KR20210059699A - 고 강도 및 고 전기 전도성을 갖는 구리-니켈-규소 합금 - Google Patents

고 강도 및 고 전기 전도성을 갖는 구리-니켈-규소 합금 Download PDF

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KR20210059699A
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Abstract

베릴륨을 함유하지 않으며, 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전기 전도성을 갖는 구리 합금이 개시된다. 상기 구리 합금은 니켈, 규소, 크롬, 망간, 지르코늄 및 잔량의 구리를 함유한다. 합금은 냉간 가공, 용체화 어닐링 및 시효에 의해 제조된다. 합금은 예를 들어 열 싱크로서 사용될 수 있다.

Description

고 강도 및 고 전기 전도성을 갖는 구리-니켈-규소 합금
관련 출원의 교차 참조
본원은 그 전문이 본원에 참고로 포함된 미국 가출원 제62/696,915호(출원일: 2018년 7월 12일)를 우선권 주장한다.
본원은 고 항복 강도(yield strength) 및 고 전기 전도성의 조합을 갖는 구리 합금에 관한 것이다. 또한, 이러한 합금의 제조 방법 및 사용 방법, 및 이로부터 생산한 물품이 개시된다.
비교적 높은 0.2% 오프셋 항복 강도(0.2% offset yield strength) 및 높은 전기/열 전도성의 조합을 갖는 구리 합금은 달성하기에 어렵다. 구리-베릴륨 합금은 이러한 특성을 가지나, 베릴륨의 존재가 바람직하지 않은 많은 적용례가 존재한다. 따라서, 특히 이러한 목적하는 특성을 갖는 추가적 구리 합금에 대한 필요성이 존재한다.
고 0.2% 오프셋 항복 강도 고 전기/열 전도성의 조합을 갖는 구리-니켈-규소 합금이 본원에 개시된다. 합금은 적어도 니켈, 규소, 크롬, 망간, 지르코늄 및 구리를 함유한다. 바람직하게, 합금은 베릴륨 및/또는 기타 특정 금속을 함유하지 않는다. 합금은 냉간 가공(cold working)된 후에, 용체화 어닐링(solution annealing)되어 미세 입도를 생성하고, 이어서 시효(aging)되어 다양한 석출물, 예컨대 NiSi 및 CrZrSi 석출물을 형성한다. 이는 입계 상에 나타나는 석출물에 의해 전위 망을 형성하여 미세 입도를 고정시킨다. 특정 실시양태에서, 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전기 전도성을 갖는다. 이러한 합금은 특히 적용례, 예컨대 열 관리에서 및 고 강도 및 성능 전기 커넥터로서 유용하다.
다양한 실시양태에서, 약 1.0 내지 약 4 중량%의 니켈; 약 0.2 내지 약 2 중량%의 규소; 약 0.1 내지 약 1 중량%의 크롬; 약 0.05 내지 약 0.5 중량%의 망간; 약 0.01 내지 약 0.2 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함하는 구리 합금이 본원에 개시되되; 상기 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는다.
특정 실시양태에서, 합금은 약 1.2 내지 약 1.4 중량%의 니켈; 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 규소; 약 0.25 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 크롬; 약 0.08 내지 약 0.12 중량%의 망간; 약 0.02 내지 약 0.06 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함한다.
구리 합금은 일반적으로 베릴륨, 티타늄, 철, 코발트, 마그네슘 또는 붕소를 함유하지 않는다.
구리 합금은 88 ksi 이상의 극한 인장 강도(ultimate tensile strength)를 가질 수 있다. 구리 합금은 20×106 psi 이상의 탄성률(elastic modulus)을 가질 수 있다. 구리 합금은 8% 이상의 총 연신율(% total elongation)을 가질 수 있다. 구리 합금은 적어도 5 내지 약 15%의 연성(ductility)을 가질 수 있다. 구리 합금은 0.4/1 이하의 성형성 비(formability ratio)를 가질 수 있다. 구리 합금은 규소, 크롬, 니켈 및 망간으로부터 형성된 규화물을 함유할 수 있다.
일부 실시양태에서, 구리 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 48% IACS 이상의 전도성 및 8% 이상의 %TE를 갖는다.
다른 실시양태에서, 구리 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 49% IACS 이상의 전도성 및 90 ksi 이상의 극한 인장 강도를 갖는다.
또한, 베릴륨을 함유하지 않으며 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는 구리 합금의 제조 방법이 본원에 개시된다. 상기 방법은, 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금을 약 80 내지 약 95%의 냉간 가공률(% CW)까지 냉간 가공하는 단계; 상기 냉간 가공된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금을 용체화 어닐링하는 단계; 상기 용체화 어닐링된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금을 시효하여 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는 구리 합금을 수득하는 단계를 포함한다.
용체화 어닐링은 약 900℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 약 5 내지 약 20분 동안 수행될 수 있다.
시효는 약 400℃ 내지 약 460℃의 온도에서 약 6 내지 약 60시간 동안 수행될 수 있다. 보다 구체적인 실시양태에서, 시효는 약 400℃ 내지 약 460℃의 온도에서 약 6 내지 약 18시간 동안 수행된다. 또한, 이러한 방법에 의해 형성된 구리 합금이 개시된다.
또한, 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금으로부터 형성된 물품이 본원에 개시되되, 상기 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는다.
