專利名稱：具有高強度和高傳導(dǎo)性的銅合金及其制造方法
具有高強度和高傳導(dǎo)性的銅合金及其制造方法
背景技術(shù)：
具有優(yōu)異的電和熱傳導(dǎo)性的銅基材料已經(jīng)被廣泛用作半導(dǎo)體引線框材料或端子及連接器材料。隨著器件制造的趨勢趨向于高密度集成或者制造更小的器件，因此除了電和熱的傳導(dǎo)性之外，對具有優(yōu)異表面態(tài)如高伸長率和高可鍍性的銅合金的需求更強烈，這種高伸長率和高可鍍性是可加工性所需要的。為此，雖然已經(jīng)開發(fā)了不同的銅合金，但仍然存在制備作為高傳導(dǎo)性銅合金的優(yōu)異的Cu-Cr基合金的困難，包括以低成本、高質(zhì)量和高產(chǎn)量容易地制備所述Cu-Cr基合金的問題。日本專利特開2003-89832 (下文稱“現(xiàn)有技術(shù)I ”)在權(quán)利要求4中公開了 O. 02 O. 4wt% 的 Cr,O. 01 O. 3wt% 的 Zn,O. 005 I. 0wt% 的 Ti、Ni、Fe、Sn、Si、Mn、Co、Al、B、
In和Ag中至少一種以及平衡量的銅的熔融金屬，其通過以下步驟來制備使來自熔融金屬的鑄塊經(jīng)歷熱軋、溶體處理、冷軋、時效處理、冷軋、退火的步驟以及將通過上述步驟獲得的原料加工成符合要求的厚度，從而獲得產(chǎn)品。然而，現(xiàn)有技術(shù)I的銅合金的成分不含有Cr而是含有Zr，并且其雖然具有高傳導(dǎo)性，但是拉伸強度不足，而且完全不清楚在保持拉伸強度的同時如何達到可加工性所要求的伸長率的物理性質(zhì)值，以及在保持所有以上物理性質(zhì)值的同時如何達到硬度。日本專利特開2001-181757 (下文稱“現(xiàn)有技術(shù)2”)公開了一種銅合金，其由O. 2 O. 35wt% 的 Cr,O. Γθ. 5wt% 的 Sn,O. Γθ. 5wt% 的 Zn,O. 05 O. lwt% 的 Si, Pb、Bi、Ca、Sr、Te、Se和稀土元素中的至少一種以及平衡的Cu組成，其通過以下步驟來制備使以上組成的熔融金屬的鑄錠經(jīng)歷加熱至88(T980°C、熱軋、冷軋、在所述冷軋之前或之后在36(T470°C時效處理的步驟,從而獲得具有優(yōu)異沖片加工性(blanking workability)的銅
么么
I=I -Wl O現(xiàn)有技術(shù)主要通過用熱軋、冷軋、溶體處理和時效處理等步驟控制Cr或Cr-Si基化合物的固溶和沉淀來保護強度和傳導(dǎo)性的特性。在現(xiàn)有技術(shù)2中，如果在沒有高溫溶體處理的情況下制備具有約O. 3^0. 4wt%Cr含量的銅合金，則最終軋制板具有許多幾十的斯金格(Stringer)相,或形成在其中的幾μ m大小的顆粒沉淀物，這些軋制板通過由這些斯金格相產(chǎn)生的缺陷或者通過沉淀物與Cu基體的化學(xué)性質(zhì)差異影響可鍍性。日本專利特開H7-54079 (下文稱“現(xiàn)有技術(shù)3”)公開了一種組合物，其由
O.01 O. 2wt%的Cr,O. 005 lwt%的Zr以及作為混雜元素分別O. 005 10wt%的Ni,Sn和Zn、分別 O. 005 5wt% 的 Fe,Co,Te 和 Nb、分別 O. 001 2wt% 的 Be、Mg、Mo、W、Y、Ta 和稀土元素、分別 O. 001 10wt9^3Mn 和 Al、分別 O. 00r5wt% ^ Si,Ge,V,Cd,Hf ,Sb 和 Ga、分別 O. 001 3wt%的Ag和O. 00riwt%的B和P組成?，F(xiàn)有技術(shù)3目的在于通過使來自以上組成的熔融金屬的鑄錠經(jīng)歷熱軋、溶體處理、時效處理等來提高強度和電傳導(dǎo)性?，F(xiàn)有技術(shù)采用35種混雜元素作為組分。就是說，雖然周期表上的族總共有15個族，包括IA族IlII族(8個族)和IB族Λα IA族(7個族)，但是現(xiàn)有技術(shù)3采用屬于除了 IA族(堿金屬)、IIA族(堿土金屬除Be和Mg之外的四種元素)、VIIA (鹵族)、VIA族(氧族)和VA族(氮族)之外的作為組分。