CN103382535A - 一种高强、高导电、高延伸性铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.5～1.5%的铬，0.3～0.5%的锆，0.1～0.3%的镍，0.2～0.5%的钛，0.2～0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。一种高强、高导电、高延伸性铜合金的制备方法，包括熔炼、铸模的步骤、铸锻的步骤、固溶处理的步骤、拉拔变形的步骤以及时效处理和冷轧变形的步骤。本发明通过限定合金的成分及其比例，使各成分综合作用，显著提高了合金材料的综合性能，其抗拉强度＞620MPa，硬度＞180HV，延伸率＞10%，导电率＞80%IACS，软化温度＞520℃，能较好的满足引线框架等电子工业领域用材料对铜合金性能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基合金及其制备方法，尤其涉及一种高强、高导电、高延伸性铜合金及其制备方法，属于铜合金材料技术领域。
背景技术
Cu-Cr-Zr系合金是一类应用较为广泛的高强度高导电性能合金，目前广泛应用于大规模集成电路用引线框架、电车及电力机车接触线、电极合金等领域。该类合金的主要特点是具有较高的电导率，但其强度普遍偏低。引线框架是半导体元器件和集成电路封装的主要材料，起到支撑芯片、传输信息和散热的作用，因此引线框架在集成电路器件和各组装过程中占有极重要的地位。目前主要的引线框架铜合金有Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si 、Cu-Cr-Zr等合金。随着电子工业的迅猛发展，对传统铜基电工材料的强度、电导率、焊接、蚀刻等性能的要求也越来越高，因此，迫切需要开发一种新型高强、高导引线框架材料铜合金。
中国专利2007年1月31日（公开号：CN 1905082A）公开的高强高导电铜-稀土合金材料及其制备工艺，其制备方法熔铸时直接添加纯金属Cr颗粒，其抗拉强度为470~510MPa，导电率为88~91%IACS，虽导电率较高，但是其强度较低。中国专利2003年5月14日（公告号：CN 1254554 C）公开的一种在传统Cu-Cr-Zr合金基础上添加微量合金元素La、Zn以及Fe（或Co）和Ti的铜合金，抗拉强度虽能达到608.2～641.4MPa，但其电导率仅为65～70%IACS，延伸率仅≥5%。中国专利2008年11月19日（公开号：CN 101733621 A）公开的Cu-Cr-Zr系合金板材的改性制备方法，该类合金在熔铸时加入Ni、Si、Ti等合金元素，该合金抗拉强度≥570MPa，但其延伸率不高为6~9%。日本在我国于2010年12月29日申请的专利（公开号：CN 101928864 A）涉及一种在维持导电率和应力缓和性同时保持强度和弯曲加工性优异的铜合金，其中Cr、Zr、Sn的含量分别为0.1～0.4%、0.02～0.2%、0.01～0.3%，导电率达80%IACS以上，但其强度偏低，仅为550MPa。日本在我国于2010年12月7日申请的专利（公开号：CN 102918172 A）公开的具有高强度和高传导性的铜合金及其制造方法，加入Cr、Si、Sn、Zn、Mg等合金元素，其导电率较高，达到80%IACS以上，但是其强度与硬度偏低。
发明内容
为解决现有技术中铜基合金综合性能较差的技术问题，本发明提供了一种具有理想的硬度、导电率、软化温度、抗拉强度和屈服强度的高性能铜合金及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.5～1.5%的铬，0.3～0.5%的锆，0.1～0.3%的镍，0.2～0.5%的钛，0.2～0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
一种高强、高导电、高延伸性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1200～1300℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1100～1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至800～950℃，保温1～3小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量60～80%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在850～950℃下保温1～2小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为20～40%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行时效处理，时效温度为350～500℃，保温2～10小时，之后进行冷轧变形，变形量为20～80%。
所述时效处理和冷轧变形的方法为：先在时效温度400～500℃下保温2～4小时，进行第一次冷轧变形，变形量为50～80%，然后在时效温度450～500℃下保温2～4小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为60～80%。
所述时效处理和冷轧变形的方法为：先在时效温度480℃下保温2小时，进行第一次冷轧变形，变形量为40%，之后在时效温度450℃下保温2～4小时，进行第二次冷轧变形，变形量为40～60%，然后在时效温度450℃下保温4小时，再进行第三次冷轧变形，变形量为60%。
本发明的有益效果：
（1）、本发明所述铜基合金材料，其主要特征在于在传统Cu-Cr-Zr合金的基础上加入镍、钛、锰。镍的加入能很好地提高合金的机械加工性能；锰的加入能提高合金的抗拉强度，同时使合金具有优良的冷热加工性能，特别是在合金拉拔和冷轧过程中防止开裂；钛的加入能够充分提高合金的延伸率，提高合金的抗软化温度。由于Ni、Mn加入量过多也会影响合金的导电性，所以Ni、Mn的加入量为0.1～0.3%和0.2～0.4%。本发明通过限定合金的成分及其比例，使各成分综合作用，显著提高了合金材料的综合性能，其抗拉强度＞620MPa，硬度＞180HV，延伸率＞10%，导电率＞80%IACS，软化温度＞520℃，能较好的满足引线框架等电子工业领域用材料对铜合金性能的要求。
（2）、制备步骤中，多次时效处理以及多次冷轧变形的操作方法，可以提高析出相的形核位置，析出相析出越多，越能提高合金的强度与导电率。
（3）、本发明所述合金通过热锻、固溶处理、冷轧变形、分级时效处理、冷轧变形等工艺，提高了合金的制备效率，并且进一步提高了合金性能， 抗拉强度可达627 MPa以上，硬度可达187HV以上，延伸率可达17%。
附图说明
图1为本发明中各实施例的合金性能图。
具体实施方式
下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.5～1.5%的铬，0.3～0.5%的锆，0.1～0.3%的镍，0.2～0.5%的钛，0.2～0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
一种高强、高导电、高延伸性铜合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1200～1300℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1100～1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至800～950℃，保温1～3小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量60～80%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在850～950℃下保温1～2小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为20～40%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行时效处理，时效温度为350～500℃，保温2～10小时，之后进行冷轧变形，变形量为20～80%。
