專利名稱：時(shí)效硬化型銅基合金及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時(shí)效硬化型銅基合金以及一種由該合金制備可商用產(chǎn)品的工藝方法。更具體地，采用一種包括工藝過程中的固溶退火和至少一次時(shí)效退火的工藝方法將0.35-5重量％鈦的銅合金加工成成品尺寸。所獲產(chǎn)品的導(dǎo)電性高于50％IACS，屈服強(qiáng)度高于724MPa(105ksi)。
整個(gè)本專利申請(qǐng)中，除非另有說明，所有的組成均為重量％，所有的機(jī)械和電學(xué)實(shí)驗(yàn)均在室溫(名義上22℃)下進(jìn)行。詞“大約”意味著±10％，如銅基中的詞“基”意味著合金中至少含有50重量％的特定基本元素。術(shù)語“軋制”意圖包括拉伸或拉拔或者例如在制造和加工線材、棒材或管材中使用的任何其它形式的冷加工。
許多不同類型的電路連接器采用銅基合金制成。對(duì)于電路連接器而言，重要的性能包括屈服強(qiáng)度、可彎曲成形性、應(yīng)力松弛抗力、彈性模量、極限抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性。
這些性能的目標(biāo)值和它們的相對(duì)重要性依賴于采用所述銅合金制造的產(chǎn)品的預(yù)定使用場(chǎng)合。下面的性能描述對(duì)于許多預(yù)定場(chǎng)合而言是一般性介紹，但是，對(duì)于汽車引擎罩用途，所述目標(biāo)值是具體的。
屈服強(qiáng)度是材料表現(xiàn)出偏離應(yīng)力和應(yīng)變之間比例關(guān)系特定偏差時(shí)的應(yīng)力，典型的偏差是0.2％。這是一個(gè)相對(duì)于彈性變形而言塑性變形成為主要形式時(shí)的應(yīng)力標(biāo)志。理想的是，用作連接器的銅合金的屈服強(qiáng)度至少724MPa。
當(dāng)外加應(yīng)力作用在使用中的金屬帶材，例如當(dāng)帶材在彎曲成連接器之后承受載荷時(shí)，應(yīng)力松弛變得明顯。金屬通過產(chǎn)生大小相等但方向相反的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生反作用。如果金屬保持在應(yīng)變位置，則內(nèi)應(yīng)力作為時(shí)間和溫度的函數(shù)而減小。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于通過微塑性流動(dòng)使金屬中的彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變成塑性或永久應(yīng)變。
銅基電路連接器在其配合部件上必須保持在高于臨界接觸力的條件下長(zhǎng)時(shí)間，以獲得良好的電連接。應(yīng)力松弛使接觸力降至臨界載荷以下，導(dǎo)致形成開路。對(duì)于用于連接器用途的銅合金，理想的是當(dāng)暴露在105℃下1000小時(shí)時(shí)仍保持至少95％的初始應(yīng)力，以及，當(dāng)暴露在150℃下1000小時(shí)時(shí)仍保持至少85％的初始應(yīng)力。
彈性模量，也稱作楊氏模量，是金屬剛性或剛度的量度，它是在彈性區(qū)應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變的比值。由于彈性模量是材料剛性的量度，因此，理想的是具有量級(jí)達(dá)140GPa(20×103ksi)的高模量。
可彎曲性決定最小彎曲半徑(MBR)，它決定著在沿彎曲的金屬帶材外徑方向不出現(xiàn)開裂的情況下可以實(shí)施彎曲的嚴(yán)重程度。對(duì)于要形成不同形狀并具有各種角度的彎曲的連接器而言，MBR是一個(gè)重要性能。
彎曲成形性可以表示為MBR/t，其中，t是金屬帶材厚度。MBR/t是彎曲金屬帶材不發(fā)生破壞時(shí)所圍繞的心軸最小曲率半徑與帶材厚度的比值。在題目為Standard Test Method for Semi-Guided Bend Test forDuctility of Metallic Materials的ASTM(American Society forTesting and Materials)編號(hào)E290-92中對(duì)所述“心軸”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)說明。
理想的是，MBR/t基本各向同性，其在彎曲軸與金屬帶材軋制方向垂直的“好方向”以及在彎曲軸與金屬帶材軋制方向平行的“差方向”均具有類似的值。理想的是MBR/t對(duì)于90°彎曲，其值約1.5或更小，對(duì)于180°彎曲，其值約2或更小。
或者，可以通過使用具有V型凹槽的試塊和具有要求半徑的工作表面的沖頭，來評(píng)價(jià)90°彎曲時(shí)的彎曲成形性。在所述“V型試塊”方法中，將待測(cè)試的狀態(tài)銅合金帶材置于試塊與沖頭之間，當(dāng)驅(qū)動(dòng)沖頭進(jìn)入凹槽時(shí)，在帶材中形成要求的彎曲程度。
與所述“V型試塊”方法相關(guān)的是180°“成形沖頭”方法中，采用具有圓柱形工作表面的沖頭使銅合金帶材發(fā)生180°彎曲。
在題目為Standard Test Method for Bend Test for Formabilityof Copper Alloy Spring Material的ASTM編號(hào)B820-98中均對(duì)所述“V型試塊”和“成形沖頭”方法進(jìn)行了詳細(xì)說明。