특히, 물품은 열 싱크(heat sink); 전기 커넥터(electrical connector); 전자 커넥터(electronic connector); 와이어링 하니스 단자(wiring harness terminal); 전기 자동차 충전기 콘택트(charger contact); 고 전압/전류/전력 단자 콘택트(terminal contact); 전원 커넥터 콘택트; 미드플레인 커넥터(midplane connector); 백플레인 커넥터(backplane connector); 카드 엣지 커넥터(card edge connector); 광전지 시스템 커넥터; 어플라이언스 전원 콘택트(appliance power contact); 컴퓨터 전원 콘택트; 열 분산기(heat spreader); 부싱 또는 베어링 면(bushing or bearing surface); 또는 전자 장치 또는 전기 장치의 부품일 수 있다.
또한, 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 스트립으로부터 물품을 스탬핑하는 단계를 포함하는, 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 사용 방법이 개시된다.
본원의 상기 특징 및 기타 비제한적인 특징이 하기에 보다 특정하게 개시된다.
하기는 도면의 간단한 설명으로서, 이는 제한의 목적이 아닌 본원에 개시된 예시적 실시양태를 예시하기 위한 목적으로 제공된다.
도 1은 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 광학 사진이다.
도 2는 후방 산란된 전자 주사 전자 현미경법(BSE SEM)에 의해 수득한 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 이미지이다.
도 3은, 800℉에서 시효된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 그래프로서, 좌측 y-축 상에 0.2% 오프셋 항복 강도(ksi)를 나타내고, 우측 y-축 상에 국제연동표준(International Annealed Copper Standard) 퍼센트(% IACS)로서 전도성을 나타낸다. 샘플을 3, 6, 12, 18 및 24시간의 시간 간격(x-축 상에 표시함)으로 시효하였고, 측정을 각각의 시간 간격으로 시효한 후에 수행하였다. 좌측 y-축은 0 ksi로부터 100 ksi까지 10의 간격으로 이어진다. 우측 y-축은 0% IACS로부터 60% IACS까지 10의 간격으로 이어진다.
도 4는 815℉에서 시효된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 그래프로서, 좌측 y-축 상에 0.2% 오프셋 항복 강도(ksi)를 나타내고, 우측 y-축 상에 전도성(% IACS)을 나타낸다. 샘플을 3, 6, 12 및 18시간의 시간 간격(x-축 상에 표시됨)으로 시효하였고, 측정을 각각의 시간 간격으로 시효한 후에 수행하였다. 좌측 y-축은 0 ksi로부터 100 ksi까지 10의 간격으로 이어진다. 우측 y-축은 0% IACS로부터 60% IACS까지 10의 간격으로 이어진다.
도 5는 825℉에서 시효된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 그래프로서, 좌측 y-축 상에 0.2% 오프셋 항복 강도(ksi)를 나타내고, 우측 y-축 상에 전도성(% IACS)을 나타낸다. 샘플을 3, 6, 12 및 18시간의 시간 간격(x-축 상에 표시됨)으로 시효하였고, 측정을 각각의 시간 간격으로 시효한 후에 수행하였다. 좌측 y-축은 0 ksi로부터 100 ksi까지 10의 간격으로 이어진다. 우측 y-축은 0% IACS로부터 60% IACS까지 10의 간격으로 이어진다.
첨부된 도면을 참조하여 본원에 개시된 구성 요소, 방법 및 장치에 대해 보다 완전히 이해할 수 있다. 이들 도면은 단지 편의성 및 본원 시연의 용이성에 기초한 개략적 표현일 뿐이며, 따라서 장치 또는 이의 구성 요소의 상대적인 크기 및 치수를 나타내고/내거나 예시적인 실시양태의 범위를 한정하거나 제한하기 위한 것이 아니다.
특정 용어를 하기 설명에서 명확성을 위해 사용하였으나, 이들 용어는 도면의 예시를 위해 선택된 실시양태의 특정 구조만을 지칭하기 위한 것이며, 본원의 범위를 한정하거나 제한하기 위한 것이 아니다. 도면 및 하기의 설명에서, 유사한 숫자 지정은 유사한 기능의 구성 요소를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
문맥에서 달리 명시하지 않는 한, 단수형은 복수 지시대상을 포함한다.
본원 및 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함하다", "포함시키다", "가짐", "가지다", "할 수 있다", "함유하다" 및 이들의 변형은 언급된 성분/단계의 존재를 필요로 하고 다른 성분/단계의 존재를 허용하는 개방형의 변천적 어구, 용어 또는 단어인 것으로 의도된다. 그러나, 이러한 서술은 또한 열거된 성분/단계로 "구성"되는 것 및 "본질적으로 구성"되는 것으로서 조성물 또는 공정을 기술하는 것으로 해석되어야 하며, 이는 언급된 성분/단계의 존재, 및 이로부터 발생할 수 있는 불가피한 불순물의 존재만을 허용하며, 다른 성분/단계는 배제한다.
본원 및 특허청구범위의 수치 범위는 동일한 수의 유효 숫자로 축소했을 때와 동일한 수치 범위, 및 값을 결정하기 위해 본원에 기재된 유형의 종래 측정 기술의 실험 오차보다 적게 언급된 수치와 상이한 수치 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 개시된 모든 범위는 언급된 종점을 포함하며 독립적으로 조합가능하다(예를 들어 "2 내지 10 g"의 범위는 종점인 2 g 및 10 g, 및 모든 중간 값을 포함한다).
