CN104392773A - 铜合金导电线和制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铜合金导电线和制造方法，该铜合金导电线，包括芯线、中包层和外包层，中包层包在芯线表面，外包层包在中包层外面，芯线的材质是铜合金，中包层为锌层，外包层为锡层。铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅，该制造方法，包括以下步骤：（1）热熔铝、银、铬、镍和硅；（2）热熔铜；（3）热熔的铝、银、铬、镍和硅与热熔的铜混合；（4）铜合金的液体冷却，热锻处理，拉丝成芯线；（5）芯线电镀锌层；（6）锌层表面电镀锡层。本发明的铜合金导电线导电、导热性能优异，电导率为93—105%IACS，热导率为460—510wm-1k-1，且产品合格率高。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金导电线和制造方法，该铜合金导电线具有较好的导电性能，该制造方法能制造出性能稳定的该铜合金导线，属于金属材料领域。
背景技术
铜合金被广泛应用于汽车部件、家电部件、电气、电子、光学部件、配管构件、水暖金属件或者各种阀门等。且由于近年来全球变暖，强烈要求制品或者构件的小型、轻量化和薄壁化，在比重比铁大的铜合金中，需要通过高强度化来应对上述要求。
尤其在气象机械、气象光学仪器领域，对仪器的重量有着较高的要求，以及对仪器的精密程度要求较高，就需要使用高强度的且轻质的合金材料，很多气象观测站，由于地域、交通的限制，不能够满足较重仪器的搬运和安装，仪器更换也存在很大的难度，这就需要在仪器的配备上有着较高的要求，仪器的精密度，以及仪器的使用寿命要求高。对于仪器制作时使用的材料，尤其是传感器，以及数据采集芯片使用的铜合金的要求很高，传统的简单的铜合金材料基本无法满足要求。传统的铜合金不仅在质量重、感应的灵敏度差以及能够被使用的次数少，不能满足气象领域的仪器使用要求。
高导高强铜合金是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应用于电阻焊、电力、电子、机械制造等工业领域。
现有的晶体管、IC等半导体，或集成电路等组件，其连结电极与外部导线一般是以高纯度4N系(纯度＞99.99mass(质量)％)的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为电性连接的接合线，然而，由于黄金较高的价格，以及黄金市场的不稳定性，在考虑成本和行业风险的情况下，使用黄金存在一定的弊端，不利于工业化应用和大规模的生产。使用铜合金替代高价位的高纯度4N系(纯度＞99.99mass(质量)％)的黄金与其他微量金属元素制成的金线作为电性连接的接合线成为业内人士考虑的方向。使用铜合金时，由于封装用树脂与导线的热膨胀系数差异过大，随着半导体启动后温度上升，因热形成的体积膨胀对形成回路的铜接合线产生外部应力，特别是对暴露于严酷的热循环条件下的半导体组件，容易使铜接合线产生短线的问题。
用于作为载流部件(例如连接件、引流框、继电器和开关)的电气和电子部件的材料具有良好的电导率，以抑制因为载流而产生焦耳热，要求所使用的材料的高强度能承受在使用此材料的电气和电子设备的组装和运行过程中向其施加的应力。用于电气和电子部件的材料还要求具有极佳的可弯曲加工性，而且，为了确保电气和电子部件之间的接触可靠性，要求用于该部件的材料具有极佳的耐应力松弛性。尤其近年来，电气和电子部件存在集成化、微型化和轻质化的倾向，碎玉材料的性能要求更高，铜合金板的厚度要变薄，强度以及敏感度要求更高。
发明人通过检索得到专利号为2010800134044，发明名称为高度强铜合金专利，该铜合金中的组分为锌20％～45％、铁0.3～1.5％、铬0.3～1.5％，余量为铜，且该铜合金内部分散有铁-铬系化合物粒子和Al2Ca的金属间化合物粒子，以重量标准计所述铁相对于所述铬的含有比率Fe/Cr为0.5～2。在具体实施例中公布了抗拉强度和破断延伸率的试验数据，但是对于这种配比的铜合金材料，只能通过使用该专利中公开的制作方法来得到，对于铜合金材料内部的成型结构，无法实现具体控制，且该铜合金材料的抗变形系数，以及导电系数并不能达到在气象机械的传感器中的要求，无法应用到气象机械的传感器中，无法解决减轻气象机械的重量和提高气象机械的传感灵敏度的问题。
发明人还检索到申请号为201110228500.7，发明名称为一种铜合金材料的发明专利，该发明公开的铜合金材料，由以下以重量百分比计的原料制成：
Pb0.641％～0.704％，Si1.23％～1.36％，Mn1.94％～2.32％，Ni1.95％～2.21％，Fe0.093％～0.153％，Sn0.025％～0.048％，Zn35.3％～35.76％，Cu余量。该发明的铜合金材料具有高强度、耐磨、耐腐蚀、延展性好、易加工、不易拉脱等优点，适合于制造高压柱塞泵的核心零件如滑靴和配流盘。但是这种铜合金材料的导电性能不好，不适应于制作传感器部件，尤其不适应于制作气象领域的传感器。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种铜合金导电线和制造方法，具体技术方案为：
该铜合金导电线，包括芯线、中包层和外包层，所述中包层包在芯线表面，所述外包层包在中包层外面，所述芯线的材质是铜合金，所述中包层为锌层，所述外包层为锡层。
所述铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝1.5％～2.5％、银0.06％～0.07％、铬0.35％～0.55％、镍0.45％～0.60％和硅1.1％～2.5％。
所述铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝2.0％、银0.065％、铬0.45％、镍0.5％和硅1.8％。
所述芯线的直径、中包层的厚度和外包层的厚度比例为10:0.5:1。
