正结果
 f(x1) X2 f(x2) xmin  xmax  w(fxmin) w(fxmax)    c1  c2  x  w(f(x))
屈服强度(MPa) 300  5  550  50  150  1000  0  100  0.02526 -550  550  49.82
应力弛豫1(％) 10  50.0001  40  5  2  70  100  0  -0.2105 -10  10  59.04
应力弛豫2(％) 15  50.0001  30  5  2  70  100  0  -0.4209 -15  15  52.36
弹性模量(Gpa) 100  5  200  95  90  220  0  100  0.1263 -150  150  49.68
弯曲性能I(1) 0  95  1  5  0  5  100  0  -12.63 -0.5  0.5  52.35
弯曲性能II(1) 2  5  0  95  0  5  100  0  -6.314 -1  1  52.0
极限抗拉强度(MPa) 420  5  680  50.0001  250  1200  0  100  0.02428 -680  680  49.72
导电率(％IACS) 40  5  75  50.0001  5  100  0  100  0.1804 -75  75  52.45
屈服强度容限(MPa) 140  5  50  50  10  200  100  0  -0.07015 -50  50  54.58
表10表明：具有如表2所示所需标称性能的铜合金具有的QFD等级为51。表11表明：应用于多媒体场合时实施例1的铜合金具有的QFD值为64，表12表明：应用于汽车和工业场合时该合金具有的QFD值为54。
显然，根据本发明已经提供了一种铜合金，其特征在于具有高强度和高导电特性，特别适于用作电路接头，其完全满足上文所述的目标、方式和优点。尽管结合其特定具体实施方案和实施例来阐述本发明，但是，根据前面的叙述，对于本领域技术人员来说，许多替代、修改和变化是显而易见的。因此，本发明意图包括所有这种替代、修改和变化，只要它们处于所附的权利要求的精神和广阔范围内。
表10--效果评价--多媒体应用
性能 参数 测量值 等级 相对重要性  特性
Y.S. MPa  600.00  50.15  1.0  50.15
弹性模量 GPa  130.00  48.51  0.8  38.81
弯曲性能I MBR/t  1.00  56.31  0.325  18.30
弯曲性能II  MBR/t  2.00  52.06  0.325  16.92
U.T.S. MPa  700.00  49.74  0.6  29.84
S.R. 在100℃/1000小时的％损失  15.00  54.03  0.5  27.02
导电性 ％IACS  30.00  48.95  0.4  19.58
Y.S.容限 MPa  60.00  52.82  0.3  15.85
总体特性 216.46
最大值 425.00
总体等级 51
弯曲性能(表1，2，10，11，12是用于90°弯曲的V-块法和用于180°弯曲的成形冲压法)
特性＝等级x相对特性
总体特性＝∑特
最大值＝当所有的测量值都被夸大时的总体特性，参见表1和2
总体等级＝(总体特性/最大值)×100
表11实施例1合金的评价-多媒体应用
性能 参数 测量值 等级 相对重要性 特性
Y.S. MPa  580.00  31.33  1.0  31.33
弹性模量 GPa  145.00  88.70  0.8  70.96
弯曲性能I MBR/t  0.00  100.00  0.325  32.50
弯曲性能II MBR/t  0.80  94.85  0.325  30.83
 U.T.S. MPa  593.00  6.96  0.6  4.18
 S.R. 在100℃/1000小时的％损失  6.00  95.72  0.5  47.86
导电率 ％IACS  79.00  99.94  0.4  39.98
 Y.S.容限 MPa  60.00  52.82  0.3  15.85
总体特性 273.47
最大值 425.00
总体等级 64
表12实施例1合金的评价-汽车应用
性能  参数 测量值 等级 相对重要性 特性