"약" 및 "실질적으로"와 같은 용어로 수식된 값은 명시된 정확한 값에 제한되지 않는다. 근사치를 나타내는 용어는 값을 측정하기 위한 기기의 정밀도에 상응할 수 있다. 또한, 수식어 "약"은 2개의 종점의 절대 값에 의해 한정되는 범위를 개시하는 것으로서 간주되어야 한다. 예를 들어, 용어 "약 2 내지 약 4"는 또한 "2 내지 4"의 범위를 개시한다. 용어 "약"은 지시된 숫자의 +/-10%를 지칭할 수 있다.
본원은 특정 공정 단계의 온도를 언급할 수 있다. 이는, 일반적으로 열원(예를 들어 퍼낸스)이 설정된 온도를 지칭하며, 열에 노출된 물질에 의해 달성되어야 하는 온도를 반드시 지칭하는 것이 아님에 주의한다.
본원은 니켈, 규소, 크롬, 망간 및 지르코늄을 함유하는 구리 합금에 관한 것이다. 이러한 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성, 및 용이하게 얻어지지 않는 강도 및 전기 전도성의 조합을 갖는다. 이는 열 관리 적용례에서의 사용을 가능하게 한다. 바람직하게, 합금은 성형가능하고 스탬핑가능하고 베릴륨을 미함유한다.
니켈은 약 1.0 내지 약 4 중량%의 니켈, 예컨대 약 1.0 내지 약 2.0 중량% 또는 약 1.2 내지 약 1.4 중량%의 니켈의 양으로 구리 합금에 존재할 수 있다.
규소는 약 0.2 내지 약 2 중량%, 예컨대 약 0.2 내지 약 1 중량% 또는 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 양으로 구리 합금에 존재할 수 있다.
크롬은 약 0.1 내지 약 1 중량%, 예컨대 약 0.1 내지 약 0.4 중량%, 약 0.25 중량% 또는 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 양으로 구리 합금에 존재할 수 있다.
망간은 약 0.05 내지 약 0.5 중량%, 예컨대 약 0.05 내지 약 0.2 중량% 또는 약 0.08 내지 약 0.12 중량%의 양으로 구리 합금에 존재할 수 있다.
지르코늄은 약 0.01 내지 약 0.4 중량%, 예컨대 약 0.01 내지 약 0.15 중량%, 약 0.10 내지 약 0.4 중량% 또는 약 0.02 내지 약 0.06 중량%의 양으로 구리 합금에 존재할 수 있다.
구리 합금의 잔량은 불순물을 배제한 구리이다. 달리 말하면, 구리는 약 92.3 내지 약 98.7 중량%, 적어도 92 중량%, 적어도 94 중량% 또는 적어도 96 중량%의 양으로 존재한다. 각각의 원소의 상기 양의 임의의 조합이 고려된다.
일부 특정한 실시양태에서, 구리 합금은 약 1.0 내지 약 4 중량%의 니켈; 약 0.2 내지 약 2 중량%의 규소; 약 0.1 내지 약 1 중량%의 크롬; 약 0.05 내지 약 0.5 중량%의 망간; 약 0.01 내지 약 0.4 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함한다.
일부 특정한 실시양태에서, 구리 합금은 약 1.0 내지 약 2 중량%의 니켈; 약 0.2 내지 약 1 중량%의 규소; 약 0.1 내지 약 0.4 중량%의 크롬; 약 0.05 내지 약 0.2 중량%의 망간; 약 0.1 내지 약 0.4 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함한다.
일부 특정한 실시양태에서, 구리 합금은 약 1.2 내지 약 1.4 중량%의 니켈; 약 0.3 내지 약 4 중량%의 규소; 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 크롬; 약 0.08 내지 약 0.12 중량%의 망간; 약 0.02 내지 약 0.06 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함한다.
다른 구체적 실시양태에서, 구리 합금은 약 1.2 중량%의 니켈; 약 0.4 중량%의 규소; 약 0.25 중량%의 크롬; 약 0.08 중량%의 망간; 약 0.02 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함한다.
또한, 구리 합금은 일부 불순물을 가질 수 있으나, 바람직하게는 갖지 않는다. 불순물은 베릴륨, 티타늄, 마그네슘 및 붕소를 포함한다. 이들 원소 중 일부는 특정 목적을 위해 처리 동안 때때로 첨가된다. 예를 들어, 붕소 및 철은, 등축정의 형성을 추가로 증진시키고 또한 용체화 처리 동안 매트릭스에서 Ni 및 Sn의 확산비의 부동성을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 마그네슘은 탈산소제로서 작용할 수 있다. 본원의 제조 방법에서, 이들 원소는 이상적으로 사용되지 않는다. 본원의 목적을 위해, 0.01 중량% 미만의 양의 이들 원소가 불가피한 불순물로서 고려되어야 하고, 즉 이들의 존재는 목적되지 않거나 바람직하지 않다. 일부 실시양태는 철 및 코발트를 추가로 포함할 수 있으나, 바람직하게는 포함하지 않는다. 일부 실시양태는 0.05 중량% 이하의 철 및/또는 코발트를 함유할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시양태는 이들 2개의 원소의 부재 하에 본원에 개시된 바와 같은 성능 및 특성 특징을 충족시킨다.
