KR20210149830A

KR20210149830A - 고 강도 및 고 전도도를 갖는 구리 합금 및 이러한 구리 합금의 제조 방법

Info

Publication number: KR20210149830A
Application number: KR1020217036660A
Authority: KR
Inventors: 캐롤 엘 트라이버스; 존 씨 쥬니어 컬리; 크리스토퍼 제이 테일러
Original assignee: 마테리온 코포레이션
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2021-12-09
Also published as: EP3953495A1; CN113950535A; WO2020210444A1; US12037671B2; TW202104605A; EP3953495A4; US20220205074A1; JP2022526677A

Abstract

베릴륨이 없으며 70 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 75% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는 구리 합금이 개시된다. 상기 구리 합금은 크롬, 규소, 은, 티타늄, 지르코늄 및 잔부 구리를 포함한다. 상기 합금은, 냉간 가공, 용체화 어닐링 및 에이징에 의해 제조된다. 상기 합금은 몇몇 상이한 적용례에서 사용될 수 있다.

Description

고 강도 및 고 전도도를 갖는 구리 합금 및 이러한 구리 합금의 제조 방법

본 발명은, 높은 0.2% 오프셋 항복 강도 및 높은 전기 전도도의 조합을 갖는 구리 합금에 관한 것이다. 또한, 이러한 구리 합금, 구리 합금을 사용하는 전기 및 기타 부품의 제조 방법, 및 이러한 구리 합금으로 제조된 부품 및 물품이 개시된다.

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 4월 12일에 출원된 미국 가특허출원 제62/833,012호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본원에 전체가 참고로 인용된다.

열처리 가능한 구리 합금은 높은 전기 전도도를 제공하기 위해 기존 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 그러나, 이러한 열처리 가능한 구리 합금은 종종 상용 전자 장치, 부품 및 부품에서의 사용에 선택되지 않는다. 이는, 부분적으로, 전체 에이징 경화 후에도, 특히 고 전류 적용례에서 알루미늄 또는 구리 합금과 같은 다른 선택을 대체할 만큼 충분히 높은 강도 대 중량 비를 나타내지 않기 때문이다.

강도-대-중량 비, 성형성, 전류 전달 용량, 및/또는 열 전도성을 최대화하기 위한 공정 뿐만 아니라 개선된 열-기계적 특성을 갖는 고 전기 전도성 구리 합금을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은, 70 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 75% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는 구리 합금에 관한 것이다. 또한 본 명세서에는, 구리 합금의 0.2% 오프셋 항복 강도 및/또는 극한 인장 강도를 증가시키기 위해 구리 합금에 적용될 수 있는 방법이 개시되어 있다.

다양한 실시양태에서, 약 0.5 중량% 내지 약 1 중량% 크롬; 약 0.02 중량% 내지 약 0.1 중량% 규소; 약 0.1 중량% 내지 약 0.2 중량% 은; 약 0.015 중량% 내지 약 0.05 중량% 티타늄; 약 0.02 중량% 내지 약 0.06 중량% 지르코늄; 및 잔부 구리를 포함하는 구리 합금이 개시된다. 상기 구리 합금은, 0.2% 오프셋 항복 강도가 75 ksi 이상이고 전기 전도도가 75% IACS 이상이다.

구리 합금은, 80 ksi 이상의 극한 인장 강도를 가질 수 있다. 구리 합금은 7% 이상의 총 파단 신율(%)을 가질 수 있다. 구리 합금은 0.0/0.0의 성형성 비, 또는 1.0/1.0보다 우수한 성형성 비를 가질 수 있다. 이들 특성 중 임의의 2개 이상의 조합이 또한 고려된다.

일부 실시양태에서, 구리 합금은 75 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 80% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는다. 다른 실시양태에서, 구리 합금은 75 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도; 75% IACS 이상의 전기 전도도; 80 ksi 이상의 극한 인장 강도; 및 8% 이상의 총 파단 신율(%)을 갖는다.

특정 실시양태에서, 구리 합금은 주석 또는 베릴륨을 함유하지 않을 수 있다.

또한, 상기 및 추가로 개시된 구리 합금으로부터 형성된 물품이 본원에 개시된다.