但是，說明實施方案的表I不僅公開了 Cu-Cr基、Cu-Zr基或Cu-Cr-Zr基作為組分，其中Cu-Cr基合金(實施方案廣5)被加入了 Ni、B、Fe和P作為混雜元素，Cu-Zr基合金(實施方案6 9)被加入了 Mg、Ag和Be作為混雜元素，以及Cu-Cr-Zr基合金(實施方案1(Γ22)被加入了一種(實施方案If 15)、兩種(實施方案16 17)或三種(實施方案If 21)作為混雜元素，而且根本沒有示出關(guān)于強度的信息，也沒有關(guān)于傳導(dǎo)性的清楚的信息。但是，現(xiàn)有技術(shù)3存在一個問題，即，雖然現(xiàn)有技術(shù)3公開了似乎所有的25種元素是伴隨通過包括25種元素作為混雜材料而產(chǎn)生的相同或相似效果的等效物質(zhì)，但是明顯的是，現(xiàn)有技術(shù)3的技術(shù)結(jié)構(gòu)實際上被限定為所述實施方案。因此，現(xiàn)有技術(shù)3在提高或保持拉伸強度的同時兼具高傳導(dǎo)性和高伸長率方面具有限制，并且具有銅合金的制備中所伴隨的溶體處理生產(chǎn)成本升高因素的問題。
與此同時，韓國專利申請10-2009-0004626 (下文稱“現(xiàn)有技術(shù)4”)公開了一種合金，其由 O. 2 O. 4wt% 的 Cr,O. 05 O. 4wt% 的 Sn,O. 05 O. 4wt% 的 Zn,O. 01 O. 05wt% 的 Si、
O.003 O. 02wt%的P和Mn以及平衡的Cu組成。為了開發(fā)具有比現(xiàn)有技術(shù)4的合金的強度和電傳導(dǎo)性更好的優(yōu)異特性的合金，向現(xiàn)有技術(shù)的實施方案中所述的組合物中加入Mg，從而發(fā)明了一種用于制備具有高強度、高可加工性和高傳導(dǎo)性的銅合金技術(shù)問題為了解決這些問題，本發(fā)明的目的在于提供一種銅合金及其制備方法，其中采用在銅拉伸工廠中使用的Si來加速還原，并且即使在合金中加入諸如Cr、Sn等元素也能夠方便地制備所述銅合金，并且所述銅合金具有能夠在大氣氣氛中、非氧化氣氛中或在還原氣氛中被熔融的組成從而在不對銅合金的拉伸強度產(chǎn)生不利影響的情況下提供具有高傳導(dǎo)性和合適的可加工性，并且其中在制備所述銅合金時省略了原本是為了使Cr完全熔融到Cu基體中而在熱軋完成之后進行的高溫溶體處理，從而縮短了工藝并降低了生產(chǎn)成本。技術(shù)方案為了實現(xiàn)這些目的和其他優(yōu)點，根據(jù)本發(fā)明的目的，如本文所實施和廣泛描述的，高傳導(dǎo)性銅合金在100wt%組成中由O. 2 O. 4wt%的Cr,O. 05 O. 15wt%的Sn,O. 05 O. 15wt%的Ζη、0. θΓθ. 30wt%的Mg、0. 03 O. 07wt%的Si和平衡的Cu以及不可避免的雜質(zhì)組成。在以上組成中，Cr被限制為O. 2^0. 4wt%，因為設(shè)置為低于O. 2wt%的Cr不能滿足拉伸強度，而設(shè)置為超過O. 4wt%的Cr在銅基體中形成許多Cr或Cr化合物，對可鍍性產(chǎn)生不利影響。Sn被限制為O. 05 O. 15wt%，因為設(shè)置為低于O. 05wt%的Sn不能提供Cr沉淀抑制作用或在高溫下的拉伸強度提高作用，而設(shè)置為超過O. 15被％的311導(dǎo)致傳導(dǎo)性的明顯下降或不良的應(yīng)力耐腐蝕性。Zn被限制為O. 05 0. 15wt%,因為設(shè)置為低于O. 05wt%的Zn不能提供脫氣作用或熔融和澆鑄中的鍍層的熱耐剝離提高作用，而設(shè)置為超過O. 15wt%的Zn導(dǎo)致以上作用的不再提高并加速傳導(dǎo)性的降低速率。Si被限制為O. 03 O. 07wt%,因為設(shè)置為低于O. 03wt%的Si在熔融和澆鑄中不能提供足夠的還原以及在加熱鑄錠之后的步驟中不能形成Cr化合物(Cr2Si等)，不能對強度產(chǎn)生貢獻，不能支持Cr基沉淀的形成，而設(shè)置為超過O. 07wt%的Si導(dǎo)致過度形成Cr化合物，從而由于大而多的Cr沉淀和增加的固溶體Si的原因而使傳導(dǎo)性不良。Mg被限制為O. 0Γ0. 30wt%,因為，設(shè)置為低于O. 01被％的1%由于沒有充分形成Mg基沉淀而不能對強度的提高產(chǎn)生貢獻，而設(shè)置為超過O. 3wt%的Mg則由于澆鑄時Mg的氧化和揮發(fā)性強而導(dǎo)致在澆鑄時越到澆鑄后期Mg含量越低的問題。在以上組成中優(yōu)選Cr、Mg和Si具有(Cr+Mg)/Si=2 10的比例。本發(fā)明描述了針對獲得材料的期望強度和高傳導(dǎo)性的制備方法。
