專利名稱：Cu-Ni-Si合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及強度及導(dǎo)電性優(yōu)良的電子材料等的電子部件制造中所使用的Cu-Ni-Si合金。
背景技術(shù)：
對引線框架、電子設(shè)備的各種端子、連接器等所使用的銅合金，要求兼?zhèn)涓邚姸群透邔?dǎo)電性。此外，近年來，在引線框架、電子設(shè)備的各種端子、連接器等上，引線數(shù)等增加、小節(jié)距化的進展較快，要求電子部件具有高密度組裝性、高可靠性。這些對電子部件中所使用的材料也提出了愈來愈嚴的薄板化、加工性優(yōu)良、高的導(dǎo)電率等特性要求。
在引線框架、電子設(shè)備的各種端子、連接器等上所使用的材料需要具有高強度及高導(dǎo)電性，而從電子設(shè)備類及部件的輕量化、高強度、高導(dǎo)電性的觀點出發(fā)，時效硬化型銅合金的使用量在增加，用以取代以已有的磷青銅、黃銅等為代表的固溶強化型合金。時效硬化型銅合金，通過對經(jīng)過固溶處理的過飽和固溶體進行時效處理，使微細粒子均勻地析出，從而提高拉伸強度、屈服強度、彈性極限值等機械特性，同時，銅中的固溶元素量減少而提高導(dǎo)電率。
時效硬化型銅合金中，Cu-Ni-Si合金是兼具高強度和高導(dǎo)電性的代表性銅合金。該銅合金，因微細的Ni-Si類金屬間化合物粒子析出而使強度和導(dǎo)電性提高，作為引線框架、電子設(shè)備的各種端子、連接器等的材料而得到應(yīng)用(例如，參考專利文獻1)。
專利文獻1 特愿2000-018319Cu-Ni-Si合金利用Ni-Si類金屬間化合物粒子析出來提高強度和導(dǎo)電性。但是，合金的強度和導(dǎo)電率一般為相反關(guān)系，強度高則導(dǎo)電性低，導(dǎo)電性高則強度降低。Cu-Ni-Si合金的情況是，如果所添加的Ni及Si為低濃度，則不形成Ni-Si類金屬間化合物粒子的析出物的固溶元素減少，盡管可獲得充分的導(dǎo)電性，但是由于濃度低，故析出量減少，強度不充分。另一方面，如果使其為高濃度，則析出量增多，盡管獲得充分的強度，但是，不形成Ni-Si類金屬間化合物粒子的析出物的固溶元素增多，因而有導(dǎo)電性不夠高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述問題而作出的，目的在于提供一種兼具高強度和高導(dǎo)電性的電子材料用Cu-Ni-Si合金。
為解決上述問題，本發(fā)明人經(jīng)過多番研究Cu-Ni-Si合金，最終成功地開發(fā)了兼具高強度和高導(dǎo)電性的Cu-Ni-Si合金。
即，本發(fā)明的技術(shù)方案如下(1)兼具高強度及高導(dǎo)電性的Cu-Ni-Si合金的特征在于，它是含有1.0～4.5％的Ni、0.25～1.5％的Si、其余是由Cu及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的銅基合金，在Ni和Si的質(zhì)量濃度為[Ni]、[Si]時的、Ni與Si的[Ni]/[Si]為4～6，并且是使(式1)所定義的x為0.1～0.45的[Ni]、[Si]，([Ni]-4x)2([Si]-x)＝1/8……(式1)。
(2)上述(1)所述的Cu-Ni-Si合金的特征在于，含有0.05～0.3％的Mg。
(3)上述(1)或(2)所述的Cu-Ni-Si合金的特征在于，含有總量為0.005～2.0％的Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、P、Mn、Ag或Be中的一種以上。
如上所述，本發(fā)明的合金具有優(yōu)良的強度和導(dǎo)電性，適合作為引線框架、端子、連接器等電子材料用銅合金。
具體實施形式接著，對在本發(fā)明中按照上述那樣限定銅合金的組成范圍的理由進行具體說明。
Ni及Si濃度通過進行時效處理，Ni及Si形成以微細的Ni2Si為主的金屬間化合物的析出粒子，使合金的強度顯著地增加，另一方面，也較大地提高導(dǎo)電性。不過，Ni濃度小于1.0％時，或Si濃度小于0.25％時，即使添加另一種成分，也得不到所希望的強度。此外，Ni濃度超過4.5％時，或Si濃度超過1.5％時，盡管獲得充分的強度，但是，導(dǎo)電性降低，而且，在母相中生成對提高強度沒有幫助的粗大Ni-Si類粒子(結(jié)晶物或析出物)，而招致彎曲加工性、蝕刻性和鍍層性下降。因此，將Ni濃度定為1.0～4.5％，將Si濃度定為0.25～1.5％。