또한, 전술한 0.2% 오프셋 항복 강도 및 전기 전도도를 갖는 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금의 제조 방법이 개시되어 있다. 초기 구리 합금은 제1 냉간 가공률(%CW)로 냉간 가공된다. 냉간 가공된 구리 합금은 이후 제1 기간 동안 첫번째로 용체화 어닐링된다. 어닐링된 구리 합금은, 제2 %CW로 두번째로 냉간 가공된다. 냉간 가공된 구리 합금은 제2 기간 동안 두번째로 용체화 어닐링된다. 용체화 어닐링된 구리 합금은 제3 %CW로 세번째로 냉간 가공된다. 그런 다음, 냉간 가공된 구리 합금을 제3 기간 동안 에이징하여 강도와 전기 전도도가 향상된 구리 합금을 수득한다.

제1 %CW는 약 80% 내지 약 95%일 수 있다. 제2 %CW는 약 30% 내지 약 80%일 수 있다. 제3 %CW는 약 40% 내지 약 80%일 수 있다. 세 가지 냉간 가공 단계 모두에서 최소 누적 냉간 가공률은 85% 이상이어야 한다.

상기 1차 용체화 어닐링은 약 950℃ 내지 약 1050℃의 온도에서 수행될 수 있다. 제1 기간은, 약 2.5분 내지 약 5분을 포함하는 약 1분 내지 약 10분일 수 있다.

상기 제2 용체화 어닐링은 약 950℃ 내지 약 1050℃의 온도에서 수행될 수 있다. 제2 기간은 약 1.3분 내지 약 4분을 포함하는 약 1분 내지 약 10분일 수 있다.

에이징은 약 400℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행될 수 있다. 제3 기간은 약 4시간 내지 약 14시간일 수 있다. 에이징은 완전(full) 수소 분위기에서 수행될 수 있다.

본 발명의 이들 및 기타 비제한적인 특성은 이후에서 보다 구체적으로 논의된다.

다음은 본 명세서에 개시된 예시적인 실시양태를 설명하기 위해 제시되는 도면에 대한 간략한 설명이며, 이는 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 고 항복 강도 고 전도성 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 에칭된 고 전도성 구리 합금의 이미지이다.

첨부된 도면의 참조에 의해 본원에 개시된 구성 요소, 방법 및 장치에 대한 보다 완전한 이해가 가능하다. 이들 도면은 단지 편의성 및 본 발명의 시연의 용이성에 기초한 개략적 도식일 뿐이며, 따라서 장치 또는 이의 구성 요소의 상대적인 크기 및 치수를 나타내고/내거나 예시적인 실시양태의 범위를 한정하거나 제한하기 위한 것이 아니다.

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 노)이 설정된 온도를 지칭하며, 열에 노출된 물질에 의해 달성되어야 하는 온도를 반드시 지칭하는 것이 아님에 주의한다.

본 명세서에는, 크롬, 규소, 은, 티타늄 및 지르코늄과 추가로 합금화된 구리를 포함하는 구리 합금이 개시되어 있다. 구리 합금은 베릴륨이나 주석을 포함하지 않는다. 개시된 합금은, 어닐링, 냉간 가공(예를 들어, 인장(tension)이 있거나 없는 냉간 압연, 에이징 경화, 및 이들의 다양한 조합)과 같은 템퍼링 작업을 사용하여 전기 전도도의 실질적인 손실 없이 강화될 수 있다. 적절한 템퍼링으로, 개시된 구리 합금은 높은 0.2% 오프셋 항복 강도 및 높은 전기 전도도를 모두 나타낸다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 다중 강화 메커니즘의 장점을 갖는 이러한 구리 합금의 제조 방법이 개시된다. 보다 구체적으로, 개시된 방법은, 구리 합금을 광범위하게 냉간 가공하고, 이를 용체화 어닐링하여 단일 상에서 냉간 가공된 전위(dislocation)를 형성하는 것을 포함한다. 그런 다음, 합금은 매우 높은 밀도에서 중소 크기의 석출물을 형성하기 위해 에이징된다. 이러한 공정은 석출 강화가 가능한 구리 합금에 적용될 수 있다.