 Y.S.  MPa  580.00  71.76  1.0  50.15
 S.R.I ％损失150°/1000h  13.00  36.75  0.55  38.81
 S.R.II ％损失200°/1000h  22.00  9.73  0.27  18.30
 M.E.  GPa  145.00  49.68  0.66  16.92
 弯曲性能I  MBR/t  0.00  100.00  0.325  29.84
 弯曲性能II  MBR/t  0.80  82.59  0.325  27.02
 U.T.S  MPa  593.00  11.68  0.59  19.58
 导电率  ％IACS  79.00  74.42  0.46  15.85
 Y.S.容限  MPa  50.00  54.58  0.46  25.11
总体特性 251.94
最大值 462.70
总体等级 54

Claims (43)

1.一种铜合金，以重量计，基本组成为：
0.15％-0.7％的铬，
0.005％-0.3％的银，
0.01％-0.15％的钛，
0.01％-0.10％的硅，
最高达到0.2％的铁，
最高达到0.5％的锡，和
余量的铜和不可避免的杂质。
2.权利要求1的铜合金，以重量计，基本组成为：
0.25％-0.6％的铬，
0.015％-0.2％的银，
0.01％-0.08％的钛，
0.01％-0.10％的硅，
少于0.1％的铁，
最高达到0.25％的锡，和
余量的铜和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2的铜合金，其具有最高0.065％的钛。
4.权利要求1或2的铜合金，其具有最高0.05％的钛。
5.权利要求2的铜合金，以重量计，基本组成为：
0.3％-0.55％的铬，
0.08％-0.13％的银，
0.02％-0.065％的钛，
0.02％-0.05％的硅，
0.03％-0.09％的铁，
少于0.05％的锡，和
余量的铜和不可避免的杂质。
6.权利要求1，2或5任意之一的铜合金，其特征在于，以重量计，铁与钛的比率，Fe∶Ti是0.7∶1-2.5∶1。
7.权利要求6的铜合金，其特征在于，Fe∶Ti是0.9∶1-1.7∶1。
8.权利要求1，2或5任意之一的铜合金，其特征在于，以重量计，在1∶1的基础上，钴代替至少部分铁。
9.权利要求1，2或5任意之一的铜合金，其具有的质量功能扩展值，即QFD值，对于汽车和多媒体应用来说都超过50。
10.权利要求9的铜合金，更进一步含有，以重量计，0.05％-0.2％的镁。
11.权利要求9的铜合金，形成为电路接头。
12.权利要求9的铜合金，形成为引线框。
13.权利要求1，2或5任意之一的铜合金，形成为棒材。
14.权利要求1，2或5任意之一的铜合金，形成为线材。
15.一种形成铜合金的方法，该铜合金具有高导电率，良好的抗应力弛豫性和各向同性的弯曲性能，其特征在于包括如下步骤：
铸造(10’，30)铜合金，以重量计，该铜合金含有0.15％-0.7％的铬，余量的铜和不可避免的杂质，
在700℃-1030℃的温度下热加工(16，32)所述铜合金；
冷加工(20，36)所述铜合金，使其厚度减少40％-99％；和
在350℃-900℃的温度下进行1分钟-10小时的第一次时效退火中，使所述铜合金退火(22，38)。
16.权利要求15的方法，其特征在于所述铸造(10’，30)铜合金更进一步含有0.005％-0.3％的银，0.01％-0.15％的钛，0.01％-0.10％的硅，最高达到0.2％的铁和最高达到0.5％的锡。
17.权利要求16的方法，其特征在于所述热加工(16)是在750℃-1030℃的温度下进行热轧以形成带材，在所述热加工(16)和所述冷加工(20)之间，在850℃-1030℃的温度下，在10秒-15分钟内进行固溶退火(14)，然后从超过850℃的温度淬火(18)至低于500℃的温度下。
18.权利要求17的方法，其特征在于在900℃-1020℃的温度下进行所述热轧(16)，然后用水淬火。
19.权利要求17的方法，其特征在于所述固溶退火步骤(14)是在900℃-1000℃的温度下进行15秒-10分钟的带材退火。
20.权利要求19的方法，包括在所述第一次时效退火(22)之后进行的第二次时效退火(24)，其特征在于所述第二次时效退火是在300-450℃的温度下进行1小时-20小时。