/[Si]質(zhì)量濃度比如果合金中的固溶Ni的量及固溶Si的量減少，則導(dǎo)電率增加。如果對Cu-Ni-Si合金進行時效處理，則Ni2Si析出，使固溶Ni的量及固溶Si的量減少，從而提高導(dǎo)電率。時效后的固溶Ni的量及固溶Si的量按照后述的溶度積的關(guān)系(式1)進行增減。例如，如果合金中的Ni濃度及Si濃度的比([Ni]/[Si])增加，則固溶Ni的量增加，固溶Si的量減少。另一方面，如果對導(dǎo)電率降低的影響程度進行比較，則固溶Si量比固溶Ni量大很多。因此，賦予最大導(dǎo)電率的[Ni]/[Si]與析出物Ni2Si中的Ni/Si比(＝4.18)不一致。
本發(fā)明人通過實驗來研究[Ni]/[Si]與輸電率的關(guān)系，從而明確了為了獲得高導(dǎo)電率，需要將[Ni]/[Si]調(diào)整在4～6的范圍中，最好調(diào)整在4.2～4.7的范圍中。該組成相對于Ni2Si的組成是Ni稍過剩的組成。
由于如果[Ni]/[Si]小于4，則固溶Si的量增加，故導(dǎo)電率顯著下降，而且在熱處理時容易在材料表面生成氧化硅膜，從而導(dǎo)致軟釬焊性及鍍層性變差。另一方面，如果[Ni]/[Si]超過6，則由于固溶Ni的量增加，所以，得不到所希望的導(dǎo)電率。
關(guān)于(式1)Cu-Ni-Si合金通過Ni2Si粒子的析出來提高強度。如前所述，從導(dǎo)電率的觀點出發(fā)，相對于Ni2Si的組成，Ni的量稍過剩些好。以前人們認為，象這樣Ni過剩時，Ni2Si粒子的析出量由Si的濃度來決定。即，人們一直認為在Ni過剩的組成的情況下，時效后的強度由Si濃度來決定。
本發(fā)明人以能夠獲得高導(dǎo)電率的Ni過剩的組成為基礎(chǔ)，對Ni及Si濃度與強度的關(guān)系進行了反復(fù)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使Si濃度相同，如果[Ni]/[Si]不同，則大時產(chǎn)生數(shù)十MPa的強度差，并且，Si濃度和強度并不一定存在相關(guān)關(guān)系。換言之，發(fā)現(xiàn)了決定Ni2Si的析出量的參數(shù)不是Si濃度。
而且，基于對溶度積的考慮，對實驗數(shù)據(jù)進行了解析，結(jié)果，關(guān)于Ni及Si濃度與Ni2Si的析出量的關(guān)系，得到了以下實驗式。
([Ni]-4x)2([Si]-x)＝1/8……(式1)這里，x是表示析出量的參數(shù)。更具體地說，x相當于析出的Si濃度，4x相當于析出的Ni濃度。因此，([Ni]-4x)相當于固溶的Ni濃度，([Si]-x)相當于固溶的Si濃度。
時效后的強度顯示了與該x較強的相關(guān)關(guān)系。即，通過將x調(diào)整為適當?shù)闹祦慝@得所希望的強度，因此，利用(式1)使[Ni]及[Si]為適當?shù)闹导纯?。如上所述，通過導(dǎo)入顯示析出狀態(tài)的參數(shù)x、并根據(jù)溶度積的關(guān)系調(diào)整Ni和Si濃度、來控制時效后的強度的技術(shù)是本發(fā)明首次發(fā)現(xiàn)的。
溶度積的值((式)1的右邊)是溫度的函數(shù)。低溫下，該值小，即，如果在低溫下進行時效處理，理論上，析出物的量增多，從而獲得高強度、高導(dǎo)電率的材料，但是，這終究是在平衡狀態(tài)下的理論。為了在低溫下對金屬材料進行時效處理直到達到平衡狀態(tài)，需要接近無限的時效時間。本發(fā)明人調(diào)查了各種組成及析出狀態(tài)，從而明確了溶度積相對于工業(yè)時效處理的適當值為1/8，此時的x值如果是0.1～0.45，則能夠在工業(yè)上穩(wěn)定地獲得高強度、高導(dǎo)電率的材料。
Mg濃度Mg盡管具有大幅度改善應(yīng)力緩和特性的效果及改善熱加工性的效果，但是如果小于0.05％，則得不到該效果，如果超過0.30％，由于鑄造性(鑄件表面質(zhì)量下降)、熱加工性及鍍層耐熱剝離性下降，所以將Mg的濃度定為0.05～0.3％。
Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、P、Mn、Ag或BeZn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、P、Mn、Ag或Be具有提高Cu-Ni-Si合金的強度及耐熱性的作用。此外，其中Zn還具有提高軟釬料接合的耐熱性的效果，F(xiàn)e還具有使組織微細化的效果。此外，Ti、Zr、Al及Mn具有改善熱軋性的效果。其原因是，這些元素由于與硫的親和性強，故與硫形成化合物，從而減少了產(chǎn)生熱軋裂紋的原因即硫向鑄錠的晶粒邊界的偏析。Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、P、Mn、Ag或Be的濃度總量如果小于0.005％，則得不到上述效果，如果總含量超過2.0％，則導(dǎo)電性顯著下降。因此，將它們的總含量定為0.005～2.0％。