본 발명의 구리 합금은 크롬, 규소, 은, 티타늄, 지르코늄 및 잔부 구리를 함유한다. 크롬은, 약 0.55 중량% 내지 약 0.85 중량% 또는 약 0.65 중량% 내지 약 0.80 중량%를 포함하여 약 0.5 중량% 내지 약 1 중량%의 양으로 구리 합금에 존재한다. 규소는, 약 0.03 내지 약 0.08 중량% 또는 약 0.04 내지 약 0.065 중량%를 포함하여 약 0.02 내지 약 0.1 중량%의 양으로 구리 합금에 존재한다. 은은, 약 0.11 중량% 내지 약 0.15 중량% 또는 약 0.11 중량% 내지 약 0.14 중량%를 포함하여 약 0.1 중량% 내지 약 0.2 중량%의 양으로 구리 합금에 존재한다. 티타늄은, 약 0.02 중량% 내지 약 0.04 중량%를 포함하여 약 0.015 중량% 내지 약 0.05 중량%의 양으로 구리 합금에 존재한다. 지르코늄은, 약 0.02 중량% 내지 약 0.06 중량%를 포함하여, 또는 약 0.02 중량% 내지 약 0.04 중량%를 포함하여, 0.05 중량% 이하의 양으로 구리 합금에 존재한다. 구리 합금의 잔부는, 불순물을 제외한 구리이다. 달리 말하면, 구리는 약 98.59 중량% 내지 약 99.345 중량%, 또는 적어도 98.8 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 각각의 원소의 이러한 양의 임의의 조합이 고려된다.

특정 실시양태에서, 구리 합금은, 약 0.55 중량% 내지 약 0.85 중량% 크롬; 약 0.03 중량% 내지 약 0.08 중량% 규소; 약 0.11 중량% 내지 약 0.15 중량% 은; 약 0.015 중량% 내지 약 0.05 중량% 티타늄; 약 0.02 중량% 내지 약 0.04 중량% 지르코늄; 및 잔부 구리를 포함할 수 있다.

특정 실시양태에서, 구리 합금은 약 0.66 중량% 크롬; 약 0.04 중량%의 규소; 약 0.11 중량% 은; 약 0.02 중량% 티타늄; 약 0.03 중량% 지르코늄; 및 잔부 구리를 포함할 수 있다.

다른 특정 실시양태에서, 구리 합금은 약 0.65 중량% 내지 약 0.80 중량% 크롬; 약 0.04 중량% 내지 약 0.065 중량% 규소; 약 0.11 중량% 내지 약 0.14 중량% 은; 약 0.02 중량% 내지 약 0.04 중량% 티타늄; 약 0.02 중량% 내지 약 0.04 중량% 지르코늄; 및 잔부 구리.

또한, 구리 합금은 일부 불순물을 가질 수 있으나, 바람직하게는 갖지 않는다. 이러한 불순물의 예는 주석, 베릴륨, 티타늄, 마그네슘, 붕소, 산소, 니켈, 철, 코발트 및 황을 포함한다. 이들 원소 중 일부는 특정 목적을 위해 처리 동안 때때로 첨가된다. 예를 들어, 붕소 및 철은, 용체화 열처리 동안 등축정의 형성을 추가로 증진시키기 위해 사용될 수 있다. 본원의 제조 방법에서, 이들 원소는 이상적으로 사용되지 않는다. 본원의 목적을 위해, 0.01 중량% 미만의 양의 임의의 이들 원소가 불가피한 불순물로서 고려되어야 하고, 즉 이들의 존재는 목적되지 않거나 바람직하지 않으며, 이러한 불가피한 불순물의 총량은 일반적으로 0.05 중량% 미만이다. 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.

지르코늄은 탈산제(deoxidizer)로서 작용하기 위해 의도적으로 첨가되었으며 불순물로 간주되어서는 안된다는 점에 유의한다. 지르코늄 실리사이드는 항복 강도에 영향을 미칠 수 있으며, 바람직하게는 본 발명의 구리 합금에는 존재하지 않는다. 본 발명의 구리 합금은, 그러한 지르코늄 실리사이드가 실질적으로 없어야 한다. 바람직하게는, 지르코늄은 지르코늄 산화물의 형태로 존재한다. 바람직하게는, 이러한 산화물은 작은 입자의 형태이고 연속 스트링거로 존재하지 않는다.

