CN111411256B - 一种电子元器件用铜锆合金及其制备方法 - Google Patents

一种电子元器件用铜锆合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子元器件用铜锆合金及其制备方法，合金成分包括：Zr 0.05‑0.4wt％，Mg 0.05‑0.2wt％，Si 0.03‑0.15wt％，稀土0.01‑0.06wt％，余量为Cu及不可避免的杂质元素。本发明还公开了一种该合金的制备方法，包括熔化、合金化、铸造、热轧、粗轧、时效、精轧、去应力退火和成品处理。本发明的铜锆合金在添加Mg、Si和稀土元素的综合作用影响下，同时兼备高强度、高导电性和优异的弯曲加工性，其制备方法易于工程化生产，且成本低，成品带材抗拉强度不小于560MPa、导电率不小于80％IACS，其产品可用于极大规模集成电路及大电流电子元件、散热部件。

Description

一种电子元器件用铜锆合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种电子元器件用铜锆合金及其制备方法。
背景技术
铜锆合金具有高达90～95％IACS导电率且同时具有较高的耐热性，常作为高功率引线框架和电子连接器等电子元器件用铜合金。随着微电子、通讯、交通、航天、航空等高技术领域的快速发展，电子元器件也向高集成化、小型化、薄壁化方向发展，电子元器件的传输量和发热量加大，这对铜合金材料提出了更高的要求，除了具备较高导电导热、耐热性能之外，还需要具有高的强度，急需要强度大于550MPa，同时导电率大于80％IACS的合金材料。铜锆合金尽管具有较高的导电导热和耐热性能，但其强度偏低，抗拉强度约为450MPa，这限制了其在日益增长的小型化电子元器件上的应用。
在铜锆合金中，铜和锆易在晶界或晶体内缺陷位置析出中间相粒子，且尺寸较大、分布疏松，对合金强度贡献不大，所以强度较低。为提高铜锆合金的强度，需要引入其他强化方式。添加固溶强化元素或添加元素生成新的颗粒强化相是当前采用的主要方式。专利CN104718302B选用微量Ti元素、专利CN103380221B选用Co和B元素、专利CN105452502B选用Si元素改性合金，但这些专利以提高合金的应力松弛、弯曲成形性、剪切成形性和屈服强度为主，对合金的强度提升幅度较小，抗拉强度普遍小于550MPa。专利CN105088010B选用Ni、Si、Ag和稀土元素，Ni与Si能形成Ni2Si非氧化物增强相提高合金的强度，以银提高合金的导电率和延伸率，稀土元素改变合金的工艺性，精炼、除气和微合金化作用，其抗拉强度和导电率分别达到660MPa和80％IACS，大幅度提高了合金的强度。但该专利添加Ag元素成本过高，且采用真空熔炼方式制备，产业化成本较高，不利于推广。市场急需开发一种低成本、易于工程化生产且强度大于550MPa、导电率大于80％IACS的合金材料。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种同时兼备高强度、高导电性和优异的弯曲加工性的铜锆合金及其制备方法，其产品可用于极大规模集成电路及大电流电子元件、散热部件。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种电子元器件用铜锆合金，其特征在于，其成分包括：Zr 0.05wt％-0.4wt％，Mg0.05wt％-0.2wt％，Si 0.03wt％-0.15wt％，稀土0.01wt％-0.06wt％，余量为Cu及不可避免的杂质元素；其中，所述不可避免的杂质元素含量总和小于0.1wt％，Zr、Mg、Si元素质量百分比满足(Zr+Mg)/Si＞2，避免过量Si元素固溶于基体。
进一步地，所述不可避免的杂质元素包括Fe、P、Ti、Cr、Zn、Al、Ni。
进一步地，本发明所述的一种电子元器件用铜锆合金，其优选的质量百分比包括：Zr 0.1wt％-0.2wt％，Mg 0.1wt％-0.2wt％，Si 0.03wt％-0.1wt％，稀土0.03wt％-0.06wt％，余量为Cu及不可避免的杂质。
进一步地，所述稀土元素为La、Ce、Y中的一种。
进一步地，所述铜锆合金制得的铜锆产品抗拉强度不小于560MPa，延伸率大于3％，电导率不小于80％IACS。
一种如上所述电子元器件用铜锆合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)熔化：将铜装入感应熔炼炉，添加覆盖剂，在保护气氛下进行熔化，并进行除气处理，得到铜熔体；
(2)合金化：将中间合金依次加入铜熔体中，得到铜合金熔体；
(3)铸造：对经步骤(2)所得铜合金熔体进行铸造，获得铸坯，铸造温度为1180℃-1250℃；
(4)热轧：对步骤(3)所得铸坯进行加热热轧和在线淬火，热轧加热温度为880℃～960℃，保温4h，终轧温度不低于700℃；