對(duì)于一個(gè)給定金屬樣品，兩種方法均給出可定量的彎曲性能結(jié)果，而且，可以使用任一種方法來確定相對(duì)彎曲性能。
極限抗拉強(qiáng)度是在拉伸實(shí)驗(yàn)期間帶材失效之前承受的最大載荷與帶材初始橫截面積之比值。理想的是極限抗拉強(qiáng)度約760MPa。
導(dǎo)電性采用％IACS(International Annealed Copper Standard)表示，其中，將20℃時(shí)未合金化的銅的導(dǎo)電性定義為100％IACS。
各種文獻(xiàn)中，美國(guó)專利4,601,879和4,612,167公開了含鈦的銅基合金。所述專利4,601,879公開的銅基合金含有0.25-3.0％鎳、0.25-3.0％錫和0.12-1.5％鈦。示例性的合金的導(dǎo)電性為48.5-51.4％IACS，屈服強(qiáng)度為568.8-579.2MPa(82.5-84ksi)。
所述專利4,612,167公開的銅合金含有0.8-4.0％鎳和0.2-4.0％鈦。示例性的合金的導(dǎo)電性為51％IACS，屈服強(qiáng)度為663.3-679.2MPa(96.2ksi-98.5ksi)。
AMAX Copper，Inc.(Greenwich，CT)已商業(yè)化的銅鎳鈦合金具有Cu-2％Ni-1％Ti和Cu-5％Ni-2.5％Ti的名義組成。所報(bào)道的Cu-2％Ni-1％Ti合金性能中，屈服強(qiáng)度為441.3-551.6MPa(64-80ksi)，極限抗拉強(qiáng)度為503.3-655.0MPa(73-95ksi)，延伸率為9％，導(dǎo)電性為50-60％IACS。所報(bào)道的Cu-5％Ni-2.5％Ti合金性能中，屈服強(qiáng)度為620.6-689.5MPa(90-100ksi)，極限抗拉強(qiáng)度為744.7MPa(108ksi)UTS，延伸率為10％，導(dǎo)電性為40-53％IACS。
對(duì)于所述銅合金而言，許多當(dāng)前和未來的應(yīng)用場(chǎng)合均要求導(dǎo)電性至少50％IACS，屈服強(qiáng)度至少724MPa(105ksi)。仍然需要能夠獲得要求的導(dǎo)電性和強(qiáng)度的銅鈦合金以及制備所述合金的方法。
發(fā)明概述在本發(fā)明中，提供了一種時(shí)效硬化型銅基合金，以及將所述合金加工成可用于要求高強(qiáng)度和較高導(dǎo)電性的任何用途的商用產(chǎn)品的方法，產(chǎn)品的典型形式包括帶材、板材、線材、箔材、管材、粉末或鑄件。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的方法加工時(shí)，所述合金獲得至少724MPa(105ksi)的屈服強(qiáng)度和50％IACS的導(dǎo)電性，使得合金特別適合用于電路連接器和互連件。
所述合金的基本組成為(以重量計(jì))0.35-5％鈦，0.001-10％的X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Be，Mn，Mg，Bi，S，Te，Se，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合，余者為銅和不可避免的雜質(zhì)。合金的導(dǎo)電性至少50％IACS，屈服強(qiáng)度至少105ksi。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面，合金的基本組成為0.35-2.5％鈦，0.5-5.0％鎳，0.5-0.8％鐵、鈷及其混合物，0.01-1.0％鎂，最多1％的Cr、Zr、Ag以及它們的組合，余者為銅和不可避免的雜質(zhì)。
當(dāng)不存在鈹時(shí)，這些合金能夠避免出現(xiàn)與目前鈹銅合金有關(guān)的可能危害健康的問題，同時(shí)，又能夠提供類似的強(qiáng)度和導(dǎo)電性組合。
幾個(gè)附圖的簡(jiǎn)述

圖1是說明第一種加工本發(fā)明銅合金的方法的流程圖。
圖2是說明第二種加工本發(fā)明銅合金的方法的流程圖。
圖3是說明第三種加工本發(fā)明銅合金的方法的流程圖。
發(fā)明詳述許多電流輸送用途要求具有強(qiáng)度與導(dǎo)電性的組合的具有良好成形性和應(yīng)力松弛抗力的銅合金。兩個(gè)示例性用途是在發(fā)動(dòng)機(jī)罩下的汽車用途和多媒體用途(例如計(jì)算機(jī)、DVD播放機(jī)、CD讀取機(jī)等)。
對(duì)于汽車用途而言，要求銅合金具有良好的成形性、至少50％IACS的導(dǎo)電性和最高達(dá)200℃的應(yīng)力松弛抗力。對(duì)于多媒體互連用途而言，要求銅合金的屈服強(qiáng)度超過724MPa(105ksi)，導(dǎo)電性高于50％IACS，以及在室溫和稍高于室溫的工作溫度下的機(jī)械穩(wěn)定性，其特征是在約100℃下具有優(yōu)異的應(yīng)力松弛抗力。
當(dāng)采用本發(fā)明的方法加工時(shí)，所述合金組成出人意料地提供滿足汽車和多媒體用途，以及其他電氣和電子用途要求的最佳性能組合。所述合金能夠同時(shí)提供較高的強(qiáng)度和高的導(dǎo)電性，以及同時(shí)提供較高的導(dǎo)電性和極高的強(qiáng)度。