가공 후, Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금은 특정 특성을 가질 것이다. 최종 구리 합금은 적어도 70 ksi, 또는 적어도 72 ksi, 또는 적어도 75 ksi, 및/또는 최대 90 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도를 가질 수 있다. 최종 구리 합금은 적어도 70 ksi, 또는 적어도 75 ksi, 또는 적어도 80 ksi, 및/또는 최대 90 ksi의 극한 인장 강도를 가질 수 있다. 최종 구리 합금은 적어도 20 million psi(Msi), 또는 적어도 21 Msi, 및/또는 최대 25 Msi의 탄성 모듈러스를 가질 수 있다. 최종 구리 합금은 1.0/1.0 이상의 성형성 비를 가질 수 있고, 0.0/0.0 R/t의 비를 가질 수 있다. 최종 구리 합금은 적어도 7%, 또는 적어도 7.5%, 또는 적어도 8%, 또는 적어도 9%, 및/또는 최대 12%의 총 파단 신율(%)을 가질 수 있다. 최종 구리 합금은 적어도 50% IACS, 또는 적어도 60% IACS, 또는 적어도 70% IACS, 또는 적어도 71% IACS, 또는 적어도 72% IACS, 또는 적어도 73% IACS, 또는 적어도 74% IACS, 또는 적어도 75% IACS, 또는 적어도 76% IACS, 또는 적어도 77% IACS, 또는 적어도 78% IACS, 또는 적어도 79% IACS, 또는 적어도 80% IACS 및/또는 최대 85% 또는 최대 90% IACS의 전기 전도도를 가질 수 있다.

본 발명의 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금에 대해 상기에서 논의된 0.2% 오프셋 항복 강도, 극한 인장 강도, 성형성 비, 총 파단 신율(%), 및 전기 전도도의 임의의 조합이 고려된다.

특정 실시양태에서, 본 발명의 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금은 70 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 75% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는다.

특정 실시양태에서, 본 발명의 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금은 75 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 80% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는다.

특정 실시양태에서, 본 발명의 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금은 70 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도; 75% IACS 이상의 전기 전도도; 75 ksi 이상의 극한 인장 강도; 및 7% 이상의 총 파단 신율(%)를 갖는다.

Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금 중의 지르코늄은, 저온에서 용융되지 않고, 일반적으로 최종 합금의 전기 전도도에 해로운 영향을 미치지 않고, 구리와 용액 상태를 유지하는 경향을 갖지 않고, 일반적으로 항복 강도를 개선하기 때문에 탈산제로 사용된다. 이에 비해, 마그네슘은 빠르게 페이딩(fade)하고, 용융물이 "스피트(spit)"되게 할 수 있으며, 저온에서 용융되어, 열간 압연 중에 어려움을 일으킬 수 있다. 망간은, 충분히 빨리 페이딩하지 않으며, 전기 전도도에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 카드뮴은, 열간 압연 중 문제를 일으킬 수 있으며, 독성도 있다. 리튬은 상대적으로 비싸다.

계속하여 이제 도 1을 참조하면, Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금을 제조하기 위한 공정(100)이 본 발명의 일 실시양태에 따라 예시된다. 공정(100)은 구리 합금이 제공되는 단계(110)에서 출발한다. 초기 구리 합금이라고도 하는 이 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금은, 본 발명에 따른 임의의 가공 전에, 초기 특성, 예를 들어 초기 0.2% 오프셋 항복 강도, 초기 극한 인장 강도, 초기 성형성 비, 초기 총 파단 신율(%) 및/또는 초기 전기 전도도(즉, % IACS)를 갖는다.

초기 구리 합금은 주조물(casting) 형태로 제공될 수 있다. 대안적으로, 초기 구리 합금은, 원하는 형상을 얻기 위해, 예를 들어 주조, 크로핑(cropping), 밀링, 열간 압연, 슬래브 밀링(slab milling)을 포함하는 하나 이상의 추가 전-가공 단계를 거칠 수 있다. 이러한 전-가공 단계는 일반적으로 구리 합금의 특성을 변화시키지 않는다.

제1 단계(120)에서, 초기 구리 합금은 제1 시간 동안 냉간 가공의 제1 %(%CW)로 냉간 가공된다. 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. 특정 실시양태에서, 초기 구리 합금은 초기에 주조된 대로 제공된 후에, 약 80 %CW 내지 약 95 %CW 및 약 82 %CW 내지 약 92 %CW를 비롯하여 약 60 %CW 내지 약 95 %CW의 제1 %CW로 냉간 가공된다.