(5)粗轧：对经步骤(4)所得铜合金热轧坯进行冷轧变形，变形量70％～95％；
(6)时效：对步骤(5)所得铜合金冷轧铜带进行时效处理，时效温度为380℃～450℃，保温时间为2h～6h；
(7)精轧：将步骤(6)所得的时效带材进行50％～80％变形量的冷轧变形；
(8)成品处理：将经步骤(7)得到的带材进行去应力退火、矫直分切处理。
进一步地，所述方法采用非真空熔铸制备合金铸锭。
进一步的，所述步骤(2)中，中间合金的加入顺序为Cu-Mg、Cu-Si、铜-稀土、Cu-Zr。
与现有技术相比，本发明显著的技术效果体现在：
(1)本发明合金中，在现有铜锆合金基础上，通过添加Mg、Si元素，形成ZrxSiy和富含Mg、Si析出相，辅助CuaZrb相进一步提高合金的强度。
(2)本发明合金中，添加一定量的Mg元素，起到固溶强化的同时，因Mg更易于与氧结合，降低熔体中的氧含量，使熔体持续保持低氧含量，减少Zr氧化损失，提高Zr元素的收得率；
(3)本发明中，稀土元素能够起到净化熔体，细化铸锭组织和进一步强化合金的作用，改善成品的综合性能，且稀土元素更易于与O元素结合，也有利于降低Zr元素的氧化损失；
(4)本发明的铜锆合金在添加Mg、Si和稀土元素的综合作用影响下，同时兼备高强度、高导电性和优异的弯曲加工性，其制备方法易于工程化生产，且成本低，成品带材抗拉强度大于560MPa、导电率大于80％IACS。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1：
(1)熔化：将铜装入感应熔炼炉，添加木炭和鳞片石墨，在氩气保护气氛下进行熔化，并进行除气处理，得到铜熔体；
(2)合金化：将中间合金Cu-10wt％Mg、Cu-15wt％Si、Cu-10wt％La、Cu-15wt％Zr依次加入炉中，保温至完全熔化得到铜合金熔体；
(3)铸造：对步骤(2)所得铜合金熔体进行铸造，铸造温度1180℃，获得200×600mm规格铸坯，成分为Zr 0.05wt％，Mg 0.17wt％，Si 0.06wt％，La 0.06wt％，余量为Cu及不可避免的杂质；
(4)热轧：对步骤(3)所得铜合金铸坯进行加热热轧和在线淬火，热轧加热温度880℃，保温4h，终轧温度700℃，热轧坯厚度为16mm；
(5)粗轧：对步骤(4)所得铜合金热轧坯进行冷轧变形，变形量75％；
(6)时效：对步骤(5)所得铜合金冷轧铜带进行420℃×4h时效处理；
(7)精轧：将时效带材进行80％变形量的冷轧变形；
(8)去应力和成品处理：550℃保温30s去应力退火和矫直分切处理。
获得产品的性能为抗拉强度571MPa，延伸率4.5％，导电率85.2％IACS，维氏硬度172。
实施例2：
(1)熔化：将铜装入感应熔炼炉，添加木炭和鳞片石墨，在氮气保护气氛下进行熔化，并进行除气处理，得到铜熔体；
(2)合金化：将中间合金Cu-10wt％Mg、Cu-15wt％Si、Cu-10wt％Ce、Cu-15wt％Zr依次加入炉中，保温至完全熔化得到铜合金熔体；
(3)铸造：对步骤(2)所得铜合金熔体进行铸造，铸造温度1200℃，获得200×600mm规格铸坯，成分为Zr 0.11wt％，Mg 0.1wt％，Si 0.03wt％，Ce 0.05wt％，余量为Cu及不可避免的杂质；
(4)热轧：对步骤(3)所得铜合金铸坯进行加热热轧和在线淬火，热轧加热温度900℃，保温4h，终轧温度720℃，热轧坯厚度为16mm；
(5)粗轧：对步骤(4)所得铜合金热轧坯进行冷轧变形，变形80％；
(6)时效：对步骤(5)所得铜合金冷轧铜带进行380℃×6h时效处理；
(7)精轧：将时效带材进行75％变形量的冷轧变形；
(8)去应力和成品处理：550℃保温30s去应力退火和矫直分切处理。
获得产品的性能为抗拉强度565MPa，延伸率5％，导电率87.1％IACS，维氏硬度168。
实施例3：
(1)熔化：将铜装入感应熔炼炉，添加木炭和鳞片石墨，在氩气保护气氛下进行熔化，并进行除气处理，得到铜熔体；
(2)合金化：将中间合金Cu-10wt％Mg、Cu-15wt％Si、Cu-10wt％Y、Cu-15wt％Zr依次加入炉中，保温至完全熔化得到铜合金熔体；
(3)铸造：对步骤(2)所得铜合金熔体进行铸造，铸造温度1250℃，获得200×600mm规格铸坯，成分为Zr 0.2wt％，Mg 0.2wt％，Si 0.08wt％，Y 0.05wt％，余量为Cu及不可避免的杂质；
(4)热轧：对步骤(3)所得铜合金铸坯进行加热热轧和在线淬火，热轧加热温度920℃，保温4h，终轧温度700℃，热轧坯厚度为16mm；
(5)粗轧：对步骤(4)所得铜合金热轧坯进行冷轧变形，变形量85％；
(6)时效：对步骤(5)所得铜合金冷轧铜带进行450℃×2h时效处理；
(7)精轧：将时效带材进行65％变形量的冷轧变形；
(8)去应力和成品处理：550℃保温30s去应力退火和矫直分切处理。