所述时效处理和冷轧变形的方法为：先在时效温度400～500℃下保温2～4小时，进行第一次冷轧变形，变形量为50～80%，然后在时效温度450～500℃下保温2～4小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为60～80%。
所述时效处理和冷轧变形的方法为：先在时效温度480℃下保温2小时，进行第一次冷轧变形，变形量为40%，之后在时效温度450℃下保温2～4小时，进行第二次冷轧变形，变形量为40～60%，然后在时效温度450℃下保温4小时，再进行第三次冷轧变形，变形量为60%。
实施例1
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.5%的铬，0.3%的锆，0.1%的镍，0.5%的钛，0.2%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1200℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1100℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至850℃，保温1小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量80%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在850℃保温1小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为30%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度400℃下保温4小时，进行第一次冷轧变形，变形量为50%；然后在时效温度为450℃下保温4小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为60%。
合金性能见附图1。
实施例2
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.5%的铬，0.3%的锆，0.2%的镍，0.2%的钛，0.2%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1250℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1150℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至860℃，保温2小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量75%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在850℃保温1小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为40%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度450℃下保温2小时，进行第一次冷轧变形，变形量为80%；之后在时效温度为460℃下保温4小时，进行第二次冷轧变形，变形量为60%；然后在时效温度450℃下保温2小时，再进行第三次冷轧变形，变形量为60%。
合金性能见附图1。
实施例3
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.6%的铬，0.4%的锆，0.2%的镍，0.3%的钛，0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1250℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至880℃，保温2小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量75%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在900℃保温1小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为40%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度480℃下保温4小时，进行第一次冷轧变形，变形量为40%；然后在时效温度为460℃下保温4小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为70%。
合金性能见附图1。
实施例4
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.6%的铬，0.3%的锆，0.3%的镍，0.2%的钛，0.2%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1300℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至920℃，保温2小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量80%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在920℃保温1小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为40%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度450℃下保温4小时，进行第一次冷轧变形，变形量为60%；然后在时效温度为450℃下保温2小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为80%。
合金性能见附图1。
实施例5
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.7%的铬，0.3%的锆，0.3%的镍，0.4%的钛，0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例4。
合金性能见附图1。
实施例6
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成：0.8%的铬，0.5%的锆，0.2%的镍，0.5%的钛，0.3%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例4。
合金性能见附图1。
实施例7