本發(fā)明合金組成中含有Cu-Ti-X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Bi，S，Te，Se，Be，Mn，Mg，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合。鈦含量為0.35-5％，元素″X″的總量為0.001-10％。
當(dāng)X選自于Ni，F(xiàn)e，Co，Mg，Cr，Zr，Ag以及它們的混合物時(shí)，強(qiáng)度及導(dǎo)電性最高。
本發(fā)明合金中可以以電解(陰極)銅或重熔銅或銅合金廢料中的典型含量含有氧、硫和碳。典型地，每種所述元素的量約為2-50ppm，優(yōu)選每種存在量低于20ppm。
也可以包含影響合金性能的其他添加元素。這類添加元素包括改善合金的自由機(jī)械加工性能的元素，例如鉍、鉛、碲、硫和硒。當(dāng)為了提高自由機(jī)械加工性能而添加時(shí)，所述添加物的存在量可以最高達(dá)2％。優(yōu)選自由機(jī)械加工性能添加物的總量約為0.8％-1.5％。
銅合金，特別是在由回收或廢料銅制成的銅合金中存在的典型雜質(zhì)總含量可以最高達(dá)約1％。作為一個(gè)非窮盡的列舉，所述雜質(zhì)包括鎂、鋁、銀、硅、鎘、鉍、錳、鈷、鍺、砷、金、鉑、鈀、鉿、鋯、銦、銻、鉻、釩和鈹。每種雜質(zhì)的存在量應(yīng)低于0.35％，優(yōu)選低于0.1％。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到當(dāng)某些上述雜質(zhì)或其他元素的含量與在上述規(guī)定雜質(zhì)范圍重疊時(shí)，可能對(duì)本發(fā)明的銅合金有利。例如，可以改善強(qiáng)度或沖壓性能。本發(fā)明意在包括這些低含量的添加物。
在本發(fā)明的一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方案中，鈦含量為0.35-2.5％，而且，在一個(gè)最優(yōu)選的實(shí)施方案中，鈦含量為0.8-1.4％。
當(dāng)鈦以固溶形式存在于銅合金基體中時(shí)，導(dǎo)電性嚴(yán)重下降?！錢″應(yīng)該優(yōu)選有效地使鈦在時(shí)效退火期間自固溶態(tài)析出。用于促進(jìn)所述析出的合適的″X″元素包括Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Si，S，Mg，Cr，Co以及這些元素的組合。
一種優(yōu)選的添加元素是鎳。Ni與Ti的組合產(chǎn)生析出物CuNiTi，而且，F(xiàn)e與Ti的存在產(chǎn)生析出物Fe2Ti。
另一種優(yōu)選添加元素是鎂。添加Mg提高最終尺寸和狀態(tài)產(chǎn)品的應(yīng)力松弛抗力和軟化抗力。Mg也能夠在工藝過程中的時(shí)效退火熱處理期間提供軟化抗力。
當(dāng)存在量低時(shí)，添加元素Cr，Zr和/或Ag能夠提高強(qiáng)度，但又不會(huì)過度降低導(dǎo)電性。
一種具有改善的屈服強(qiáng)度、導(dǎo)電性、應(yīng)力松弛抗力以及適當(dāng)(modest)的可彎曲性組合的本發(fā)明優(yōu)選合金的基本組成為約0.5-5.0％鎳、約0.35-2.5％鈦、約0.5-0.8％鐵或鈷、約0.01-1.0％鎂，任選最多約1.0％的一種或多種選自于Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Bi，S，Te，Se，Be，Mn，Mg，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和它們的混合物，以及，余者為銅和雜質(zhì)。優(yōu)選所述任選元素包括最多約1％的一種或多種選自于Cr，Zr和Ag的元素。
該合金的更優(yōu)選范圍是約0.8-1.7％鎳、約0.8-1.4％鈦、約0.90-1.10％鐵或鈷、約0.10-0.40％鎂、最多約1.0％的一種或多種選自于Cr，Zr，Ag或Sn的元素以及它們的混合物，余者為銅和雜質(zhì)。
在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案中，所述合金組成和加工提供的屈服強(qiáng)度至少約793MPa(115ksi)，并且優(yōu)選至少約827MPa(120ksi)。對(duì)于該實(shí)施方案，導(dǎo)電性最高約40％IACS。在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案中，所述組成和加工提供的屈服強(qiáng)度高于約724MPa(105ksi)，并且優(yōu)選最高至少約793MPa(115ksi)。在該第二個(gè)實(shí)施方案中，合金的導(dǎo)電性優(yōu)選約45-55％IACS。在第三個(gè)實(shí)施方案中，所述組成和加工提供的屈服強(qiáng)度約為552-690MPa(80-100 ksi)，導(dǎo)電性約55-65％IACS。