제2 단계(130)에서, 냉간-가공된 구리 합금은 제1 시간 동안 용체화 어닐링된다. 더욱 구체적으로, 제1 %CW로 냉간-가공된 구리 합금이 용체화 어닐링된다. 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. 용체화 어닐링 후, 생성물을 "락 인(lock in)"하기 위해 수 켄칭(water quench)을 수행해야 한다. 켄칭 속도는 최소 30℉/초가 되어야 하며, 최대 100℉/초의 켄칭 속도가 허용가능하다.

단계(130)의 제1 용체화 어닐링은 약 950℃(1742℉) 내지 약 1050℃(1922℉), 또는 약 980℃(1796℉) 내지 약 1000℃(1832℉)의 온도에서 수행될 수 있다. 제1 용체화 어닐링은 약 1분 내지 약 10분, 보다 구체적인 실시양태에서는 약 2.5분 내지 약 5분의 제1 기간 동안 수행될 수 있다.

단계(140)에서, 용체화 어닐링된 구리 합금은 제2 냉간 가공률(%CW)로 두번째 냉간 가공된다. 특정 실시양태에서, 제2 %CW는 약 30%CW 내지 약 80%CW이다.

단계(150)에서, 구리 합금은 두번째로 용체화 어닐링된다. 단계(150)의 제2 용체화 어닐링은 약 950℃(1742℉) 내지 약 1050℃(1922℉), 또는 약 980℃(1796℉) 내지 약 1000℃(1832℉)의 온도에서 수행될 수 있다. 제2 용체화 어닐링은 약 1.3분 내지 약 4분을 포함하는 약 1분 내지 약 10분의 제2 기간 동안 수행될 수 있다.

단계(160)에서, 구리 합금은 제3 냉간 가공률(%CW)로 세번째로 냉간 가공된다. 특정 실시양태에서, 제3 %CW는, 약 40 %CW 내지 약 80 %CW를 포함하여 약 30 %CW 내지 약 80 %CW이다. 세가지 냉간 가공 단계 모두의 최소 누적 냉간 가공률은 적어도 85 %CW이다.

초기 구리 합금 주조물이 특히 두꺼운 일부 상황에서, 제3 용체화 어닐링 및 제4 냉간 가공이 바람직할 수 있음을 주목한다. 이러한 경우, 제3 용체화 어닐링은 단계(150)에 대해 기재된 매개변수에 따라 수행될 수 있고, 제4 냉간 가공은 단계(160)에 대해 기재된 매개변수에 따라 수행될 수 있다.

그 다음, 단계(170)에서, 냉간-가공된 구리 합금을 제3 기간 동안 에이징하여 0.2% 오프셋 항복 강도가 개선된 구리 합금을 수득한다. 에이징은, 결정 격자에서 결함의 이동을 방해하는 불순물 상의 정렬(ordering) 및 미세 입자(즉, 석출물)를 생성하는 열처리 기술이다. 이는 합금을 경화시킨다(harden). 특정 실시양태에서, 합금은 약 400℃(752℉) 내지 약 500℃(932℉), 또는 약 420℃(788℉) 내지 약 450℃(842℉)의 온도에서 에이징된다. 상기 에이징은 약 4시간 내지 약 20시간, 또는 약 4시간 내지 약 8시간, 또는 약 6시간 내지 약 18시간의 제3 기간 동안 수행될 수 있다. 에이징은 이러한 온도 범위 내에서 여러 다른 온도에서 수행될 수 있으며, 이때 총 에이징 시간이 제3 기간으로 간주된다. 일반적으로, 여러 다른 온도를 에이징에 사용하는 경우, 후속 에이징 온도는 이전 에이징 온도보다 낮다.

구리 합금은 완전 수소 분위기에서 에이징될 수 있다. "완전"이라는 용어는, 에이징이 일어나는 분위기가 100% 수소(H₂)임을 의미한다. 비교를 위해, 건조한 공기에는 대략 0.5 내지 1 ppmv의 수소(H₂)를 함유한다. 완전 수소 분위기에서의 에이징은, 수소의 열 전도도가 공기의 열 전도도보다 크기 때문에 중요하다.