본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 다수의 보강 메커니즘의 유리점을 취하도록 처리된다. 합금은 냉간 가공된 후에, 용체화 어닐링되어 결정립을 작고 미세하게 유지한다. 이어서, 합금은 시효되어 다양한 석출물을 생성한다. 이들 석출물은 Ni-Si 석출물, Cr-Zr-Si 석출물 및/또는 Cr-Ni-Mn-Si 석출물을 포함할 수 있다. 냉간 가공으로 입계 상에 나타나는 석출물을 초래하는 전위 망을 형성하고, 이는 미세 입도를 고정시킨다. 본원의 방법은 일반적으로 (1) Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금을 냉간 가공하는 단계; (2) 상기 냉간 가공된 합금을 용체화 어닐링하는 단계; 및 (3) 상기 용체화 어닐링된 합금을 시효하는 단계를 포함한다.
냉간 가공은 전형적으로 실온 근처에서 수행되는 금속 형성 공정으로서, 여기서 합금이 롤 또는 다이를 통과하거나, 냉간 가공되어 합금의 단편을 감소시키고 단편 치수를 균일하게 만든다. 이는 합금의 강도를 증가시킨다. 수행된 냉간 가공의 정도는 두께의 감소율(%) 또는 면적의 감소율(%)로 표시되고, 본원에서 %CW로서 지칭된다. 본원의 방법에서, 합금은 초기에 주조된 대로 제공된 후에, 약 85 내지 약 95%의 %CW까지 냉간 가공된다.
용체화 어닐링은, 석출 경화가능한 합금을, 마이크로 구조를 단일 상으로 변환하기에 충분히 높은 온도로 가열함을 수반한다. 실온으로의 신속한 급냉은 합금을 과포화 상태로 두어 합금을 부드럽고 연성이도록 만들고, 입도 조절을 보조하고, 시효를 위해 합금을 준비시킨다. 과포화 고용체의 후속 가열은 보강 상의 석출을 가능하게 하고 합금을 경화시킨다. 본원 방법에서, 냉간 가공 후에, 냉간 가공된 합금은 약 900℃ 내지 약 1000℃, 약 900℃ 내지 약 950℃, 약 925℃ 내지 약 975℃, 약 950℃ 내지 약 1000℃, 약 925℃ 내지 약 950℃, 또는 약 9750℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 용체화 어닐링된다. 용체화 어닐링은 약 5 내지 약 20분, 약 5 내지 약 15분, 약 5 내지 약 10분, 약 10 내지 약 20분, 약 10 내지 약 15분 또는 약 15 내지 약 20분 동안 수행될 수 있다.
시효는 결정 격자의 결함의 이동을 지연시키는 불순물 상의 배열 및 미세 입자(즉 석출물)를 생성하는 열 처리 기술이다. 이는 합금을 경화시킨다. 본 발명의 방법에서, 용체화 어닐링 후에, 합금은 약 400℃ 내지 약 460℃(약 752℉ 내지 약 860℉), 약 415℃ 내지 약 460℃, 약 430℃ 내지 약 460℃, 약 415℃ 내지 약 445℃ 또는 약 445℃ 내지 약 460℃의 온도에서 시효된다. 시효는 약 6 내지 약 60시간, 약 6 내지 약 30시간, 약 6 내지 약 24시간, 약 40 내지 약 56시간, 약 6 내지 약 12시간 또는 약 6 내지 약 18시간 동안 수행될 수 있다. 시효는 다수의 단계로 수행될 수 있되, 여기서 각각의 단계의 온도는 상기 언급된 범위 내에 있으며, 다수의 단계의 총 시간은 상기 언급된 범위 내에 있음에 주의한다. 바람직하게는, 시효는 100% 수소 대기에서 수행된다.
생성된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄(Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr) 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전기 전도성을 갖는다. 일부 실시양태에서, 합금은 82 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 49% IACS 이상의 전기 전도성의 조합을 갖는다. 0.2% 오프셋 항복 강도는 ASTM E8에 따라 측정된다. 특정 실시양태에서, 합금은 적어도 80 내지 약 95 ksi, 적어도 82 ksi 또는 적어도 84 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도를 갖는다. 일부 보다 구체적인 실시양태에서, 합금은 48% IACS 이상, 49% IACS 이상 또는 50% IACS 이상의 전기 전도성을 갖는다. 다른 실시양태에서, 합금은 적어도 48 내지 약 55% IACS의 전기 전도성을 갖는다.
또한, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 20×106 psi(Msi) 이상의 탄성률을 갖는다. 탄성률은 ASTM E111-17에 따라 측정된다. 탄성률은 약 22 Msi 이하일 수 있다. 또한, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 적어도 88 ksi, 적어도 90 ksi 또는 적어도 92 ksi의 극한 인장 강도(UTS)를 가질 수 있다. 극한 인장 강도는 ASTM E8에 따라 측정된다. 또한, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 적어도 200 W/m·K의 열 전도성을 가질 수 있다.
또한, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 적어도 5%, 적어도 6%, 적어도 8% 또는 적어도 10%의 파단시 총 연신율(%TE)을 가질 수 있다. 이러한 값은 합금이 파단 전에 얼마나 연신할 수 있는지를 측정하며, 성형성의 개략의 지표이다. 또한, %TE는 ASTM E8에 따라 측정될 수 있다. 대안적으로, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 실온(22℃)에서 측정시 적어도 5%의 연성을 가질 수 있다. 보다 특정한 실시양태에서, 합금은 적어도 5 내지 약 15%의 연성을 가질 수 있다.