21.权利要求20的方法，其特征在于所述第一次时效退火(22)是在350-550℃的温度下进行1小时-10小时。
22.权利要求21的方法，包括在所述第二次时效退火(24)之后形成具有改进的抗应力弛豫性的电路接头的步骤。
23.权利要求19的方法，包括在所述第一次时效退火(22)之后进行冷轧(26)和消除应力退火(28)的步骤。
24.权利要求23的方法，其特征在于在所述第一次时效退火(22)之后进行的冷轧(26)使厚度减少10-50％，所述的消除应力退火(28)是在200℃-500℃的温度下进行10秒-10小时。
25.权利要求21的方法，包括在所述第二次时效退火(24)之后进行的冷轧(26)和消除应力退火(28)的步骤。
26.权利要求25的方法，其特征在于在所述第二次时效退火(24)之后进行的冷轧(26)使厚度减少10-50％，所述的消除应力退火(28)是在200℃-500℃的温度下进行10秒-10小时。
27.权利要求24或权利要求26的方法，包括在所述消除应力退火(28)之后由所述铜合金形成电路接头的步骤。
28.一种形成铜合金的方法，该铜合金具有高导电率，良好的抗应力弛豫性和各向同性的弯曲性能，其特征在于包括如下步骤：
通过连续的方法铸造(10)铜合金，以重量计，该铜合金含有0.15％-0.7％的铬，余量的铜和不可避免的杂质，借此将所述铜合金铸造成为厚10.2mm-25.4mm的带材；
将所述带材冷轧(12)至有效进行带材固溶退火(14)的厚度；
在850℃-1030℃的温度下，在10秒-15分钟内固溶退火(14)所述带材；
从超过850℃的温度淬火(18)所述经固溶退火(14)的带材到低于500℃的温度；
冷加工(20)所述铜合金以使厚度减少40％-80％；和
在350℃-900℃的温度下，进行1分钟-10小时的第一次时效退火(22)中退火所述铜合金。
29.权利要求19的方法，其特征在于所述铸造步骤(10’)形成矩形铸锭，通过热轧(16)，然后进行引入冷加工的冷轧步骤(12)将铸锭压缩为带材。
30.权利要求29的方法，其特征在于在所述引入冷加工的冷轧步骤(12)将所述带材的厚度减少25％-90％。
31.权利要求30的方法，包括在所述冷加工(12)引入步骤之后的消除应力的退火步骤(28)，所述应力退火步骤是在200℃-500℃的温度下，在10秒-10小时内进行的。
32.权利要求31的方法，包括在所述消除应力退火步骤(28)之后形成具有高强度和高导电性的电路接头的步骤。
33.权利要求16的方法，其特征在于所述热加工(32)是在700℃-1030℃的温度下挤压形成所述铜合金的棒材。
34.权利要求33的方法，其特征在于所述热挤压(32)在930℃-1020℃的温度下进行，然后用水淬火(34)。
35.权利要求33的方法，其特征在于所述冷加工(36)是厚度减少量最多达到98％的挤压，并且所述退火(38)是在350℃-900℃的温度下，在1分钟-6小时内进行的。
36.权利要求35的方法，其特征在于所述冷加工(36)和所述退火(38)至少再重复进行一次。
37.权利要求36的方法，其特征在于所述棒材在所述后一个退火步骤(38)之后，经过冷挤压(40)使厚度减少量最多达到98％。
38.权利要求33-37任意之一的方法，包括形成具有高强度和高导电率的线材。
39.权利要求15的方法，其特征在于所述热加工是在750℃-1030℃的温度下热轧(16)形成带材，并在所述热加工(16)和所述冷加工(20)之间，在850℃-1030℃的温度下，在10秒-15分钟内进行固溶退火(14)，然后从超过850℃到低于500℃的温度进行的淬火(18)。
40.权利要求39的方法，其特征在于所述第一次时效退火(22)是在350℃-550℃的温度下进行1小时-10小时。
41.权利要求40的方法，其特征在于所述第一次时效退火(22)在400℃-500℃的温度下进行，第二次时效退火在350℃-420℃的温度下进行。
42.权利要求40的方法，包括所述第一次时效退火之后的冷轧(26)和消除应力退火(28)的步骤。
43.权利要求42的方法，其特征在于在所述第一次时效退火(22)之后进行的冷轧(26)使厚度减少10％-50％，所述消除应力退火(28)在200℃-500℃的温度下进行10秒-10小时。
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