단계(120)-(170) 후에, 구리 합금은 하나 이상의 후-가공 단계(180)를 거칠 수 있다. 예를 들어, 구리 합금은 피클링(pickled) 및/또는 브러싱될 수 있다. 단계(190)에서 공정이 종료된다.

단계(170) 이후에 수득된 구리 합금은 0.2% 오프셋 항복 강도를 향상시켰고, "최종" 구리 합금으로 간주될 수 있다. 최종 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금은, 하나 이상의 최종 특성, 예를 들어 최종 0.2% 오프셋 항복 강도, 최종 극한 인장 강도, 최종 성형성 비, 최종 총 파단 신율(%) 및 최종 전기 전도도(즉, % IACS)를 가질 수 있다.

0.2% 오프셋 항복 강도, 극한 인장 강도 및 총 파단 신율(%)은 ASTM E8에 따라 측정된다. 탄성 모듈러스는 ASTM E111-17에 따라 측정된다. 성형성은 일반적으로 성형성 비 또는 R/t 비(즉, 굽힘 강도)에 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.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 이러한 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 구리 합금으로부터 형성된 물품이 기술된다. 본 발명의 구리 합금은, 우수한 0.2% 오프셋 항복 강도, 높은 성형성 및 높은 전기 전도도의 조합을 갖는다.

합금은, 빌릿, 플레이트, 스트립, 호일, 와이어, 로드(rod), 튜브 또는 바와 같은 물품으로 형성될 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 빌릿은, 일반적으로 큰 단면적을 갖는 고체 금속 형태이다. 플레이트는, 일반적으로 직사각형 단면의 평평한 표면의 생성물로 두 면이 직선형이고 균일 두께가 4.8 mm 초과이고 최대 두께가 약 210 mm이고 폭이 30 mm 초과이다. 스트립은, 두 면이 직선형이고 최대 4.8 mm의 균일한 두께를 갖는 일반적으로 직사각형 단면의 평평한 표면의 생성물이다. 이는, 일반적으로, 투입물을 압연하여 이의 두께를 스트립의 두께로 감소시킴으로써 수행된다. 바는, 일반적으로 직사각형 단면의 평평한 표면의 생성물로 균일 두께가 0.48 mm 초과이고 최대 너비가 30 mm이다. 와이어는, 코일 형태 또는 스풀(spool) 또는 릴(reel) 상에 제공되는, 스트립 이외의 솔리드 섹션(solid section)이다. 로드는, 직선 길이로 제공되는 원형의 솔리드 섹션이다. 튜브는, 원형 또는 다른 단면이 있는 이음매 없는(seamless) 중공 생성물이다. 호일은, 전형적으로 0.04 mm 이하의 균일한 두께를 갖는 매우 얇고 평평한 표면의 생성물이다. 이러한 다양한 물품 사이에 일부 중복이 있을 수 있다.

본 발명의 구리 합금은 또한 다양한 적용례, 예를 들어 휴대폰의 히트 싱크(heat sink), 또는 광범위한 전기 및 전자 장치, 구성요소 및 부품, 예컨대 와이어, 케이블링, 전기 커넥터, 전기 접점, 전기 접지 플레이트, 패러데이 차폐 벽, 히트 스프레더(heat spreader), 와이어 하니스 단자 접점, 프로세서 소켓 접점, 백플레인, 미드플레인 또는 카드-에지 서버 커넥터 등을 위한 다양한 형상의 특정 물품을 제조하는 데 사용될 수 있다.

하기 실시예는 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

도 2는, 본 발명의 일 양태에 따른 에칭된 고 전도성 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금의 이미지이다. 구리 합금은 개선된 석출 강화를 나타낸다. 화살표로 표시된 것은, 양성(benign)인 산화 지르코늄 또는 산화 크롬의 라인이다. 원은 크롬 실리사이드 또는 크롬 불순물을 나타낸다. 작은 니들 외관을 갖고 합금의 강도에 해로운 지르코늄 실리사이드는 관찰되지 않았다. 이론에 얽매이지 않고, 지르코늄 실리사이드는 전형적으로 약 2400℉의 온도에서 형성되고, 구리 합금은 결코 이 온도에 도달하지 않으므로, 지르코늄 실리사이드는 형성되지 않는 것으로 여겨진다. 대안적으로, 지르코늄은 이미 산화물에 결합되어 있거나, 크롬과 배합되어서, 지르코늄 실리사이드가 일반적으로 석출되는 경우, 유리 지르코늄이 나오지 않는다.