在本發(fā)明的另一個方面中，制備高強度和高導(dǎo)電性銅合金的方法包括以下步驟通過熔融和澆鑄獲得鑄塊從而具有以上組成，以及使所述鑄塊經(jīng)歷加熱至90(Ti00(rc然后熱軋、冷軋、在40(T500°C下進行第一時效處理2 8小時，然后冷軋以及在37(T450°C下進行第二時效處理2、小時。雖然在本發(fā)明中對加熱鑄錠沒有具體限制，但是由于在其中過度產(chǎn)生Cr和Cr化合物沉淀的原因而優(yōu)選在低于900°C的溫度下執(zhí)行熱軋。可以使用具有普通現(xiàn)代設(shè)施的銅拉伸工廠中的鑄錠加熱爐或熱軋機，而不會產(chǎn)生任何基本問題。從開始到最終通過完成熱軋花費約10分鐘，將所獲得的熱軋條在冷卻如水冷卻之后卷繞成線圈的形狀。優(yōu)選的是避免緩慢冷卻，例如以l°c/秒的速度，以防止沉淀物大量地變得粗糙。在水冷卻之后，執(zhí)行冷軋以具有均勻的厚度，然后是時效處理。雖然在低溫-長時間或高溫-短時間時效處理的第一時效處理中能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的時效-硬化，但是在低于400°C的溫度下的時效處理需要長時間的時效處理，這是不經(jīng)濟的，而在超過500°C的溫度下的時效處理導(dǎo)致過度時效處理，不能實現(xiàn)最佳的時效-硬化。在第二時效處理中，低于370°C的時效處理需要長時間的時效處理，這是不經(jīng)濟的，而超過450°C的時效處理導(dǎo)致過度時效處理，不能實現(xiàn)最佳時效-硬化。優(yōu)選在批次型退火爐中執(zhí)行第一時效處理和第二時效處理中的每個?？梢酝ㄟ^在第一時效處理和第二時效處理中形成Cr-Si基沉淀物和Mg-Si基沉淀物來保證高拉伸強度。圖I示出了 Cr-Si基沉淀物和Mg-Si基沉淀物的掃描電子顯微鏡照片，圖2示出了對Cr-Si基沉淀物的EDS分析，圖3示出了對Mg-Si基沉淀物的EDS分析。有益效果因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的工業(yè)效果，所述工業(yè)效果能夠提供銅合金及其制造方法，所述銅合金沒有表面缺陷，具有銅合金的高傳導(dǎo)性和高可加工性所要求的伸長率，而不會因為使用在銅拉伸工廠中所使用的Zn、Sn、Si和Mg而對拉伸強度即銅合金的最終合金特性產(chǎn)生不利影響，并且可以在熱軋之后省略在銅合金材料的制備中針對Cu基體中Cr充分固溶另外進行的高溫溶體處理，從而縮短了制備工藝，因此允許降低生產(chǎn)成本。


圖I示出了 Cr-Si基沉淀物和Mg-Si基沉淀物的掃描電子顯微鏡照片。圖2示出了對Cr-Si基沉淀物的EDS分析。
圖3示出了對Mg-Si基沉淀物的EDS分析。實施本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在將詳細介紹本發(fā)明的實施方案，參照附圖描述本發(fā)明實施方案的實施例。在高頻熔爐中將根據(jù)表I示出的組成的合金組分熔融以得到熔融金屬，在用木炭或氬氣包覆熔融金屬的同時在半連續(xù)澆鑄裝置上澆鑄熔融金屬以制備厚200mm、寬600mm、長7000mm的鑄錠。在將鑄錠的頂部和底部的不穩(wěn)定澆鑄部分切除之后，將鑄錠加熱并在960°C的熱軋起始溫度下熱軋。然后，將熱軋完成時的具有12_厚度的熱軋帶用水噴霧快速冷卻至室溫，并卷繞成卷。然后，為了從帶表面去除水垢，將帶的兩側(cè)的表面通過機加工分別去除1mm。然后，將 帶冷軋至O. 2mm的厚度，在475°C下時效處理6小時，再次冷軋至O. 2mm的厚度，并在425°C下張力退火4小時以制備軋制帶。對于表面清洗，在選擇性時效處理之后進行酸清洗和拋光，并在第一熱處理之后用拉矯機進行校正工藝。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的制備方法不限于此，但是根據(jù)客戶的需要可以結(jié)合選自以下步驟中的步驟熱軋、冷軋、時效處理、表面清洗(酸清洗和拋光)、張力退火、張力斜邊等，所述步驟與銅拉伸店中為了滿足客戶不同質(zhì)量需要而實施的正常操作相同。表I