一种制造该铜合金导电线的方法，包括以下步骤：
(1)将铝、银、铬、镍和硅按照权利要求2或3所述的在铜合金中所占的重量百分比例热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1600℃±50℃；
(2)将步骤(1)对应重量的铜热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1400℃±50℃；
(3)将步骤(1)和步骤(2)热熔得到的金属液体在真空高温环境中混合，环境温度为1500℃±50℃，并保温一段时间，待铝、银、铬、镍、硅与铜充分混合均匀，并形成相对稳定的金属晶体内部构架；
(4)将步骤(3)所得的铜合金的液体冷却，当温度降至1000℃时，进行热锻处理，继续降温至800℃时，进行拉丝，拉至需要直径的芯线，拉丝过程快速冷却，芯线成型并降至常温；
(5)将步骤(4)所得的芯线置于锌的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在芯线表面形成一定后锌层，即中包层，将电镀完成的芯线从电解池中取出后冷却至常温；
(6)将步骤(4)所得的表面有锌层的芯线置于锡的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在锌层表面形成一层锡层，即外包层，锡层的厚度为锌层的2倍，将电镀完成的芯线从电解池中取出后冷却至常温。
本发明的有益效果是：
本发明的铜合金导电线导电、导热性能优异，电导率为93—105％IACS，热导率为460—510wm-1k-1，且铜合金芯线外面镀有锌层和锡层，形成芯线的中包层和外包层，不仅能够有效防止芯线表面氧化或者腐蚀，提高芯线的适用寿命，而且锌层和锡层能够保护芯线的合金组织不受外界环境影响，避免传统的常规的铜合金材料在使用过程中，受到自然环境的影响，内部结构发生变化，产生合同金材料老化，功能下降，导电性能不稳定等问题。
芯线的直径、中包层的厚度和外包层的厚度比例为10:0.5:1，锌层电镀在芯线，且锌层的厚度与芯线的直径比例为0.5:10，锌层包住芯线，对芯线的导电时候的电有约束作用，保护电能不会释放，避免漏电，不丢失芯线上的电能，锡层能将锌层和芯线保护在里面，杜绝与外界空气接触，确保锌层和芯线性能的稳定，有利于导电的稳定性。
本发明的制造方法，将铜合金材料的热熔状态下，冷却至1000℃进行热锻处理，提高铜合金的组织构架的稳定性，然后对铜合金材料拉丝成型，形成内部金属组织结构稳定的芯线，制造方法容易控制，产品的合格率高。通过此方法制造的芯线电镀上锌层和锡层后，测试结构表明，合格率高达96％以上，是一种很理想的生产方法。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
附图标记列表：1—芯线，2—中包层，3—外包层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
结合附图可见，本该铜合金导电线，包括芯线(1)、中包层(2)和外包层(3)，所述中包层(2)包在芯线(1)表面，所述外包层(3)包在中包层(2)外面，所述芯线(1)的材质是铜合金，所述中包层(2)为锌层，所述外包层(3)为锡层。
所述芯线(1)的直径、中包层(2)的厚度和外包层(3)的厚度比例为10:0.5:1。
实施例1：
所述铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝1.5％、银0.06％、铬0.35％、镍0.45％和硅1.1％。
一种制造该铜合金导电线的方法，包括以下步骤：
(1)将铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝1.5％、银0.06％、铬0.35％、镍0.45％和硅1.1％热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1500℃；
(2)将步骤(1)对应重量的铜热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1350℃；(3)将步骤(1)和步骤(2)热熔得到的金属液体在真空高温环境中混合，环境温度为1450℃，并保温一段时间，待铝、银、铬、镍、硅与铜充分混合均匀，并形成相对稳定的金属晶体内部构架；
(4)将步骤(3)所得的铜合金的液体冷却，当温度降至1000℃时，进行热锻处理，继续降温至800℃时，进行拉丝，拉至需要直径的芯线(1)，拉丝过程快速冷却，芯线(1)成型并降至常温；
(5)将步骤(4)所得的芯线(1)置于锌的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在芯线(1)表面形成一定后锌层，即中包层(2)，将电镀完成的芯线(1)从电解池中取出后冷却至常温；
(6)将步骤(4)所得的表面有锌层的芯线(1)置于锡的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在锌层表面形成一层锡层，即外包层(3)，锡层的厚度为锌层的2倍，将电镀完成的芯线(1)从电解池中取出后冷却至常温。
实施例2：
所述铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝2.5％、银0.07％、铬0.55％、镍0.60％和硅2.5％。
一种制造该铜合金导电线的方法，包括以下步骤：
(1)将铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝2.5％、银0.07％、铬0.55％、镍0.60％和硅2.5％热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1600℃；
(2)将步骤(1)对应重量的铜热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1400℃；
