TWI515302B - 銅合金及其製造方法 - Google Patents

Description

銅合金及其製造方法

本發明是有關於一種合金及其製造方法，且特別是有關於一種銅合金及其製造方法。

銅-三氧化二鋁(Cu-Al₂O₃)是一種複合型材料，具有良好的高溫強度、導電性以及導熱性，因此已被廣泛運用在電阻銲接之電極材料上。

另一方面，在銅合金中，銅鈹(Cu-Be)合金具有最高的強度，例如銅鈹合金可具有超過1000MPa的抗拉強度。然而，鈹元素為有毒物質，所以銅鈹合金產品不易使用及回收，並且銅鈹合金的導電及導熱特性偏低，因此使用上有諸多限制。依照目前開發的各種銅合金產品中，銅鎳矽鉻(Cu-Ni-Si-Cr)合金具有僅次於銅鈹合金的強度。一般，銅鎳矽鉻合金在經過適當的熱處理以及冷加工之後，最高抗拉強度可達750MPa至850MPa，並且具有良好的導電性及導熱性。其中，銅鎳矽鉻合金是透過矽化三鎳(Ni₃Si)析出相來達到增加強度的效果。但是，當銅鎳矽鉻合金所處環境溫度在650℃以上時，矽化三鎳析出相會回溶至銅鎳矽鉻合金的基地中，使得銅鎳矽鉻合金的高溫強度下降。

有鑑於此，亟需提出一種銅合金及其製造方法，以 解決無法兼顧銅合金的高溫強度、抗拉強度以及產品安全性問題。

因此，本發明之一目的在於提供一種銅合金的製造方法，所得之銅合金可兼顧高溫強度、抗拉強度以及產品安全性。

本發明之另一目的在於提供一種銅合金，其具有優良之機械性質以及熱傳性質，其中銅合金之硬度係243Hv至310Hv、熱傳導係數係110W/m-K至142W/m-K以及抗拉強度係696MPa至815MPa。

根據本發明之上述目的，提出一種銅合金的製造方法。在一實施例中，提供0.8體積百分比至1體積百分比之銅-三氧化二鋁(Cu-Al₂O₃)粉末。提供99體積百分比至99.2體積百分比之銅基合金粉末，其中以銅基合金粉末之總重量為100重量百分比計，銅基合金粉末包含3.74重量百分比至6.93重量百分比之鎳、0.88重量百分比至1.51重量百分比之矽、0.43重量百分比至0.46重量百分比之鉻、91.1重量百分比至94.95重量百分比之銅以及其他不可避免之雜質。混合銅-三氧化二鋁粉末以及銅基合金粉末以形成混合粉末。熱壓混合粉末，以形成銅合金。

依據本發明一實施例，上述提供銅-三氧化二鋁粉末之步驟更包含提供銅鋁合金粉末以及氧化銅，以及對銅鋁合金粉末以及氧化銅進行內氧化法，以形成銅-三氧化二鋁粉末。

依據本發明一實施例，上述提供銅基合金粉末之步驟更包含提供銅基合金原料、熔煉銅基合金原料以形成銅基合金湯液，以及霧化銅基合金湯液以形成銅基合金粉末。

依據本發明一實施例，上述熔煉銅基合金原料之步驟更包含以真空感應熔煉法(Vacuum induction melting；VIM)熔煉銅基合金原料。

依據本發明一實施例，上述銅合金的製造方法更包含對銅合金進行固溶熱處理步驟，其中固溶熱處理步驟之固溶溫度係970℃以及固溶熱處理步驟之固溶時間係8小時。

依據本發明一實施例，在銅合金進行固溶熱處理步驟之後，上述銅合金的製造方法更包含對銅合金進行時效熱處理步驟，其中時效熱處理步驟之時效溫度係450℃以及時效熱處理步驟之時效時間係6小時。

依據本發明一實施例，在對銅合金進行固溶熱處理步驟之前，上述銅合金的製造方法更包含對銅合金進行熱鍛步驟，其中熱鍛步驟之鍛壓比係40%至50%。

根據本發明之另一目的，提出一種銅合金，其係利用上述銅合金的製造方法製得，其中銅合金之硬度係243Hv至310Hv、熱傳導係數係110W/m-K至142W/m-K以及抗拉強度係696MPa至815MPa。

本發明之銅合金之製造方法是利用熱壓處理的方式來將混合後的銅-三氧化二鋁粉末以及銅基合金粉末形成銅合金。經過熱壓步驟後所形成的銅合金，除了銅基合 金粉末本身具有高強度、高導電性以及高導熱性之特性外，位於銅合金晶界中的銅-三氧化二鋁具有良好的高溫穩定性，所以可增加銅合金的高溫強度。再者，本發明之銅合金之製造方法之銅合金的主要成分未加入鈹元素。因此，本發明之銅合金之製造方法所製得之銅合金兼顧高溫強度、抗拉強度以及產品安全性。