본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 대안적으로 대안적으로 0.4/1 이하의 성형성 비를 가질 수 있다. 양호한 성형성은 일반적으로 성형성 비 또는 R/t 비에 의해 측정된다. 이는 두께(t)의 스트립에서 실패 없이 90° 굽힘을 형성하는 데 필요한 최소 내측 곡률 반경(R)을 명시하고, 즉 성형성 비는 R/t이다. 양호한 성형성을 갖는 물질은 저 성형성 비(즉 저 R/t)를 가지며, 달리 말하면 R/t가 낮을수록 양호하다. 성형성 비는 90° V-블록 시험을 사용하여 측정될 수 있고, 여기서 제시된 곡률 반경을 갖는 펀치를 사용하여 시험 스트립을 90° 다이에 밀어 넣은 후에, 굽힘의 외측 반경을 균열에 대해 검사한다. 또한, 성형성 비는 가로(bad way) 방향의 성형성에 대한 세로(good way) 방향의 성형성의 비로서, 또는 GW/BW로서 기록될 수 있다.
상기에 논의된 0.2% 오프셋 항복 강도, 전기 전도성, 탄성률, 극한 인장 강도, %TE, 연성 및 성형성 비의 임의의 조합이 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금에 대해 고려된다.
특정 실시양태에서, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 48% IACS 이상의 전도성, 10% 이상의 %TE 및 20 Msi 이상의 인장 탄성률(tensile modulus)을 갖는다.
특정 실시양태에서, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 49% IACS 이상의 전도성 및 90 ksi 이상의 UTS를 갖는다.
특정 실시양태에서, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 84 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 49% IACS 이상의 전도성, 8% 이상의 %TE 및 20 Msi 이상의 인장 탄성률을 갖는다.
특정 실시양태에서, 본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 50% IACS 이상의 전도성, 10% 이상의 %TE 및 20 Msi 이상의 인장 탄성률을 갖는다.
본원의 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 양호한 항복 강도 및 고 전기 전도성의 조합을 갖는다. 합금은 스트립, 와이어, 로드, 튜브 및 바로서 제공될 수 있다. 또한, 합금은 고도로 땜질가능하며 다른 물질에 의해 용이하게 도금된다. 물품은 예를 들어 스트립을 최종 물품의 목적하는 모양, 또는 최종 물품의 모양으로 구부러질 수 있는 중간 모양으로 스탬핑함으로써 형성될 수 있다. 물품은 예를 들어 주석, 금 또는 기타 물질로 오버코팅되어, 형성되기 전에 또는 후에 추가로 목적하는 특성을 제공할 수 있다.
합금은 예를 들어 고 강도 및 고 전기 전도성이 목적되는, 전기 커넥터; 전자 커넥터, 단자 콘택트 또는 전원 콘택트를 제조하는 데 사용될 수 있다. 구체적 물품의 예는 휴대전화의 열 싱크; 와이어링 하니스 단자; 전기 자동차 충전기 콘택트; 고 전압/전류/전력 단자 콘택트; 전원 커넥터 콘택트; 미드플레인 커넥터; 백플레인 커넥터; 카드 엣지 커넥터; 광전지 시스템 커넥터; 어플라이언스 전원 콘택트; 컴퓨터 전원 콘택트; 열 분산기; 부싱 또는 베어링 면; 및 일반적으로 임의의 전자 장치 또는 전기 장치의 부품을 포함할 수 있다.
하기 예는 본원의 합금, 방법, 물품 및 특성을 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 단지 예시적이며, 본원에 제시된 물질, 조건 및 공정 파라미터에 본원을 제한하려는 것이 아니다.
실시예
실시예 1
Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금을 상기에 기재된 바와 같이 주조하고 처리하여 약 15 in의 너비를 갖는 스트립을 수득하였다. 이의 특성을 내측 및 외측 랩의 너비를 가로지르는 6개의 위치에서 측정한 후에, 평균 내었다. 값은, 84.3 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도, 10.4%의 %TE, 21 Msi의 인장 탄성률 및 50.3% IACS의 전도성이었다. R/t 비는 0.4/1이었다.
도 1은 처리 후에 합금의 광학 이미지이다. 전형적인 결정립 및 몇몇 가공의 표시가 뚜렷하다. 몇몇 Ni-Cr 규화물이 뚜렷하다.
도 2는 BSE SEM 이미지이다. 어두운 점은 Cr-Ni-Mn-Si 규화물이다. 이들 규화물은 약 100 내지 약 200 nm의 입자 크기를 갖는다. 이들의 존재는 독특하며, 작은 입자는 드물다. 이들 규화물은 도 1에서는 뚜렷하지 않다.
실시예 2
Cu-1.23Ni-0.38Si-0.23Cr-0.08Mn-0.02Zr 합금을 주조하고, 약 85 내지 약 95%의 %CW까지 냉간 가공하고, 약 900℃ 내지 약 1000℃의 온도로 용체화 어닐링한 후에, 2회 시효하였다. 제1 시효를 24시간 동안 800℉, 815℉ 또는 825℉(427℃, 435℃, 441℃)에서 수행하였다. 제2 시효를 6시간 동안 800℉(427℃)에서 수행하였다. 합금의 0.2% 오프셋 항복 강도(YS) 및 전기 전도성(% IACS)을 제2 시효 동안 다양한 시점에서 측정하고, 3개의 그래프로 나타냈다.
도 3은, 제1 시효가 800℉(427℃)의 온도에서 수행되었을 때, 제2 시효 동안 측정된 YS 및 % IACS를 나타낸다. 제2 시효 약 12시간에서, YS는 90.2 ksi였고, 전도성은 45% IACS였다. 18시간 후에, YS는 65.5 ksi로 감소였으나, 전도성은 52.8% IACS로 증가하였다.
