CN113106293A - 一种低钴含量高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金及其制备工艺 - Google Patents

一种低钴含量高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明采用机器学习方法设计了一种新型高强中导Cu‑Ni‑Co‑Si系合金及其制备方法，属于新材料设计与开发技术领域。开发的低钴含量Cu‑Ni‑Co‑Si系合金成分特征在于：Ni含量为1.50wt％～2.50wt％，Co含量为0.20wt％～0.49wt％，Si含量为0.50wt％～1.20wt％，Mg含量为0.05wt％～0.40wt％，Zn含量为0.05wt％～0.50wt％，余量Cu。根据需要，还可以添加Zr、Cr、Ca、Ti或稀土等一种或多种微合金化元素，以提升合金的使用性能。与现有Cu‑Ni‑Co‑Si系典型高性能合金C70350相比，本发明合金成分的主要特点包括：(1)超低Co含量，低于C70350合金Co含量下限的一半；(2)含有Mg、Zn合金元素，为六元或六元以上的复杂多元合金。所设计合金抗拉强度可达850～900MPa，断后伸长率为7.0％～10.0％，导电率为45％～55％IACS，适合大规模工业化生产与应用。

Description

一种低钴含量高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种新型高强中导铜合金及其制备工艺，属于金属材料设计、制备加工技术领域，特别提供了一种低钴含量、低成本Cu-Ni-Co-Si系合金的成分与制备工艺。
背景技术
高强中导铜合金由于具有优异的强度和适中的导电率，已被广泛应用于集成电路引线框架、高端电子元器件接插件等领域。随着信息技术的快速发展，集成电路向超大规模方向发展，要求引线框架与电子元器件接插件材料的厚度越来越薄，对铜合金的性能也提出了更高强度、更高导电率的要求。
高端引线框架与电子元器件接插件材料以Cu-Ni-Si和Cu-Ni-Co-Si合金为主，常见的牌号为C70250和C70350。C70250合金中Ni含量为2.2％-4.2wt％、Si含量为0.25wt％-1.2wt％、Mg含量为0.05wt％-0.3wt％，余量为Cu。该合金时效态带材的抗拉强度为700-800MPa，导电率为40.0-45.0％IACS。C70350合金中Ni含量为1.0wt％-2.5wt％、Si含量为0.5wt％-1.2wt％、Co含量为1.0wt％-2.0wt％，余量为Cu。该合金时效态带材的抗拉强度为750-850MPa，导电率为45.0-50.0％IACS。可见，Co元素的添加可以较大幅度地提高Cu-Ni-Si合金的综合性能。然而，Co为高价元素，大幅度提升了Cu-Ni-Co-Si系合金带材的成本。
因此，最大限度发挥其它元素的作用，开发一种低Co元素含量、具有更高综合性能的高强中导铜合金及其制备工艺，以满足超大规模集成电路引线框架与高端电子元器件接插件等材料的应用需求具有重要意义。
发明内容
本发明以降低Co元素含量，精确控制Ni、Si、Mg等元素含量，进而提升铜合金强度和导电性能为目的，通过合金元素含量优化以及合理的固溶、时效工艺处理，开发了一种高综合性能、低钴含量高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金的成分与制备工艺。
一种低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金，其特征在于：Ni含量为1.50wt％～2.50wt％，Co含量为0.20wt％～0.49wt％，Si含量为0.50wt％～1.20wt％，Mg含量为0.05wt％～0.40wt％，Zn含量为0.05wt％～0.50wt％，余量Cu；其中，精确控制Ni、Co、Si三种成分之间的关系为3.8≤(Ni+Co)/Si≤4.3。
进一步地，根据需要，还可以添加Zr、Cr、Ca、Ti或稀土一种或多种微合金化元素，以提升合金的综合性能。微合金化元素的含量为0.00wt％～0.20wt％Zr，0.00wt％～0.20wt％Cr，0.00wt％～0.10wt％Ca，0.00wt％～0.10wt％Ti，0.00wt％～0.10wt％RE，RE为La或Ce。
如上所述低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金的制备工艺，其特征在于Cu-Ni-Co-Si系合金板带的制备工艺流程为：熔炼→热冷组合铸型水平连铸→粗冷轧→一次固溶→中冷轧→二次固溶→一次精冷轧→一次时效→二次精冷轧→二次时效；具体特征在于：
(1)熔炼：将按比例配好的电解Cu、电解Ni、电解Co、多晶Si原料放入熔炼炉中加热至1300℃～1400℃，根据需要可采取在金属表面覆盖木炭防止氧化措施；待Cu-Ni-Co-Si完全熔化后，将Cu-Mg、Cu-Zn、Cu-Zr、Cu-Cr、Cu-Ca、Cu-Ti、Cu-RE中间合金加入金属液中，将熔炼好的合金熔体静置10min除渣后，转移至热冷组合铸型水平连铸保温炉中，同时通入惰性气体保护；