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成：0.6%的铬，0.5%的锆，0.3%的镍，0.5%的钛，0.2%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1300℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至950℃，保温3小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量75%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在920℃保温1小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为20%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度480℃下保温2小时，进行第一次冷轧变形，变形量为40%；然后在时效温度为450℃下保温4小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为60%；然后在时效温度450℃下保温4小时，再进行第三次冷轧变形，变形量为60%。
合金性能见附图1。
实施例8
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成：1.5%的铬，0.3%的锆，0.2%的镍，0.2%的钛，0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1300℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至930℃，保温2小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量80%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在920℃保温1小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为40%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度480℃下保温2小时，进行第一次冷轧变形，变形量为40%；然后在时效温度为450℃下保温2小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为40%；然后在时效温度450℃下保温4小时，再进行第三次冷轧变形，变形量为60%。
合金性能见附图1。
实施例9
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成：1.2%的铬，0.3%的锆，0.1%的镍，0.2%的钛，0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例8。
合金性能见附图1。
实施例10
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成：0.5%的铬，0.3%的锆，0.2%的镍，0.4%的钛，0.3%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
制备方法同实施例8。
合金性能见附图1。
实施例11
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成，0.7%的铬，0.4%的锆，0.2%的镍，0.3%的钛，0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1200℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至800℃，保温1小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量60%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在850℃保温1小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为20%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行时效处理，先在时效温度350℃下保温2小时，进行第一次冷轧变形，变形量为20%；然后在时效温度为450℃下保温2小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为60%。
合金性能见附图1。
实施例12
一种高强、高导电、高延伸性铜合金，由以下重量百分比的组分组成：0.5%的铬， 0.5%的锆，0.2%的镍，0.2,%的钛，0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
具体制备方法为：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1300℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至950℃，保温3小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量80%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在950℃保温2小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为30%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行分级时效处理，先在时效温度500℃下保温8小时，进行第一次冷轧变形，变形量为20%；然后在时效温度为500℃下保温2小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为80%。
合金性能见附图1。
Claims (4)
1.一种高强、高导电、高延伸性铜合金，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成，0.5～1.5%的铬，0.3～0.5%的锆，0.1～0.3%的镍，0.2～0.5%的钛，0.2～0.4%的锰，余量为铜和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种高强、高导电、高延伸性铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）熔炼、铸模：将金属原料放入高频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为5×10-2Pa，然后充入氮气至炉内压强为0.05MPa，控制熔炼温度为1200～1300℃，熔融后注入铸模，形成铸锭，所述浇筑温度控制在1100～1200℃；
（2）铸锻：将步骤（1）得到的铸锭加热至800～950℃，保温1～3小时，然后锻造加工形成棒材，锻造变形量60～80%，得到棒坯；
（3）固溶处理：将步骤（2）的棒坯装入热处理炉中，在850～950℃下保温1～2小时，然后进行水淬；
（4）拉拔变形：将步骤（3）固溶处理后的合金进行拉拔变形，变形量为20～40%；
（5）时效处理和冷轧变形：将步骤（4）拉拔变形后的合金进行时效处理，时效温度为350～500℃，保温2～10小时，之后进行冷轧变形，变形量为20～80%。
3.根据权利要求书2所述的一种高强、高导电、高延伸性铜合金的制备方法，其特征在于：时效处理和冷轧变形的方法为：先在时效温度400～500℃下保温2～4小时，进行第一次冷轧变形，变形量为50～80%；然后在时效温度450～500℃下保温2～4小时，再进行第二次冷轧变形，变形量为60～80%。
4.根据权利要求书2所述的一种高强、高导电、高延伸性铜合金的制备方法，其特征在于：时效处理和冷轧变形的方法为：先在时效温度480℃下保温2小时，进行第一次冷轧变形，变形量为40%；之后在时效温度450℃下保温2～4小时，进行第二次冷轧变形，变形量为40～60%；然后在时效温度450℃下保温4小时，再进行第三次冷轧变形，变形量为60%。
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