실시예 2

몇몇 상이한 합금이 본 발명에 따라 제조 및 가공되었다. 이후, 여러 다른 포인트에서 특성을 측정하고 평균을 냈다. 표 A는, 중량%(잔부 구리)로 각 가열에 대한 합금 조성을 규명한다. 표 B는, 각 가열에 적용되는 가공 매개변수를 기술한다. "CW"는 냉간 가공의 약자이다. 두 용체화 어닐링 온도는 모두 1810℉였다. 표 C는 모든 측정 결과를 제공한다. 표 D는 각 가열에 대해 측정된 평균 특성을 제공한다. GW 및 BW는 성형성 측정을 나타낸다.

[표 A]

[표 B]

[표 C]

[표 D]

표 D의 결과를 요약하기 위해, 평균 0.2% 오프셋 항복 강도는 75 ksi 내지 80 ksi의 범위였다. 평균 극한 인장 강도(UTS)는 80 ksi 내지 85 ksi 범위였다. 평균 전기 전도도(%IACS)는 78 %IACS 내지 81 %IACS 범위였다. 모든 가열의 성형성이 높았다.

실시예 3

몇몇 추가 합금이 본 발명에 따라 제조되고 가공되었다. 이후 여러 다른 포인트에서 특성을 측정하고 평균을 냈다. 표 E는 중량%(잔부 구리)로 각 가열에 대한 합금 조성을 규명한다. 모든 가열은 약 950℃(1742℉) 내지 약 1050℃(1922℉)의 온도에서 용체화 어닐링되고, 825℉에서 6시간 동안 에이징된 다음, 800℉에서 추가 6시간 동안 에이징된다. 표 F는 각 가열에 대해 측정된 평균 특성을 제공한다. GW 및 BW는 성형성 측정을 나타낸다.

[표 E]

[표 F]

비교예 1

Cu-0.59Cr-0.16Ni-0.09Ag-0.04Si 합금이 본 발명에 따라 처리되었다(즉, 3개의 냉간 가공 단계, 2개의 용체화 어닐링 단계 및 에이징). 생성된 합금은 0.2% 오프셋 항복 강도가 67.4 ksi이고 전도도가 78.5% IACS였다.

비교예 2

Cu-0.94Cr-0.41 Ni-0.15Si 합금은, 본 발명에 기재된 바와 같이 3개의 냉간 가공 단계 및 2개의 용체화 어닐링 단계를 통해 가공되었고, 3시간 동안 825℉에서 에이징되었다. 생성된 합금은 0.2% 오프셋 항복 강도가 73 ksi이고 전도도가 68% IACS였다.

이 합금에 대해 상이한 열처리를 수행하였다. 측정된 0.2% 오프셋 항복 강도의 범위는 65-70 ksi이고 전도도는 62-67% IACS 범위이다.

비교를 위해, 본 발명의 Cu-Cr-Si-Ag-Ti-Zr 합금을 동일한 매개변수로 가공하였다. 이 합금은, 74 ksi의 0.2% 오프셋 항복 강도와 74% IACS의 전도도, 즉 두 특성 모두에서 더 높은 값을 가졌다.

비교예 3

일부 Ni-Cr-Si-Mn-Zr 합금이 본 발명과 유사하게 제조되고 처리되었다. 본 발명에서와 같이 에이징 전 3개의 냉간 가공 단계 및 2개의 용체화 어닐링 단계 대신에, 이들 합금은 에이징 전에 2개의 냉간 가공 단계 및 1개의 용체화 어닐링 단계로 처리되었다.

그 다음, 이들의 특성을 측정하고 평균화하였다. 표 E는, 중량%(잔부 구리)로 각 가열에 대한 합금 조성을 규명한다. 표 F는 각 가열에 적용되는 가공 매개변수를 기술한다. "CW"는 냉간 가공의 약자이다. 두 용체화 어닐링 온도는 모두 1810℉였다. 표 G는 각 실행에 대해 측정된 평균 특성을 제공한다.

[표 E]

[표 F]

[표 G]

여기에서 볼 수 있는 바와 같이, 이들 합금에 대한 % IACS는 비교적 낮고, 53% IACS를 초과하지 않는다.