获得产品的性能为抗拉强度596MPa，延伸率4％，导电率84.5％IACS，维氏硬度176。
实施例4：
(1)熔化：将铜装入感应熔炼炉，添加木炭和鳞片石墨，在氩气保护气氛下进行熔化，并进行除气处理，得到铜熔体；
(2)合金化：将中间合金Cu-10wt％Mg、Cu-15wt％Si、Cu-10wt％La、Cu-15wt％Zr依次加入炉中，保温至完全熔化得到铜合金熔体；
(3)铸造：对步骤(2)所得铜合金熔体进行铸造，铸造温度1230℃，获得200×600mm规格铸坯，成分为Zr 0.3wt％，Mg 0.05wt％，Si 0.1wt％，La 0.01wt％，余量为Cu及不可避免的杂质；
(4)热轧：对步骤(3)所得铜合金铸坯进行加热热轧和在线淬火，热轧加热温度940℃，保温4h，终轧温度700℃，热轧坯厚度为16mm；
(5)粗轧：对步骤(4)所得铜合金热轧坯进行冷轧变形，变形量90％；
(6)时效：对步骤(5)所得铜合金冷轧铜带进行420℃×4h时效处理；
(7)精轧：将时效带材进行60％变形量的冷轧变形；
(8)去应力和成品处理：550℃保温30s去应力退火和矫直分切处理。
获得产品的性能为抗拉强度610MPa，延伸率3.5％，导电率82.7％IACS，维氏硬度181。
实施例5：
(1)熔化：将铜装入感应熔炼炉，添加木炭和鳞片石墨，在氮气保护气氛下进行熔化，并进行除气处理，得到铜熔体；
(2)合金化：将中间合金Cu-10wt％Mg、Cu-15wt％Si、Cu-10wt％Ce、Cu-15wt％Zr依次加入炉中，保温至完全熔化得到铜合金熔体；
(3)铸造：对步骤(2)所得铜合金熔体进行铸造，铸造温度1250℃，获得200×600mm规格铸坯，成分为Zr 0.4wt％，Mg 0.1wt％，Si 0.15wt％，Ce 0.03wt％，余量为Cu及不可避免的杂质；
(4)热轧：对步骤(3)所得铜合金铸坯进行加热热轧和在线淬火，热轧加热温度960℃，保温4h，终轧温度700℃，热轧坯厚度为16mm；
(5)粗轧：对步骤(4)所得铜合金热轧坯进行冷轧变形，变形量95％；
(6)时效：对步骤(5)所得铜合金冷轧铜带进行420℃×4h时效处理；
(7)精轧：将时效带材进行50％变形量的冷轧变形；
(8)去应力和成品处理：550℃保温30s去应力退火和矫直分切处理。
获得产品的性能为抗拉强度627MPa，延伸率3.1％，导电率80.6％IACS，维氏硬度187。
表1实施例和对比例合金成分表
Figure BDA0002454839840000081
表2实施例及对比例合金性能表
合金 抗拉强度(MPa) 延伸率(％) 电导率(％IACS) 硬度HV
实施例1 571 4.5 85.2 172
实施例2 565 5 87.1 168
实施例3 596 4 84.5 176
实施例4 610 3.5 82.7 181
实施例5 627 3.1 80.6 187
对比例 530 9.2 93.8 155
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电子元器件用铜锆合金的制备方法，其特征在于，铜锆合金的成分包括：Zr0.05wt％-0.4wt％，Mg 0.05wt％-0.2wt％，Si 0.03wt％-0.15wt％，稀土0.01wt％-0.06wt％，余量为Cu及不可避免的杂质元素；其中，所述不可避免的杂质元素含量总和小于0.1wt％，Zr、Mg、Si元素质量百分比满足(Zr+Mg)/Si＞2；其制备方法具体包括以下步骤：
(1)熔化：将铜装入感应熔炼炉，添加覆盖剂，在惰性气体保护下进行熔化，并进行除气处理，得到铜熔体；
(2)合金化：将中间合金依次加入铜熔体中，得到铜合金熔体；
(3)铸造：对经步骤(2)所得铜合金熔体进行铸造，获得铸坯，铸造温度为1180℃-1250℃；
(4)热轧：对步骤(3)所得铸坯进行加热热轧和在线淬火，热轧加热温度为880℃～960℃，保温4h，终轧温度不低于700℃；
(5)粗轧：对经步骤(4)所得铜合金热轧坯进行冷轧变形，变形量70％～95％；
(6)时效：对步骤(5)所得铜合金冷轧铜带进行时效处理，时效温度为380℃～450℃，保温时间为2h～6h；
(7)精轧：将步骤(6)所得的时效带材进行50％～80％变形量的冷轧变形；
(8)成品处理：将经步骤(7)得到的带材进行去应力退火、矫直分切处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法采用非真空熔铸制备合金铸锭。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，中间合金的加入顺序为Cu-Mg、Cu-Si、铜-稀土、Cu-Zr。
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