도 4는, 제1 시효가 815℉(435℃)의 온도에서 수행되었을 때, 제2 시효 동안 측정된 YS 및 % IACS를 나타낸다. 12시간에서, YS는 86.4 ksi였고, 전도성은 47.3% IACS로 측정되었다. 18시간에서, YS는 86.6 ksi였고, 전도성은 51% IACS로 측정되었다.
도 5는, 제1 시효가 825℉(441℃)의 온도에서 수행되었을 때, 제2 시효 동안 측정된 YS 및 % IACS를 나타낸다. 12시간에서, YS는 79 ksi였고, 전도성은 48.4% IACS로 측정되었다. 18시간에서, YS는 73.5 ksi였고, 전도성은 50.5% IACS로 측정되었다.
인장력 및 전도성 시험에 대해 선택된 결과를 하기 표 1에 제공된다. 800℉에서의 보다 긴 시효는 % IACS로서 측정된 보다 높은 전도성, 및 증가된 0.2% 오프셋 항복 강도를 야기하였다.
[표 1]
Figure pct00001
실시예 3
화학 분석을 수행하여 본원에 사용된 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금의 조성을 결정하였다. 분석은 하기 조성을 나타냈다: 0.01 중량% 미만의 베릴륨, 0.01 중량%의 코발트, 1.22 중량%의 니켈, 0.02 중량%의 철, 0.38 중량%의 규소, 0.01 중량% 미만의 알루미늄, 0.01 중량% 미만의 주석, 0.01 중량% 미만의 아연, 0.23 중량%의 크롬, 0.01 중량% 미만의 납, 0.08 중량%의 망간, 0.02 중량%의 지르코늄 및 잔량의 구리. 열거된 양을 소수점 이하 두 자리까지 기록하였다. 따라서, 반올림은 본원에 열거된 각각의 요소의 기록된 양에 영향을 미칠 수 있다.
실시예 4
실시예 3에 기재된 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금의 스트립을 약 0.008 in로 압연하였다. 이어서, 합금 스트립을 약 850℉에서 3시간 동안 시효하였다. 극한 인장 강도(UTS)(ksi), 0.2% 오프셋 항복 강도(YS)(ksi), 파단시 연신율(%TE), 전도성(% IACS 및 저항에 의해 측정됨) 및 경도를 Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금, 및 3개의 다른 구리 합금(C18150(Cu-1.0Cr-0.25Zr); C18140M(Cu-0.6Cr-0.1Ag-0.1Ni-0.07Si); 및 C18070(Cu-0.7Cr-0.1Ag-0.05Ti-0.02Si))에 대해 평가하였다. 결과를 하기 표 2에 요약하였다. Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 시험한 나머지 합금과 비교하여 개선된 인장 강도 및 0.2% 오프셋 항복 강도를 가졌다. 또한, 본원의 합금은 나머지 합금과 비교하여 증가된 저항 및 경도를 가졌다.
[표 2]
Figure pct00002
실시예 5
C18140M(Cu-0.6Cr-0.1Ag-0.1Ni-0.07Si) 합금, Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr(실시예 3의 조성의 양), C18070(Cu-0.7Cr-0.1Ag-0.05Ti-0.02Si) 합금 및 C18150(Cu-1.0Cr-0.5Zr) 합금의 샘플을 약 70%의 %CW까지 냉간 가공하였다. 극한 인장 강도, 0.2% 오프셋 항복 강도 및 연신율을 실온에서 측정하였다. 각각의 합금을 긴 스트립의 형태로 만들고, 이를 감았다. 주조 수행의 시작(ID) 및 주조 시작의 끝(OD)에 상응하는 각각의 스트립의 내경(ID) 및 외경(OD)에서 측정하였다. 이들 실험의 결과를 하기 표 3에 열거하였다. 어닐링 후에, 본원의 합금은 Cu-1.0Cr-0.5Zr ID 합금을 제외한 나머지 합금보다 큰 극한 인장 강도를 가졌다. 또한, 항복 강도 및 연신율은 어닐링 후 나머지 합금과 비슷하였다.
이어서, 합금을 퍼낸스에서 850℉에서 3시간 동안 시효하였다. 샘플을 퍼낸스로부터 제거한 후에 물로 급냉하였다. 강도 및 전도성 시험의 결과를 표 3에 열거하였다. 모든 합금은 어닐링 후와 비교하여 압연하고 시효되었을 때 개선된 극한 인장 강도를 가졌다. Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 나머지 합금과 비교하여 최고 인장 강도를 가졌다. 또한, 합금은 나머지 합금과 비교하여 최저 % IACS 및 최고 저항을 가졌다. 본원의 합금이 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도를 나타내는 유일한 합금이었다.
[표 3]
Figure pct00003
또한, 각각의 합금의 경도를 로크웰(Rockwell) 경도 15T 시험(15T) 및 비커스(Vickers) 경도 시험(HV)을 사용하여 평가하였다. 결과를 하기 표 4에 열거하였다. 어닐링 후에, 본원의 합금은 로크웰 15T 스케일에 의해 측정시 C18150(Cu-1.0Cr-0.5Zr) 합금과 유사한 평균 경도를 가졌다. 비커스 경도 시험에 의해 측정시, Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr 합금은 어닐링 후(어닐링 후 나머지 합금과 비교하여), 및 압연 및 시효(압연 및 시효 후 나머지 합금과 비교하여) 최고 평균 경도를 가졌다.