(2)热冷组合铸型水平连铸：采用熔体温度1250℃～1300℃，热型温度1200℃～1250℃，牵引速率50～200mm/min的工艺，制备厚度为8～50mm的Cu-Ni-Co-Si系合金板坯；
(3)粗冷轧：道次变形量15～40％，总变形量50～95％，轧后厚度为2.0～4.0mm；
(4)一次固溶：在线惰性气体保护固溶淬火；
(5)中冷轧：道次变形量15～30％，总变形量50～80％，轧后厚度为0.5～1.0mm；
(6)二次固溶淬火：在线惰性气体保护固溶淬火；
(7)一次精冷轧：道次变形量10～20％，总变形量30～60％，轧后厚度为0.2～0.5mm；
(8)一次时效：罩式炉时效，惰性气体保护；
(9)二次精冷轧：道次变形量5～10％，总变形量20～50％，轧后厚度为0.05～0.2mm；
(10)二次时效：罩式炉时效，惰性气体保护。
进一步地，步骤(4)所述一次固溶温度为900～1000℃，速度1～10m/min。
进一步地，步骤(6)所述一次固溶温度为900～1000℃，速度2～20m/min。
进一步地，步骤(8)所述一次时效温度为400～550℃，保温2～6小时。
进一步地，步骤(10)所述二次时效温度为350～500℃，保温1～5小时。
与现有Cu-Ni-Co-Si系典型高性能合金C70350相比，本发明合金成分的主要特点包括：(1)超低Co含量，低于C70350合金Co含量下限的一半；(2)含有Mg、Zn合金元素，为六元或六元以上的复杂多元合金。
本发明的技术要点：
本发明采用机器学***连铸技术可以理论无限长生产合金带材，且带材的合金元素固溶效果好，多级固溶-时效处理可最大限度促进合金中(Ni,Co)2Si和(Ni,Co)3Si等强化相的析出，以实现合金高强度、高导电率的综合性能。
本发明的优点：
(1)本发明综合考虑了各元素对高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金组织性能的影响，特别是对Ni、Co、Si和Mg元素进行了超窄成分区间设计，对降低合金成本、提升合金性能起到了显著的作用。具体考虑因素如下：Ni、Co、Si元素主要是析出相(Ni,Co)2Si和(Ni,Co)3Si的组成元素，元素质量百分比满足3.8≤(Ni+Co)/Si≤4.3；Mg元素一方面可以强化合金基体，另一方面可以阻碍析出相的长大，调控析出相尺寸，提高合金的力学和电学性能。
(2)本发明的熔炼工艺能够避免高熔点元素的熔化不充分以及微量元素和易氧化元素的烧损等问题，提高了铸锭化学成分的准确性和均匀性；热冷组合铸型水平连铸工艺生产的铜合金板坯表面质量好，可直接进行后续冷轧加工，工艺简单、连续，产品成材率高；形变-热处理工艺可以提高合金中析出相的析出程度，提高合金的综合力学与电学性能，所制备合金抗拉强度可达850～900MPa，断后伸长率为7.0％～10.0％，导电率为45％～55％IACS。
附图说明
图1为所发明低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例：本发明以降低Co元素含量、精确控制Ni、Si、Mg等元素含量进而提升铜合金强度和导电性能为目的，开发了一种低钴含量高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金，成分如表1所示。
表1低钴含量高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金成分(wt％)
Figure BDA0002991737490000041
该合金的制备工艺如下：
(1)熔炼：将按比例配好的电解Cu、电解Ni、电解Co、多晶Si等原料放入熔炼炉中加热至1300℃～1400℃，根据需要可采取在金属表面覆盖木炭等防止氧化措施；待Cu-Ni-Co-Si完全熔化后，将Cu-Mg、Cu-Zn、Cu-Zr、Cu-Cr、Cu-Ca、Cu-Ti、Cu-RE等中间合金加入金属液中，将熔炼好的合金熔体静置10min除渣后，转移至热冷组合铸型水平连铸保温炉中，同时通入惰性气体保护。
(2)热冷组合铸型水平连铸：采用熔体温度1250℃，热型温度1225℃，牵引速率80mm/min的工艺，制备厚度为20mm的Cu-Ni-Co-Si系合金板坯。
(3)粗冷轧：道次变形量20％，总变形量80％，轧后厚度为4.0mm。
(4)一次固溶淬火：在线惰性气体保护固溶淬火，温度975℃，速度8m/min。
(5)中冷轧：道次变形量20％，总变形量80％，轧后厚度为0.8mm。
(6)二次固溶淬火：在线惰性气体保护固溶淬火，温度975℃，速度15m/min。
(7)一次精冷轧：道次变形量10％，总变形量50％，轧后厚度为0.4mm。
(8)一次时效：罩式炉时效，惰性气体保护，500℃，保温2小时。
(9)二次精冷轧：道次变形量10％，总变形量50％，轧后厚度为0.2mm。
(10)二次时效：罩式炉时效，惰性气体保护，450℃，保温1小时。所制备合金性能如表2所示。
表2低钴含量高强中导Cu-Ni-Co-Si系合金性能
Figure BDA0002991737490000051