圖1以流程圖形式示出了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施方案的工藝。采用傳統(tǒng)方法對(duì)本發(fā)明的合金進(jìn)行熔煉和鑄造10。在約750-1000℃下熱軋12所述鑄態(tài)合金。在磨削除掉氧化物之后，對(duì)合金進(jìn)行冷軋14，其中與軋制方向垂直的橫截面積壓下量(“面積縮減量”)為約50-99％。然后，可以在約850-1000℃的固溶退火溫度下對(duì)合金固溶處理16，時(shí)間從約10秒至約1小時(shí)，隨后，淬火18或快冷至環(huán)境溫度，獲得平均晶粒尺寸約5-20μm的等軸晶。之后，可以對(duì)合金進(jìn)行第一次冷軋20，其面積壓下比最高約80％，優(yōu)選約30-80％。第一次冷軋20之后，進(jìn)行第一次退火22，退火溫度為約400-650℃，優(yōu)選約450-600℃，時(shí)間從約1分鐘至10小時(shí)，優(yōu)選約1-8小時(shí)。然后，對(duì)合金進(jìn)行第二次冷軋24，以約10-50％的面積壓下比冷軋至成品尺寸。第二次冷軋之后，可以進(jìn)行第二次退火26，退火溫度為約150-600℃，優(yōu)選約200-500℃，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)。
或者，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述合金加工成最終尺寸期間，未采用工藝過程中的固溶熱處理。即可以通過使用(多個(gè))較低溫度的退火處理和介于其間的冷加工的循環(huán)將合金加工成最終尺寸。該可選擇的方法對(duì)于制備導(dǎo)電性更高的產(chǎn)品尤其有用。
圖2以流程圖形式示出了本發(fā)明的另一個(gè)可選擇的工藝。采用傳統(tǒng)方法對(duì)本發(fā)明的合金進(jìn)行熔煉和鑄造10。在約750-1000℃下熱軋12所述鑄態(tài)合金，并且，隨后淬火或快速冷卻。在磨削除掉氧化物之后，對(duì)所述熱軋后的合金進(jìn)行冷軋14，其中面積壓下比為約50-99％。然后，可以在約400-650℃的退火溫度下對(duì)合金進(jìn)行第一次退火處理28，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)。如果需要，所述冷軋和第一次退火步驟可以任選地重復(fù)進(jìn)行。隨后，對(duì)合金進(jìn)行面積壓下比為約40-80％的冷軋30，之后，在約400-650℃，優(yōu)選約450-600℃的溫度下，進(jìn)行第二次退火32，時(shí)間優(yōu)選約1-10小時(shí)。然后，以約10-50％的面積壓下比將合金冷軋34至成品尺寸。任選地，之后，可以在約150-600℃，優(yōu)選約200-500℃下實(shí)施第三次退火26，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)。
本發(fā)明工藝的第二個(gè)可選擇替代的優(yōu)選實(shí)施方案使用組成處于優(yōu)選范圍的合金。該工藝能夠制備的本發(fā)明合金具有約758MPa(110ksi)YS(屈服強(qiáng)度)和約50％IACS導(dǎo)電性的名義性能。參照?qǐng)D3，采用傳統(tǒng)方法對(duì)合金進(jìn)行熔煉和鑄造10。在約750-1000℃下熱軋12所述鑄態(tài)合金。在磨削除掉氧化物之后，以約50-99％的面積壓下比，對(duì)所述熱軋后的合金進(jìn)行冷軋14。然后，在約950-1000℃下對(duì)合金固溶處理16，時(shí)間從約15秒至約1小時(shí)。接下來，以約40-60％的面積壓下比，對(duì)所述合金進(jìn)行冷軋20，然后，進(jìn)行第一次退火28，退火溫度約400-650℃，優(yōu)選約450-600℃，時(shí)間約1-10小時(shí)，優(yōu)選約1-3小時(shí)。第一次退火28之后，采用約40-60％的面積壓下比進(jìn)行冷軋30。然后，在比第一次退火28低的溫度下，對(duì)合金進(jìn)行第二次退火32。第二次退火在約375-550℃下進(jìn)行約1-3小時(shí)。然后，以至少約30％的面積壓下比，將所述經(jīng)兩次退火的合金冷軋34至成品尺寸，其中，合金可以在約150-600℃，優(yōu)選約200-500℃下進(jìn)行第三次退火26，時(shí)間約1-3小時(shí)。
參照下面的實(shí)施例，將會(huì)更好地了解本發(fā)明的合金和本發(fā)明的工藝。
實(shí)施例在遵循某些工藝描述的實(shí)施例中，性能和單位均采用縮略形式。例如，″＝英寸，WQ＝水淬，斜線標(biāo)記/＝持續(xù)(for)，SA＝固溶退火，CR＝冷軋或冷壓下，YS＝屈服強(qiáng)度，TS＝抗拉強(qiáng)度，EL＝延伸率，％IACS＝導(dǎo)電性，MBR/t＝最小彎曲半徑與帶材厚度之比值，SR＝應(yīng)力松弛抗力，Gs＝晶粒尺寸，μm＝微米，beg.＝開始，recr.＝再結(jié)晶，n.c.r.＝未完全再結(jié)晶，sec.或s＝秒，hrs.或h＝小時(shí)，MS/m＝百萬西門子/米，ksi＝千磅/平方英寸。
實(shí)施例1采用圖1所示的方法，在石英坩堝中熔煉并且采用Durville澆注法在鋼模中鑄造出一系列具有表1所示分析組成的4.5kg(10磅)實(shí)驗(yàn)室鑄錠。在澆注之后，鑄錠尺寸為10.16cm×10.16cm×4.45cm(4″×4″×1.75″)。在950℃下保溫3小時(shí)之后，采用3個(gè)道次將鑄錠熱軋至2.8cm(1.1″)，在950℃下重新加熱10分鐘，并且，采用3個(gè)道次進(jìn)一步熱軋至1.27cm(0.50″)，之后，進(jìn)行水淬。通過在1000℃保溫2小時(shí)對(duì)所獲得的熱軋板材均勻化處理，之后，進(jìn)行水淬。經(jīng)過修整和磨削除去氧化層之后，將合金冷軋至1.27mm(0.050″)。然后，合金在1000℃下固溶處理20-60秒，只是合金J346例外，該合金在950℃固溶處理60秒。固溶和淬火處理之后，將合金冷軋壓下50％至0.64mm(0.025″)，并且在550℃下時(shí)效退火3個(gè)小時(shí)。然后，將合金冷軋壓下50％至0.32mm(0.0125″)尺寸，并且，在275℃下去應(yīng)力退火2個(gè)小時(shí)。表2給出了性能的測(cè)量結(jié)果。