[표 4]
Figure pct00004
실시예 6
Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr(실시예 3의 조성의 양) 합금의 4개의 샘플을 800℉에서 퍼낸스에 두었다. 3시간 후에, 샘플 중 2개를 퍼낸스로부터 제거하고 물로 급냉하였다. 나머지 2개의 샘플을 총 6시간 시간 후에 퍼낸스로부터 제거하고 물로 급냉하였다. 극한 인장 강도, 항복 강도, %TE, % IACS, 경도 및 저항을 포함하는 여러 특성을 처리 및 시효 후에 평가하였다. 이들 시험의 결과가 하기 5에 제공된다. 6시간 동안 합금을 시효하는 것은 93.3 및 92.8 ksi의 극한 인장 강도 측정치, 87.5 및 87.2 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도 측정치, 및 198.9 HV의 평균 경도를 야기하였다. 또한, 6시간의 시효는 3.91 μΩ-cm 및 3.88 μΩ-cm의 저항 측정치를 갖는 합금을 야기하였다.
[표 5]
Figure pct00005
실시예 7
Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr(실시예 3의 조성의 양) 합금의 6개의 샘플을 825℉에서 퍼낸스에 두었다. 2개의 샘플을 3, 6 및 12시간의 간격 각각에서 제거하였고, 제거 후 물로 급냉하였다. 극한 인장 강도, 항복 강도, 연신율, % IACS, 경도 및 저항을 포함하는 여러 특성을 평가하였다. 이들 시험의 결과를 하기 표 6에 열거하였다. 극한 인장 강도 및 항복 강도는 시효가 길어질수록 감소하는 경향을 나타냈다. % IACS는 시효가 길어질수록 증가하는 경향을 나타냈다. 시효 6시간 후에, 합금은 비커스 경도 시험에 의해 측정시 최고 평균 경도를 가졌다. 저항은 시효가 길어질수록 감소하는 경향을 나타냈다.
[표 6]
Figure pct00006
실시예 8
Cu-Ni-Si-Cr-Mn-Zr(실시예 3의 조성의 양) 합금의 4개의 샘플을 냉간 가공하고 어닐링하였다. 샘플을 825℉에서 6시간 동안 퍼낸스에 두었다. 이어서, 퍼낸스 온도를 800℉로 낮췄고, 이는 30 내지 60분이 소요되었다. 샘플 중 2개를 825℉ 가열 후에 추가적 6시간 동안 퍼낸스에 남겨두어 총 12시간 퍼낸스에 두었다. 나머지 2개의 샘플은 825℉ 가열 후에 12시간 동안 퍼낸스에 남겨두어 총 18시간 퍼낸스에 두었다. 인장 강도, 경도(5개의 측정의 평균) 및 전도성을 평가하고, 결과는 하기 표 7에 제공된다. 시효 12시간에서, 합금은 83.1 ksi 및 83.3 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도 측정치를 가졌고; 합금은 49.3% IACS 및 49.1% IACS의 전도성을 가졌다. 시효가 길어질수록 극한 인장 강도, 항복 강도 및 경도가 낮아지는 결과의 경향을 나타냈다. 18시간의 시효는 12시간과 비교하여 증가된 저항 및 연신율을 야기하였다. 시효 12 및 18시간 모두에서, 합금은 48% IACS 초과의 전도성을 가졌다.
[표 7]
Figure pct00007
실시예 9
C18140M(Cu-0.Cr-0.1Ag-0.1Ni-0.07Si), C18070(Cu-0.7Cr-0.1Ag-0.05Ti-0.02Si) 및 C18150(Cu-1.0Cr-0.25Zr) 합금 각각의 4개의 샘플을 절단하였다. 전도성 및 인장력 측정을 준완성 합금에 대해 수행하였다. 이어서, 나머지 샘플을 3시간 동안 825℉에서 가열하였다. 인장 강도 및 전도성을 이들 샘플에 대해 수행하였다. 이들 시험의 결과가 하기 표 8에 나열된다. 시험한 합금 중 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도를 갖는 것은 없었다. 시효 후에 합금은 단지 48% IACS 이상의 전도성을 가졌다.
[표 8]
Figure pct00008
실시예 10
약 0.008 in 두께의 C18070(Cu-0.7Cr-0.1Ag-0.05Ti-0.02Si) 합금의 2개의 샘플을 6시간 동안 가열하였다. 샘플 중 하나를 825℉에서 열 처리하였다. 나머지 샘플을 800℉에서 열 처리하였다. 퍼낸스로부터 제거한 후에, 둘 모두를 물로 급냉하고, 이의 인장력 및 전도성 특성을 평가하였다.
C18150(Cu-1.0Cr-0.25Zr) 합금의 8개의 샘플을 가져와 하기와 같이 열 처리하였다: 2개는 900℉에서 1시간 동안 가열하고 물로 급냉하였다; 2개는 900℉에서 2시간 동안 가열하고 물로 급냉하였다; 2개는 925℉에서 1시간 동안 가열하고 물로 급냉하였다; 2개는 925℉에서 2시간 동안 가열하고 물로 급냉하였다. 전도성 및 인장력을 측정하였다. 결과를 하기 표 9에 요약하였다. 시험한 합금 중 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도를 갖는 것은 없었다. 시험한 모든 합금은 48% IACS 초과의 전도성을 가졌다.