(3)将步骤(1)和步骤(2)热熔得到的金属液体在真空高温环境中混合，环境温度为1500℃，并保温一段时间，待铝、银、铬、镍、硅与铜充分混合均匀，并形成相对稳定的金属晶体内部构架；
(4)将步骤(3)所得的铜合金的液体冷却，当温度降至1000℃时，进行热锻处理，继续降温至800℃时，进行拉丝，拉至需要直径的芯线(1)，拉丝过程快速冷却，芯线(1)成型并降至常温；
(5)将步骤(4)所得的芯线(1)置于锌的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在芯线(1)表面形成一定后锌层，即中包层(2)，将电镀完成的芯线(1)从电解池中取出后冷却至常温；
(6)将步骤(4)所得的表面有锌层的芯线(1)置于锡的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在锌层表面形成一层锡层，即外包层(3)，锡层的厚度为锌层的2倍，将电镀完成的芯线(1)从电解池中取出后冷却至常温。
实施例3：
所述铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝2.0％、银0.065％、铬0.45％、镍0.5％和硅1.8％。
该制造该铜合金导电线的方法，包括以下步骤：
(1)将铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝2.0％、银0.065％、铬0.45％、镍0.5％和硅1.8％热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1650℃；
(2)将步骤(1)对应重量的铜热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1450℃；
(3)将步骤(1)和步骤(2)热熔得到的金属液体在真空高温环境中混合，环境温度为1550℃，并保温一段时间，待铝、银、铬、镍、硅与铜充分混合均匀，并形成相对稳定的金属晶体内部构架；
(4)将步骤(3)所得的铜合金的液体冷却，当温度降至1000℃时，进行热锻处理，继续降温至800℃时，进行拉丝，拉至需要直径的芯线(1)，拉丝过程快速冷却，芯线(1)成型并降至常温；
(5)将步骤(4)所得的芯线(1)置于锌的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在芯线(1)表面形成一定后锌层，即中包层(2)，将电镀完成的芯线(1)从电解池中取出后冷却至常温；
(6)将步骤(4)所得的表面有锌层的芯线(1)置于锡的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在锌层表面形成一层锡层，即外包层(3)，锡层的厚度为锌层的2倍，将电镀完成的芯线(1)从电解池中取出后冷却至常温。
按照上述3个实施例的铜合金成分和制造工艺生产制造出来的铜合金导电线，分别测试其电导率为93—105％IACS，热导率为460—510wm-1k-1，总结成下表：
| 实施例 | 电导率(％IACS) | 热导率(wm-1k-1) |
| 实施例1 | 93 | 460 |
| 实施例2 | 105 | 510 |
| 实施例3 | 100 | 490 |
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (5)
1.铜合金导电线，其特征是包括芯线、中包层和外包层，所述中包层包在芯线表面，所述外包层包在中包层外面，所述芯线是铜合金线，所述中包层为锌层，所述外包层为锡层。
2.根据权利要求1所述的铜合金导电线，其特征是所述铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝1.5%~2.5%、银0.06%~0.07%、铬0.35%~0.55%、镍0.45%~0.60%和硅1.1%~2.5%。
3.根据权利要求2所述的铜合金导电线，其特征是所述铜合金中包含有铝、银、铬、镍和硅，铝、银、铬、镍和硅在铜合金中所占的重量百分比例分别是铝2.0%、银0.065%、铬0.45%、镍0.5%和硅1.8%。
4.根据权利要求1所述的铜合金导电线，其特征是所述芯线的直径、中包层的厚度和外包层的厚度比例为10:0.5:1。
5.一种制造如权利要求1-4任一所述的铜合金导电线的方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将铝、银、铬、镍和硅按照权利要求2或3所述的在铜合金中所占的重量百分比例热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1600℃±50℃；
（2）将步骤（1）对应重量的铜热熔，热熔环境为真空环境，热熔温度为1400℃±50℃；
（3）将步骤（1）和步骤（2）热熔得到的金属液体在真空高温环境中混合，环境温度为1500℃±50℃，并保温一段时间，待铝、银、铬、镍、硅与铜充分混合均匀，并形成相对稳定的金属晶体内部构架；
（4）将步骤（3）所得的铜合金的液体冷却，当温度降至1000℃时，进行热锻处理，继续降温至800℃时，进行拉丝，拉至需要直径的芯线，拉丝过程快速冷却，芯线成型并降至常温；
（5）将步骤（4）所得的芯线置于锌的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在芯线表面形成一定后锌层，即中包层，将电镀完成的芯线从电解池中取出后冷却至常温；
（6）将步骤（4）所得的表面有锌层的芯线置于锡的溶解液中并通电，形成电解池，通电足够长的时间，直至在锌层表面形成一层锡层，即外包层，锡层的厚度为锌层的2倍，将电镀完成的芯线从电解池中取出后冷却至常温。
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