100‧‧‧方法

110、120、130、140、150、160‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明一實施例之一種銅合金之製造方法的流程圖。

以下配合本發明之實施例詳細說明本發明之技術內容、構造特徵、所達成目的及功效。

請參照第1圖，第1圖係繪示依照本發明一實施例之一種銅合金之製造方法100的流程圖。在方法100中，步驟110是提供0.8體積百分比至1體積百分比之銅-三氧化二鋁(Cu-Al₂O₃)粉末。在一例子中，步驟110包含提供銅鋁合金粉末與氧化銅，以及對銅鋁合金粉末以及氧化銅進行內氧化法，藉以形成銅-三氧化二鋁粉末。上述內氧化法係此領域常用之技術手段，故其細節不在此加以贅述。

步驟120是提供99體積百分比至99.2體積百分比之銅基合金粉末。以銅基合金粉末之總重量為100重量百分比計，銅基合金粉末包含3.74重量百分比至6.93重量百 分比之鎳、0.88重量百分比至1.51重量百分比之矽、0.43重量百分比至0.46重量百分比之鉻、91.1重量百分比至94.95重量百分比之銅以及其他不可避免之雜質。在一例子中，步驟120更包含提供銅基合金原料，並熔煉銅基合金原料，以形成銅基合金湯液，接著霧化銅基合金湯液，以形成銅基合金粉末。

在一示範例子中，熔煉銅基合金原料的步驟可以是利用真空感應熔煉法來進行。在一些示範例子中，熔煉銅基合金原料的步驟可採以電爐熔煉後再經電渣重熔精煉的方式(EAF-ESR)、以真空熔煉後再經電渣重熔精煉的方式(VIM-ESR)、或是以真空熔煉後再經真空電渣重熔精煉的方式(VIM-VAR)。

在另一示範例子中，霧化銅基合金湯液的步驟可更包含進行噴擊步驟，亦即以氣體噴擊銅基合金湯液，使其形成銅基合金粉末，或使得銅基合金湯液由熔煉之容器中落下至圓盤上，利用離心力之原理使銅基合金湯液形成銅基合金粉末。

步驟130係混合銅-三氧化二鋁粉末以及銅基合金粉末以形成混合粉末。在一例子中，可利用粉末攪拌機來均勻混拌銅-三氧化二鋁粉末以及銅基合金粉末。

步驟140係熱壓混合粉末以形成銅合金。混合粉末在經過步驟140的熱壓處理後，混合粉末燒結成本發明實施例之銅合金。在一例子中，在步驟140之後可進行固溶熱處理步驟150，其中固溶熱處理步驟150之固溶溫度係 970℃以及固溶時間係8小時，使銅合金中的過剩相溶解至固溶體中，以改善銅合金的塑性及韌性。在另一例子中，在進行固溶熱處理步驟150之後，更對銅合金進行時效熱處理步驟160，其中時效熱處理步驟160之時效溫度係450℃以及時效時間係6小時，以減除銅合金中的殘餘應力。

在一例子中，在進行固溶熱處理步驟150之前，可對銅合金進行熱鍛步驟，其中熱鍛步驟之鍛壓比係40%至50%，藉以增加銅合金的硬度以及抗拉強度。

以下列舉數個實施例及一比較例，藉此證明本發明之銅合金及其製造方法所製得之銅合金可兼具高熱傳性能、抗拉強度以及產品安全性。

在實施例1中，提供0.8體積百分比至1體積百分比之銅-三氧化二鋁粉末以及99體積百分比至99.2體積百分比之銅基合金粉末。其中，以銅基合金粉末之總重量為100重量百分比計，銅基合金粉末包含3.74重量百分比之鎳、0.88重量百分比之矽、0.46重量百分比之鉻以及其餘為銅與小於0.3重量百分率之鋁、鐵及鈷等不可避免之雜質。之後，將銅-三氧化二鋁粉末及銅基合金粉末進行混合步驟以及熱壓步驟，以形成銅合金。所得之銅合金再以970℃的固溶溫度持溫8小時後水淬，再經過450℃的時效溫度持溫6小時後空冷，以得到實施例1之經熱處理後之銅合金。

實施例2至4之製作方法類似於實施例1，惟實施例2至4與實施例1不同處在於實施例2至4的銅基合金 粉末之成分與實施例1不同，其成分如下表1所示。另外，實施例4在進行熱處理之前還對銅合金進行鍛壓比為40%至50%之熱鍛處理。

對實施例1至4之經熱壓步驟形成之銅合金以及經熱處理之銅合金進行多項性能的測量。其中，對實施例1至4進行硬度、熱傳導係數以及抗拉強度之測量。簡言之，利用市售之儀器對實施例1至4進行硬度、熱傳導係數以及抗拉強度等性能的測量，所得之測量結果如下表2所示。