[표 9]
Figure pct00009
실시예 11
약 1.2 내지 약 1.4 중량%의 니켈; 약 0.3 내지 약 4 중량%의 규소; 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 크롬; 약 0.08 내지 약 0.12 중량%의 망간; 약 0.02 내지 약 0.06 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함하는 스트립을 본원에 따라 제조하고 시험하였다.
합금을 냉각 가공하고 어닐링하였다. 샘플을 825℉에서 6시간 동안 퍼낸스에 두었다. 이어서, 퍼낸스 온도를 800℉로 낮췄고, 이는 30 내지 60분이 소요되었다. 이어서, 샘플을 825℉ 가열 후에 추가적 6시간 동안 가열하여 총 12시간 퍼낸스에 두었다. 극한 인장 강도(UTS), 0.2% 오프셋 항복 강도(YS), 파단시 총 연신율(%TE), 탄성률(EM), 전기 전도성(% IACS). 여러 특성을 측정하였다(UTS, 항복 강도, 및 양방향 성형성(GW, BW)). 결과, 및 각각의 스트립의 게이지를 하기 표 10에 열거하였다.
[표 10]
Figure pct00010
본원은 예시적인 실시양태를 참조로 기재되었다. 이전의 자세한 설명을 읽고 이해하면 다른 사람에게 변형 및 변경이 떠오를 것이다. 본원은 모든 이러한 변형 및 변경이 첨부된 특허청구범위 또는 이의 등가물의 범위 내에 있는 한 이들을 포함하는 것으로 해석된다.

Claims (20)

  1. 약 1.0 내지 약 4 중량%의 니켈;
    약 0.2 내지 약 2 중량%의 규소;
    약 0.1 내지 약 1 중량%의 크롬;
    약 0.05 내지 약 0.5 중량%의 망간;
    약 0.01 내지 약 0.2 중량%의 지르코늄; 및
    잔량의 구리
    를 포함하는 구리 합금으로서,
    80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는 구리 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    약 1.2 내지 약 1.4 중량%의 니켈; 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 규소; 약 0.3 내지 약 0.4 중량%의 크롬; 약 0.08 내지 약 0.12 중량%의 망간; 약 0.02 내지 약 0.06 중량%의 지르코늄; 및 잔량의 구리를 포함하는 구리 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    베릴륨, 티타늄, 철, 코발트, 마그네슘 또는 붕소를 함유하지 않는 구리 합금.
  4. 제1항에 있어서,
    88 ksi 이상의 극한 인장 강도를 갖는 구리 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    20×106 psi 이상의 탄성률을 갖는 구리 합금.
  6. 제1항에 있어서,
    8% 이상의 총 연신율을 갖는 구리 합금.
  7. 제1항에 있어서,
    5% 이상 내지 약 15%의 연성을 갖는 구리 합금.
  8. 제1항에 있어서,
    0.4/1 이하의 성형성 비를 갖는 구리 합금.
  9. 제1항에 있어서,
    규소, 크롬, 니켈 및 망간으로부터 형성된 규화물을 함유하는 구리 합금.
  10. 제1항에 있어서,
    80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 48% IACS 이상의 전도성 및 8% 이상의 %TE를 갖는 구리 합금.
  11. 제1항에 있어서,
    80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도, 49% IACS 이상의 전도성, 및 90 ksi 이상의 UTS를 갖는 구리 합금.
  12. 베릴륨을 함유하지 않고, 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는 구리 합금의 제조 방법으로서,
    구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금을 약 80 내지 약 95%의 냉간 가공률(% CW)까지 냉간 가공하는 단계;
    상기 냉간 가공된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금을 용체화 어닐링하는 단계; 및
    상기 용체화-어닐링된 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금을 시효하여 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는 구리 합금을 수득하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    용체화 어닐링을 약 900℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 약 5 내지 약 20분 동안 수행하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    시효를 약 400℃ 내지 약 460℃의 온도에서 약 6 내지 약 60시간 동안 수행하는, 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    시효를 약 400℃ 내지 약 460℃의 온도에서 약 6 내지 약 18시간 동안 수행하는, 방법.
  16. 제12항의 방법에 의해 형성된 구리 합금.
  17. 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금으로부터 형성된 물품으로서, 상기 합금이 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는, 물품.
  18. 제17항에 있어서,
    합금이
    약 1.0 내지 약 4 중량%의 니켈;
    약 0.2 내지 약 2 중량%의 규소;
    약 0.1 내지 약 1 중량%의 크롬;
    약 0.05 내지 약 0.5 중량%의 망간;
    약 0.01 내지 약 0.2 중량%의 지르코늄; 및
    잔량의 구리
    를 포함하는, 물품.
  19. 제17항에 있어서,
    열 싱크; 전기 커넥터; 전자 커넥터; 와이어링 하니스 단자; 전기 자동차 충전기 콘택트; 고 전압/전류/전력 단자 콘택트; 전원 커넥터 콘택트; 미드플레인 커넥터; 백플레인 커넥터; 카드 엣지 커넥터; 광전지 시스템 커넥터; 어플라이언스 전원 콘택트; 컴퓨터 전원 콘택트; 열 분산기; 부싱 또는 베어링 면; 또는 전자 장치 또는 전기 장치의 부품인 물품.
  20. 80 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 48% IACS 이상의 전도성을 갖는 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 사용 방법으로서,
    물품을 구리-니켈-규소-크롬-망간-지르코늄 합금의 스트립으로부터 스탬핑하는 단계를 포함하는, 방법.
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