본 발명은 예시적인 실시양태를 참조로 기재되었다. 이전의 상세한 설명을 읽고 이해하면 다른 사람에게 변형 및 변경이 가능할 것이다. 본 발명은, 모든 이러한 변형 및 변경이 첨부된 특허청구범위 또는 이의 등가물의 범위 내에 있는 한 이들을 포함하는 것으로 해석되는 것으로 의도된다.

Claims

약 0.5 중량% 내지 약 1 중량% 크롬;
약 0.02 중량% 내지 약 0.1 중량% 규소;
약 0.1 중량% 내지 약 0.2 중량% 은;
약 0.015 중량% 내지 약 0.05 중량% 티타늄;
약 0.02 중량% 내지 약 0.06 중량% 지르코늄; 및
잔부(balance) 구리
를 포함하는 구리 합금으로서,
상기 구리 합금은 70 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도(offset yield strength) 및 75% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는, 구리 합금.
제1항에 있어서,
80 ksi 이상의 극한(ultimate) 인장 강도를 추가로 갖는 구리 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서,
7% 이상의 총 파단 신율(%)을 추가로 갖는 구리 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
0.0/0.0의 성형성 비(formability ratio)를 추가로 갖는 구리 합금.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리 합금이 75 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도 및 80% IACS 이상의 전기 전도도를 갖는, 구리 합금.
제1항에 있어서,
상기 구리 합금이 70 ksi 이상의 0.2% 오프셋 항복 강도; 75% IACS 이상의 전기 전도도; 75 ksi 이상의 극한 인장 강도; 및 7% 이상의 총 파단 신율(%)을 갖는, 구리 합금.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리 합금이 주석 또는 베릴륨을 함유하지 않는, 구리 합금.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리 합금에 지르코늄 실리사이드가 없는 구리 합금.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 구리 합금으로 형성된 물품.
제9항에 있어서,
상기 물품이 빌릿(billet), 플레이트, 스트립, 호일, 와이어, 로드, 튜브 또는 바인, 물품.
제1 냉간 가공률(percentage of cold working; %CW)로 구리 합금을 냉간 가공하는 단계;
냉간 가공된 상기 구리 합금을 제1 기간 동안 첫번째로 용체화 어닐링(solution annealing)하는 단계;
용체화 어닐링된 상기 구리 합금을 제2 %CW로 냉간 가공하는 단계;
냉간 가공된 상기 구리 합금을 제2 기간 동안 두번째로 용체화 어닐링하는 단계;
용체화 어닐링된 상기 구리 합금을 제3 %CW로 냉간 가공하는 단계; 및
냉간 가공된 상기 구리 합금을 제3 기간 동안 에이징하여 구리 합금을 수득하는 단계
를 포함하는 구리 합금의 제조 방법으로서,
상기 구리 합금은 70 ksi 이상의 항복 강도 및 75% IACS 이상의 전도도를 갖는, 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 %CW가 약 60% 내지 약 95%인, 제조 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 제2 %CW가 약 30% 내지 약 80%인, 제조 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 %CW가 약 30% 내지 약 80%인, 제조 방법.
제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
최소 누적 냉간 가공률이 85% 이상인, 제조 방법.
제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 용체화 어닐링이 약 950℃ 내지 약 1050℃의 온도에서 수행되는, 제조 방법.
제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 기간이 약 1분 내지 약 10분인, 제조 방법.
제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 용체화 어닐링이 약 950℃ 내지 약 1050℃의 온도에서 수행되는, 제조 방법.
제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 기간이 약 1분 내지 약 10분인, 제조 방법.
제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에이징이 약 400℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행되는, 제조 방법.
제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 기간이 약 4시간 내지 약 20시간인, 제조 방법.
제11항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에이징이 완전 수소(full hydrogen) 분위기에서 수행되는, 제조 방법.
제11항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리 합금이
약 0.5 중량% 내지 약 1 중량% 크롬;
약 0.02 중량% 내지 약 0.1 중량% 규소;
약 0.1 중량% 내지 약 0.2 중량% 은;
약 0.015 중량% 내지 약 0.05 중량% 티타늄;
약 0.02 중량% 내지 약 0.06 중량% 지르코늄; 및
잔부 구리
를 포함하는, 제조 방법.
제11항 내지 제23항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 구리 합금.