j樣品j組成(wt%)j表面編號 Cu j Cr j Sn I Zn j Si Mg P Mn 缺陷
I I BaI 丨 0.20 p.05 丨 0.05 [0.03 0.0權(quán)利要求
1.一種具有高拉伸強度、高可加工性和高傳導(dǎo)性的銅合金，所述銅合金在100wt%的組成中由 O. 2 O. 4wt% 的 Cr,O. 05 O. 15wt% 的 Sn,O. 05 O. 15wt% 的 Zn,O. 01 O. 30wt% 的 Mg、O. 03 0. 07wt%的Si和平衡的Cu以及不可避免的雜質(zhì)組成。
2.如權(quán)利要求I所述的銅合金，其中所述Cr、Mg和Si具有(Cr+Mg)/Si=2 10的比例。
3.如權(quán)利要求I所述的銅合金，其中所述高拉伸強度為49(T570N/mm2，所述高傳導(dǎo)性為78 89%IACS，以及所述伸長率在I (Tl 2%的范圍。
4.制備具有高拉伸強度、高可加工性和高傳導(dǎo)性的銅合金的方法，所述方法包括以下步驟 獲得熔融金屬，所述熔融金屬在100wt%的組成中由O. 2 O. 4wt%的Cr、0. 05 0. 15wt%的 Sn,O. 05 O. 15wt% 的 Zn,O. θΓθ. 30wt% 的 Mg,O. 03 O. 07wt% 的 Si 和平衡的 Cu 以及不可避免的雜質(zhì)組成； 由所述熔融金屬獲得鑄錠；以及 將所述鑄錠加熱至90(Tl000°C以執(zhí)行熱軋； 冷軋； 在40(T500°C下進行第一時效處理2 8小時； 冷軋；以及 在37(T450°C進行第二失效處理2 8小時。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中在所述熱軋和水冷卻之后執(zhí)行所述冷軋。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中在批次型退火爐中執(zhí)行所述第一時效處理和所述第二時效處理。
7.如權(quán)利要求4或6所述的方法，其中通過在所述第一時效處理和所述第二時效處理中形成Cr-Si基沉淀物和Mg-Si基沉淀物來保證所述高拉伸強度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種銅合金及其制備方法，其中采用在銅拉伸工廠中使用的Si來加速還原，并且即使在合金中加入諸如Cr、Sn等元素也能夠容易地制備所述銅合金，并且所述銅合金具有能夠在大氣氣氛中、非氧化氣氛中或在還原氣氛中被熔融的組成從而在不對銅合金的拉伸強度產(chǎn)生不利影響的情況下提供具有高傳導(dǎo)性和合適的可加工性，并且其中在制備所述銅合金時省略了為了使Cr完全熔融到Cu基體中而可能在熱軋完成之后進行的高溫溶體處理，從而縮短了工藝并降低了生產(chǎn)成本。具有高拉伸強度、高可加工性和高傳導(dǎo)性的本發(fā)明的銅合金在100wt%的組成中由0.2~0.4wt%的Cr、0.05~0.15wt%的Sn、0.05~0.15wt%的Zn、0.01~0.30wt%的Mg、0.03~0.07wt%的Si和平衡的Cu以及不可避免的雜質(zhì)組成。另外，制造根據(jù)本發(fā)明的銅合金的方法包括以下步驟獲得具有上述組成的熔融金屬；獲得鑄錠；在900~1000℃的溫度下加熱所述鑄錠以執(zhí)行熱軋工藝；執(zhí)行冷軋工藝；在400~500℃的溫度下執(zhí)行第一時效處理工藝2~8小時；執(zhí)行冷軋工藝；以及在370~450℃的溫度下執(zhí)行第二時效處理工藝2~8小時。
文檔編號C22F1/08GK102918172SQ201080064496
公開日2013年2月6日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者金大鉉, 李東雨, 金仁達, 崔尚永, 李智勛, 全甫珉 申請人:株式會社豊山