表2數(shù)據(jù)表明獲得了621-765MPa(90-111ksi)的高屈服強(qiáng)度和38.2-63.8％IACS的導(dǎo)電性。Cu-Ni-Ti-Fe合金J345和J346在105℃下1000小時(shí)之后獲得的應(yīng)力松弛抗力與95％的期望值接近。Cu-Ni-Ti-Mg合金J354則達(dá)到了該期望值。
實(shí)施例2根據(jù)如圖2所示的工藝，像實(shí)施例1那樣，對(duì)表1中的合金進(jìn)行加工，直至經(jīng)歷獲得熱軋板材尺寸后的均勻化熱處理。該實(shí)施例中，合金加工至成品尺寸，未采用工藝過程中的固溶熱處理。經(jīng)過修整和磨削除掉氧化層之后，將合金冷軋至2.54mm(0.100″)，并且在550℃下進(jìn)行3小時(shí)的第一次時(shí)效退火。然后，將合金冷軋壓下70％至0.76mm(0.030″)，并且在525℃下進(jìn)行3小時(shí)的第二次時(shí)效退火。然后，將合金冷軋壓下50％至0.38mm(0.015″)尺寸，并且，在275℃下去應(yīng)力退火2個(gè)小時(shí)。在這種情況下測(cè)量性能，結(jié)果如表3所示。
與表2中的數(shù)據(jù)一致，該實(shí)施例的合金同時(shí)具有676-738MPa(98-107ksi)的高屈服強(qiáng)度和49.9-69.7％IACS的更高導(dǎo)電性。當(dāng)在Cu-Ni-Ti基礎(chǔ)合金中添加Fe或Mg時(shí)，應(yīng)力松弛抗力增加。比較合金J354和合金J351，由表3中數(shù)據(jù)可看出當(dāng)在Cu-Ni-Ti合金中添加Mg時(shí)，能夠獲得最高的應(yīng)力松弛抗力。
實(shí)施例3根據(jù)如圖1所示的工藝，在石英坩堝中熔煉并且采用Durville澆注法在鋼模中鑄造出一系列具有表4所示分析組成的4.5kg(10磅)實(shí)驗(yàn)室鑄錠。在澆注之后，鑄錠尺寸為10.16cm×10.16cm×4.45cm(4″×4″×1.75″)。在950℃下保溫3小時(shí)之后，采用3個(gè)道次將鑄錠熱軋至2.8cm(1.1″)厚，在950℃下重新加熱10分鐘，并且，采用3個(gè)道次進(jìn)一步熱軋至1.27cm(0.50″)厚，之后，進(jìn)行水淬。經(jīng)過修整和磨削除去氧化層之后，將合金冷軋至1.27mm(0.050″)。
然后，將除J477之外的合金在1000℃下固溶處理25秒，之后，進(jìn)行水淬，以獲得直徑為約12-24μm的可控細(xì)小的再結(jié)晶晶粒尺寸。合金J477的處理工藝為950℃下固溶熱處理25秒+WQ，獲得9μm的晶粒尺寸。
將所有合金冷軋壓下50％至0.64mm(0.025″)厚，并且在550℃下進(jìn)行時(shí)效退火，該退火的時(shí)間可有效地在基體不過度軟化的情況下使導(dǎo)電性最大。550℃下的保溫時(shí)間如表5所示。然后，將合金冷軋壓下50％至0.32mm(0.0125″)尺寸，并且，在275℃下去應(yīng)力退火2個(gè)小時(shí)，在這種條件下測(cè)量性能，結(jié)果如表5所示。
表5中的數(shù)據(jù)表明盡管基礎(chǔ)合金J477能夠提供634MPa(92ksi)YS和58.1％IACS導(dǎo)電性的良好性能組合，但是，F(xiàn)e的添加能夠?qū)⒒A(chǔ)合金的強(qiáng)度增加至690MPa(100ksi)(J483相對(duì)J477)，而導(dǎo)電性僅稍有下降。而且，通過比較合金J491與J481，顯示當(dāng)保持Ni，Ti和Fe含量不變時(shí)，添加Mg能夠提高105℃下的應(yīng)力松弛抗力這一優(yōu)點(diǎn)。通過比較合金J491(表5)與表2中合金J345和J346的性能，也可以發(fā)現(xiàn)Mg的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)施例4根據(jù)如圖2所示的工藝，將表4中的合金加工至成品尺寸，但未采用工藝過程中的固溶熱處理。經(jīng)過修整和磨削除掉氧化層之后，將所述熱軋態(tài)的合金冷軋至0.050″，并且進(jìn)行第一次時(shí)效退火，退火的溫度和時(shí)間如表6所示，可有效地使導(dǎo)電性最大。然后，將合金冷軋壓下50％至0.025″尺寸，并且進(jìn)行第二次時(shí)效退火，所選擇的退火溫度和時(shí)間如表6所示，選擇所述退火溫度和時(shí)間以便在基體不過度軟化的情況下使導(dǎo)電性最大。表6示出了每種合金所采用的具體時(shí)效退火工藝。然后，將合金冷軋壓下50％至0.0125″尺寸，并且，在275℃下去應(yīng)力退火2個(gè)小時(shí)，在這種條件下測(cè)量性能，結(jié)果如表7所示。使用該工藝，添加Fe和Mg的合金提供較低但仍良好的強(qiáng)度和更高的導(dǎo)電性以及良好的應(yīng)力松弛抗力。