實施例接著，對本發(fā)明的實施例進行說明。在大氣熔化爐中對表1所示的各種成分組成的銅合金進行熔煉，并鑄造成厚度30mm的鑄錠。
表1

接著，熱軋到厚度為9mm，為去除表面鱗片而進行面切削后，通過冷軋制成厚度1mm的板。之后，在750℃～850℃的溫度下進行固溶處理，然后，冷軋到厚度0.4mm。而且，對于各合金的組成，在拉伸強度成為最大值的溫度下進行3個小時的時效處理。該溫度范圍為400℃～600℃。而且，用冷軋制成厚度0.25mm的板。在拉伸試驗機上利用拉伸強度來評價最終熱處理后的試樣的強度。通過四端子法利用導(dǎo)電率(％IACS)來評價導(dǎo)電性。此外，[Ni]/[Si]及x的值在技術(shù)方案1的范圍內(nèi)用(○)評價，在其范圍外用(×)評價。將結(jié)果示于表1。
由表1可知，發(fā)明例No.1～No.13的[Ni]/[Si]及x的值均在技術(shù)方案1的范圍內(nèi)。因此，發(fā)明例的拉伸強度為720MPa以上、導(dǎo)電率為45％IACS以上，具有高強度、高導(dǎo)電性。
而且，為了改善應(yīng)力緩和特性而添加了Mg的發(fā)明例No.2、No.4、No.6、No.7、No.8也與不添加Mg的例子一樣，獲得了高的強度和導(dǎo)電率。
此外，添加了總量為0.005～2.0％的Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、P、Mn、Ag或Be中的一種以上的發(fā)明例No.7～No.13與沒有添加的發(fā)明例No.1～No.6相比，盡管導(dǎo)電性稍差，但強度方面優(yōu)良。
另一方面，觀察比較例，由于No.14和No.16的x值大于0.45，所以，強度不那么增加，導(dǎo)電率降低。這是由于，生成了對強度沒有幫助的粗大的Ni-Si類粒子(結(jié)晶物及析出物)的緣故。No.15盡管顯示出了高的導(dǎo)電率，但是由于意味著析出量的x值低，故強度降低。No.17的[Ni]/[Si]低，Si過剩，從而使導(dǎo)電率降低。No.18的[Ni]/[Si]高，固溶Ni多，從而使導(dǎo)電率降低。No.19由于x值高且[Ni]/[Si]低，所以導(dǎo)電率顯著降低。
No.20由于Mg的添加量太多，所以，熱軋中的加工性差，產(chǎn)生裂紋，而不能進行后步工序。
在No.21～No.23中，由于添加Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、P、Mn、Ag或Be中的1種以上的元素時的總量超過了2.0％，所以，導(dǎo)電率顯著降低。
權(quán)利要求
1.一種兼具高強度及高導(dǎo)電性的Cu-Ni-Si合金，其特征在于，在含有1.0～4.5質(zhì)量％(以下為％)的Ni、0.25～1.5％的Si、其余是由Cu及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的銅基合金中，在Ni和Si的質(zhì)量濃度為[Ni]、[Si]時，Ni與Si的質(zhì)量濃度比(以下為[Ni]/[Si])為4～6，并且是使(式1)所定義的x為0.1～0.45的[Ni]、[Si]，([Ni]-4x)2([Si]-x)＝1/8……(式1)。
2.如權(quán)利要求1所述的Cu-Ni-Si合金，其特征在于，含有0.05～0.3％的Mg。
3.如權(quán)利要求1或2所述的Cu-Ni-Si合金，其特征在于，含有總量為0.005～2.0％的Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、P、Mn、Ag或Be中的一種以上。
全文摘要
提供一種兼具高強度及高導(dǎo)電性的電子材料用Cu－Ni－Si合金，其特征在于，在含有1.0～4.5質(zhì)量％(以下為％)的Ni、0.25～1.5％的Si、其余是由Cu及不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的銅基合金中，在Ni和Si的質(zhì)量濃度為[Ni]、[Si]時，Ni與Si的質(zhì)量濃度比(以下為[Ni]/[Si])為4～6、并且是使(式1)所定義的x為0.1～0.45的[Ni]、[Si]，([Ni]－4x)
文檔編號C22C9/06GK1540013SQ200410036828
公開日2004年10月27日 申請日期2004年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月18日
發(fā)明者石川泰靖, 新見壽宏, 波多野隆紹, 宏, 隆紹 申請人:日礦金屬加工株式會社