Claims (7)

1.一种低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金，其特征在于：Ni含量为1.50wt％～2.50wt％，Co含量为0.20wt％～0.49wt％，Si含量为0.50wt％～1.20wt％，Mg含量为0.05wt％～0.40wt％，Zn含量为0.05wt％～0.50wt％，余量Cu。
2.如权利要求1所述低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金，根据需要，还可以添加Zr、Cr、Ca、Ti或稀土一种或多种微合金化元素，以提升合金的综合性能。微合金化元素的含量为0.00wt％～0.20wt％Zr，0.00wt％～0.20wt％Cr，0.00wt％～0.10wt％Ca，0.00wt％～0.10wt％Ti，0.00wt％～0.10wt％RE，RE为La或Ce。
3.如权利要求1或2所述低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金的制备工艺，其特征在于Cu-Ni-Co-Si系合金板带的制备工艺流程为：熔炼→热冷组合铸型水平连铸→粗冷轧→一次固溶→中冷轧→二次固溶→一次精冷轧→一次时效→二次精冷轧→二次时效；具体特征在于：
(1)熔炼：将按比例配好的电解Cu、电解Ni、电解Co、多晶Si原料放入熔炼炉中加热至1300℃～1400℃，根据需要可采取在金属表面覆盖木炭防止氧化措施；待Cu-Ni-Co-Si完全熔化后，将Cu-Mg、Cu-Zn、Cu-Zr、Cu-Cr、Cu-Ca、Cu-Ti、Cu-RE中间合金加入金属液中，将熔炼好的合金熔体静置10min除渣后，转移至热冷组合铸型水平连铸保温炉中，同时通入惰性气体保护；
(2)热冷组合铸型水平连铸：采用熔体温度1250℃～1300℃，热型温度1200℃～1250℃，牵引速率50～200mm/min的工艺，制备厚度为8～50mm的Cu-Ni-Co-Si系合金板坯；
(3)粗冷轧：道次变形量15～40％，总变形量50～95％，轧后厚度为2.0～4.0mm；
(4)一次固溶：在线惰性气体保护固溶淬火；
(5)中冷轧：道次变形量15～30％，总变形量50～80％，轧后厚度为0.5～1.0mm；
(6)二次固溶淬火：在线惰性气体保护固溶淬火；
(7)一次精冷轧：道次变形量10～20％，总变形量30～60％，轧后厚度为0.2～0.5mm；
(8)一次时效：罩式炉时效，惰性气体保护；
(9)二次精冷轧：道次变形量5～10％，总变形量20～50％，轧后厚度为0.05～0.2mm；
(10)二次时效：罩式炉时效，惰性气体保护。
4.如权利要求3所述低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金的制备工艺，其特征在于步骤(4)所述一次固溶温度为900～1000℃，速度1～10m/min。
5.如权利要求3所述低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金的制备工艺，其特征在于步骤(6)所述二次固溶温度为900～1000℃，速度2～20m/min。
6.如权利要求3所述低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金的制备工艺，其特征在于步骤(8)所述一次时效温度为400～550℃，保温2～6小时。
7.如权利要求3所述低钴含量Cu-Ni-Co-Si系合金的制备工艺，其特征在于步骤(10)所述二次时效温度为350～500℃，保温1～5小时。
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