實(shí)施例5采用圖3所示的方法，在石英坩堝中熔煉并且采用Durville澆注法在鋼模中鑄造出一系列具有表8所示分析組成的4.5kg(10磅)實(shí)驗(yàn)室鑄錠。在澆注之后，鑄錠尺寸為10.16cm×10.16cm×4.45cm(4″×4″×1.75″)。在950℃下保溫3小時(shí)之后，采用3個(gè)道次將鑄錠熱軋至2.8cm(1.1″)厚，在950℃下重新加熱10分鐘，并且，采用3個(gè)道次進(jìn)一步熱軋至1.27cm(0.50″)尺寸，之后，進(jìn)行水淬。經(jīng)過修整和磨削除去氧化層之后，將合金冷軋至2.54mm(0.100″)厚，并且在950℃的爐內(nèi)固溶熱處理40秒，之后，進(jìn)行水淬，以獲得8-12μm的可控細(xì)小的再結(jié)晶晶粒尺寸。之后，將合金冷軋壓下50％至1.27mm(0.050″)尺寸，并且在565℃下時(shí)效退火3個(gè)小時(shí)，目的是在基體不過度軟化的情況下使導(dǎo)電性最大。然后，將合金冷軋壓下50％至0.64mm(0.025″)尺寸，并且，在410℃下進(jìn)行2小時(shí)的第二次時(shí)效退火，冷軋至0.25mm(0.010″)。隨后，在250℃下去應(yīng)力退火2個(gè)小時(shí)。在這種條件下測(cè)量性能，結(jié)果如表9所示。
對(duì)照基準(zhǔn)合金J694與含鋯合金J698，證實(shí)少量的鋯能夠在不影響導(dǎo)電性的情況下提高屈服強(qiáng)度。對(duì)比合金J694與含銀合金J699，證實(shí)少量的銀能夠同時(shí)提高屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電性。對(duì)照合金J694與含鉻合金J700，證實(shí)少量的鉻能夠在導(dǎo)電性稍稍降低的情況下稍稍提高屈服強(qiáng)度。
實(shí)施例6采用圖3所示的方法，在石英坩堝中熔煉并且采用Durville澆注法在鋼模中鑄造出一系列具有表10所示分析組成的4.5kg(10磅)實(shí)驗(yàn)室鑄錠。在澆注之后，鑄錠尺寸為10.16cm×10.16cm×4.45cm(4″×4″×1.75″)。在950℃下保溫3小時(shí)之后，采用3個(gè)道次將鑄錠熱軋至2.8cm(1.1″)厚，在950℃下重新加熱10分鐘，并且，采用3個(gè)道次進(jìn)一步熱軋至1.27cm(0.50″)尺寸，之后，進(jìn)行水淬。經(jīng)過修整和磨削除去氧化層之后，將合金冷軋至2.54mm(0.100″)，并且在1000℃的爐內(nèi)固溶熱處理25-35秒，之后，進(jìn)行水淬，以獲得6-12μm的可控細(xì)小的再結(jié)晶晶粒尺寸。之后，將合金冷軋壓下50％至1.27mm(0.050″)尺寸，并且在550-600℃下時(shí)效退火3-4個(gè)小時(shí)。然后，將合金冷軋壓下50％至0.64mm(0.025″)尺寸，并且，在410-425℃下再次進(jìn)行2小時(shí)的時(shí)效退火，隨后，冷軋至0.25mm(0.010″)，并且，在250-275℃下去應(yīng)力退火2個(gè)小時(shí)。
表11示出了成品尺寸時(shí)的性能，表明添加Mg(J604與J603相比)和/或添加Zr(J644與J603相比)，能夠獲得更好的屈服強(qiáng)度與導(dǎo)電性的組合。
如果未添加Mg，則單獨(dú)添加Cr效果較差(將表11中J646(D列)的較低強(qiáng)度與表9中J700的較高強(qiáng)度比較)。由表11也顯示在以下Mg的含量范圍內(nèi)，Mg的添加如何提高屈服強(qiáng)度(和抗拉強(qiáng)度)，其中當(dāng)Mg添加量分別為0，0.16，0.25，0.31wt％時(shí)，其屈服強(qiáng)度(和抗拉強(qiáng)度)分別為703(758)，710(772)，745(772)，745(800)，758(814)MPa[102(110)，103(112)，108(116)，110(118)ksi]，而同時(shí)導(dǎo)電性幾乎保持在約48％IACS而恒定不變。
實(shí)施例7該實(shí)施例說明的是組成和工藝如何影響屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電性。對(duì)尺寸為10.16cm×10.16cm×4.45cm(4″×4″×1.75″)的鑄錠進(jìn)行如下處理獲得組成如表12所示的合金J694和J709950℃下保溫3個(gè)小時(shí)，熱軋至1.27cm(0.50英寸)，之后，進(jìn)行水淬。經(jīng)過修整和磨削除去氧化層之后，將合金冷軋至2.54mm(0.10″)，并且在1000℃下固溶熱處理35秒，之后，進(jìn)行水淬。然后，將合金冷軋至1.27mm(0.050″)，在950℃下固溶處理35秒并且進(jìn)行水淬。進(jìn)一步處理工藝如表13所示，而性能則在表14中給出。
表12
表13
表14