如上表2所示，實施例1至4經熱壓步驟形成之銅合金(尚未進行熱處理)中，銅合金的硬度會隨著鎳及矽元素成分比例的增加而提高，其中硬度可從243Hv提升至310Hv，抗拉強度可從大約321MPa提升至大約363MPa。熱傳導係數則從161W/m-K降至131W/m-K。另外，實施例1至4中經熱處理之銅合金的硬度及抗拉強度會隨著鎳及矽元素成分比例的增加而提高，其中硬度可從140Hv提升至151Hv，抗拉強度可從大約696MPa提升至大約815MPa。熱傳導係數則從142W/m-K降至110W/m-K。並且，由於實施例4的銅合金在進行熱處理前還預先進行熱鍛處理，所以實施例4的銅合金可具有優於實施例3的銅合金的硬度、抗拉強度以及熱傳導係數。

綜上觀之，利用本發明實施例之銅合金之製造方法製得的銅合金，其確實可具有696MPa至815MPa的高抗拉強度，並且本發明實施例之銅合金之主要成分排除使用鈹元素。因此，本發明實施例製得之銅合金兼具熱傳性能、抗拉強度以及產品安全性。另一方面，本發明實施例中經熱處理之銅合金，其熱傳導係數及硬度分別可維持在110W/m-K以上及140Hv以上，所以本發明實施例經熱處 理之銅合金亦具有優良的熱傳導性質及硬度。

另一方面，本發明實施例之銅合金之製造方法製得的銅合金是透過至少兩種強化機構來形成高抗拉強度的銅合金。在利用光學顯微鏡(Optical Microscope；OM)對實施例1至4之經熱處理後之銅合金進行微觀組織觀察後，可發現其組織包含銅鎳矽鉻晶粒以及銅-三氧化二鋁晶粒。其中，銅鎳矽鉻晶粒具有矽化三鎳析出相的析出強化機制，銅-三氧化二鋁晶粒則具有三氧化二鋁的散佈強化機制。另外，在利用穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope；TEM)對實施例1至4之經熱處理後之銅合金進行觀察後，可發現鎳原子及矽原子擴散至銅-三氧化二鋁晶粒內部，因此在銅-三氧化二鋁晶粒中除了有三氧化二鋁顆粒散佈之外，還具有矽化三鎳析出相的存在。因此，本發明實施例之銅合金之製造方法製得的銅合金透過析出強化以及散布強化的機制，而具有高抗拉強度之特點。同時，由於銅-三氧化二鋁的高溫穩定性高，所以本發明實施例之銅合金之製造方法製得的銅合金可具有優良的高溫強度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧方法

110、120、130、140、150、160‧‧‧步驟

Claims (8)

1. 一種銅合金的製造方法，包含：提供0.8體積百分比至1體積百分比之銅-三氧化二鋁(Cu-Al₂O₃)粉末；提供99體積百分比至99.2體積百分比之銅基合金粉末，其中以該銅基合金粉末之總重量為100重量百分比計，該銅基合金粉末包含：3.74重量百分比至6.93重量百分比之鎳；0.88重量百分比至1.51重量百分比之矽；0.43重量百分比至0.46重量百分比之鉻；91.1重量百分比至94.95重量百分比之銅；以及其他不可避免之雜質；混合該銅-三氧化二鋁粉末以及該銅基合金粉末以形成一混合粉末；以及熱壓該混合粉末，以形成該銅合金。
2. 如請求項1所述之銅合金的製造方法，其中該提供該銅-三氧化二鋁粉末之步驟更包含：提供銅鋁合金粉末以及氧化銅；以及對該銅鋁合金粉末以及該氧化銅進行一內氧化法，以形成該銅-三氧化二鋁粉末。
3. 如請求項1所述之銅合金的製造方法，其中提供該銅基合金粉末之步驟更包含： 提供一銅基合金原料；熔煉該銅基合金原料，以形成一銅基合金湯液；以及霧化該銅基合金湯液，以形成該銅基合金粉末。
4. 如請求項3所述之銅合金的製造方法，其中該熔煉該銅基合金原料之步驟更包含以一真空感應熔煉法熔煉該銅基合金原料。
5. 如請求項1所述之銅合金的製造方法，更包含對該銅合金進行一固溶熱處理步驟，其中該固溶熱處理步驟之一固溶溫度係970℃以及該固溶熱處理步驟之一固溶時間係8小時。
6. 如請求項5所述之銅合金的製造方法，在該銅合金進行該固溶熱處理步驟之後，更包含對該銅合金進行一時效熱處理步驟，其中該時效熱處理步驟之一時效溫度係450℃以及該時效熱處理步驟之一時效時間係6小時。
7. 如請求項5所述之銅合金的製造方法，在對該銅合金進行一固溶熱處理步驟之前，更包含對該銅合金進行一熱鍛步驟，其中該熱鍛步驟之鍛壓比係40%至50%。
8. 一種銅合金，其係利用如請求項1至7任一項所述之方法製得，其中該銅合金之硬度係243Hv至310Hv、熱 傳導係數係110W/m-K至142W/m-K以及抗拉強度係696MPa至815MPa。