前面已對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行了介紹。然而，應(yīng)該理解的是，只要不偏離本發(fā)明的精神和范圍，可以進(jìn)行各種改變。因此，其他的實(shí)施方案均處于后面權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種銅基合金，其基本組成為，以重量計(jì)0.35-5％鈦、0.001-10％的X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Be，Mn，Mg，Bi，S，Te，Se，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合、余者為銅和不可避免的雜質(zhì)，所述合金的導(dǎo)電性至少50％IACS，屈服強(qiáng)度至少724(105ksi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的銅基合金，其特征在于X選自于Ni，F(xiàn)e，Co，Mg，Cr，Zr，Ag以及它們的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的銅基合金，其基本組成中還含有0.35-2.5％鈦、0.5-5.0％鎳、0.5-0.8％鐵，鈷和它們的混合物、0.01-1.0％鎂、最多1％的Cr，Zr，Ag及其組合；余者為銅和不可避免的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的銅基合金，其基本組成還含有0.8-1.4％鈦、0.8-1.7％鎳、0.9-1.1％鐵、鈷和它們的混合物、0.1-0.4％鎂、最多1％的Cr，Zr，Ag及其組合；余者為銅和不可避免的雜質(zhì)。
5.一種具有改善的屈服強(qiáng)度、導(dǎo)電性與應(yīng)力松弛抗力組合的銅基合金，其基本組成為，以重量計(jì)0.35-2.5％鈦、0.5-5.0％鎳、0.5-1.5％鐵，鈷及其混合物、0.01-1.0％鎂、最多1％的Sn，Cr，Zr，Ag，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Bi，S，Te，Se，Be，Mn，As，Sb，Zr，B以及它們的混合物、余者為銅和不可避免的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的銅基合金，其含有最多1％的Cr，Zr，Ag及其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的銅基合金，其基本組成為0.8-1.4％鈦、0.8-1.7％鎳、0.90-1.10％鐵或鈷、0.10-0.40％鎂、0.01-1.0％的Cr，Zr，Ag以及它們的混合物、余者為銅和不可避免的雜質(zhì)。
8.一種具有改善的屈服強(qiáng)度、導(dǎo)電性與應(yīng)力松弛抗力組合的銅基合金的制備方法，其特征在于鑄造(10)銅基合金，所述合金基本組成為，以重量計(jì)0.35-10％鈦、0.001-6％的X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Be，Mn，Mg，Bi，S，Te，Se，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合、余者為銅和不可避免的雜質(zhì)；在約750-1000℃下熱軋(12)所述合金；以約50-97％的面積壓下比對(duì)所述合金進(jìn)行第一次冷軋(14)；在約850-1000℃下對(duì)所述合金進(jìn)行第一次退火(16)，時(shí)間從約10秒至約1小時(shí)，之后，快速冷卻(18)至室溫；以最高達(dá)約80％的面積壓下比對(duì)所述合金進(jìn)行第二次冷軋(20)；在約400-650℃下對(duì)所述合金進(jìn)行第二次退火(22)，時(shí)間從約1分鐘至約10小時(shí)；以約10-50％的面積壓下比將所述合金第三次冷軋(24)至成品尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于在所述第三次冷軋步驟(24)之后，在約150-600℃下對(duì)所述合金進(jìn)行退火(26)，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述第一次(16)、第二次(22)和第三次(26)退火步驟的時(shí)間和溫度有效使成品尺寸的所述合金具有至少724MPa(105ksi)的屈服強(qiáng)度和至少50％IACS的導(dǎo)電性。
11.一種具有改善的屈服強(qiáng)度、導(dǎo)電性與應(yīng)力松弛抗力組合，同時(shí)又具有適當(dāng)?shù)膹澢缘你~基合金的制備方法，其特征在于鑄造(10)銅基合金，所述合金的基本組成為，以重量計(jì)0.35-10％鈦、0.001-6％的X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Be，Mn，Mg，Bi，S，Te，Se，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合、余者為銅和不可避免的雜質(zhì)；在約750-1000℃下熱壓下(12)所述合金；實(shí)施一個(gè)或多個(gè)循環(huán)，所述循環(huán)包括以約50-99％的面積壓下比冷壓下(14)所述合金并且之后在約400-650℃的退火溫度下進(jìn)行從約15秒至約10小時(shí)的時(shí)效退火(28)；以約40-80％的面積壓下比冷壓下(30)所述合金；通過在約400-650℃下退火約1-10小時(shí)，對(duì)所述合金進(jìn)行時(shí)效硬化處理(32)；以約10-50％的面積壓下比將所述合金最終壓下(34)至成品尺寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于在所述最終冷軋步驟(34)之后，在約150-600℃下對(duì)所述合金進(jìn)行退火(26)，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于所述退火步驟(28，32，26)的時(shí)間和溫度有效使成品尺寸的所述合金具有至少724MPa(105ksi)的屈服強(qiáng)度和至少50％IACS的導(dǎo)電性。
14.一種具有高屈服強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、導(dǎo)電性的銅基合金的制備方法，其特征在于鑄造(10)銅基合金，所述合金基本組成為，以重量計(jì)0.35-10％鈦、0.001-6％的X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Be，Mn，Mg，Bi，S，Te，Se，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合、余者為銅和不可避免的雜質(zhì)；在約750-1000℃下熱壓下(12)所述合金；以約50-99％的面積壓下比冷壓下(14)所述合金；在約950-1000℃下對(duì)所述合金進(jìn)行固溶退火(16)，時(shí)間從約15秒至約1小時(shí)，之后，快速冷卻至環(huán)境溫度；以約40-60％的面積壓下比冷壓下(20)所述合金；在約400-650℃下對(duì)所述合金進(jìn)行時(shí)效退火(28)，時(shí)間為約1-10小時(shí)；以約40-60％的面積壓下比冷壓下(30)所述合金；在約375-550℃的比第一次時(shí)效退火低的溫度下，對(duì)合金進(jìn)行第二次時(shí)效退火(32)，時(shí)間約1-3小時(shí)；以及，以至少約30％的面積壓下比冷壓下(34)至成品尺寸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于在所述最終冷軋步驟(34)之后，在約150-600℃下對(duì)所述合金進(jìn)行退火(26)，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于所述第一次(16)、第二次(32)和第三次(26)退火步驟的時(shí)間和溫度有效使成品尺寸的所述合金具有至少724MPa(105ksi)的屈服強(qiáng)度和至少50％IACS的導(dǎo)電性。
17.一種具有高屈服強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、導(dǎo)電性的銅基合金的制備方法，其特征在于鑄造(10)銅基合金，所述合金的基本組成為，以重量計(jì)0.35-10％鈦、0.001-6％的X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Be，Mn，Mg，Bi，S，Te，Se，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合、余者為銅和不可避免的雜質(zhì)；在約750-1000℃下熱軋(12)所述合金；以約50-99％的面積壓下比冷軋(14)所述合金；在約950-1000℃下對(duì)所述合金進(jìn)行固溶退火(16)，時(shí)間從約10秒至約1小時(shí)，之后，快速冷卻(18)至環(huán)境溫度；以約40-60％的面積壓下比冷軋(20)所述合金；對(duì)所述合金進(jìn)行時(shí)效退火(28)，退火溫度為約500-575℃，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)，或者，退火溫度為約425-475℃，時(shí)間約2.5-3.5小時(shí)；以約40-60％的面積壓下比冷軋(30)所述合金；在約500-550℃的溫度下，對(duì)合金進(jìn)行第二次時(shí)效退火(32)，時(shí)間約1-4小時(shí)；以及，以至少約30％的面積壓下比最終冷軋(34)至成品尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于在所述最終冷軋步驟(34)之后，在約150-600℃下對(duì)所述合金進(jìn)行退火(26)，時(shí)間從約15秒至約10小時(shí)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于所述退火步驟(16，28，32，26)的時(shí)間和溫度有效使成品尺寸的所述合金具有至少724MPa(105ksi)的屈服強(qiáng)度和至少50％IACS的導(dǎo)電性。
全文摘要
一種用于制造帶材、板材、線材、箔材、管材、粉末或鑄件形式的商用帶材產(chǎn)品的時(shí)效硬化型銅基合金和制備方法，所述帶材產(chǎn)品用于要求高屈服強(qiáng)度和適當(dāng)導(dǎo)電性的場(chǎng)合。所述合金特別適合用于電路連接器和互連連接器。所述合金含有Cu－Ti－X，其中，X選自于Ni，F(xiàn)e，Sn，P，Al，Zn，Si，Pb，Be，Mn，Mg，Ag，As，Sb，Zr，B，Cr和Co以及它們的組合。所述合金能夠提供優(yōu)異的屈服強(qiáng)度與導(dǎo)電性組合以及優(yōu)異的應(yīng)力松弛抗力。屈服強(qiáng)度至少724MPa(105ksi)，導(dǎo)電性至少50％IACS。
文檔編號(hào)C22CGK1688732SQ03824471
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者R·N·卡倫, P·W·魯濱遜, D·E·泰勒, A·伯格爾, H-A·庫恩, J·澤格 申請(qǐng)人:奧林公司, 維蘭德-工廠股份公司