專利名稱:改進(jìn)了強(qiáng)度和導(dǎo)電性的銅合金的制作方法
本發(fā)明涉及在電子工業(yè)中具有特殊的用途，作為引線結(jié)構(gòu)材料或連接件材料的銅基合金。電子工業(yè)越來越需要有電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性高的較高強(qiáng)度的引線結(jié)構(gòu)合金。而且連接件的應(yīng)用也會(huì)受益于這樣的合金。本發(fā)明的合金兼具強(qiáng)度和導(dǎo)電性，比另一種可供選擇的市售合金有所改善。
由于高銅合金(銅占96%～99.3%)相對(duì)于銅來說強(qiáng)度高并且具有中等到較高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，因此用于電子和電器工業(yè)。在這類合金中，導(dǎo)電率的幅度一般從銅合金C18200和C16200的高達(dá)90% IACS(國際退火銅標(biāo)準(zhǔn))到銅合金C17000和C17200的低至22%。典型用磷化物強(qiáng)化的合金具有中等到較高的導(dǎo)電性。例如，磷化鎳強(qiáng)化合金C19000，鐵-磷化物強(qiáng)化合金C19200，C19400和C19600以及在合金C19500中的混合的鐵和鈷-磷化物。合金C19200和C19600標(biāo)稱有1%的鐵，但磷的含量不同，(標(biāo)稱分別為含0.03%和0.3%)。另一種國外生產(chǎn)的以TAMAC-5出售的合金C19520，含有0.5%～1.5%的鐵，0.01%～0.35%的磷和0.5%～1.5%的錫。
下面的專利是對(duì)用磷化物強(qiáng)化的合金的說明美國專利2，123，628、3，039，867、3，522，039、3，639，119、3，640，779、3，698，965和3，976，477、德國專利915，392，加拿大專利577，850和日本專利56-105645，55-154540，58-53057，55-79848和59-9141。美國專利號(hào)3，522，112和3，573，110說明了這種合金的加工方法。
還發(fā)現(xiàn)磷化鎂也強(qiáng)化銅合金，如C15500，這種合金包括在已公開的美國專利號(hào)3，677，745和3，778，318中。在這些專利中披露的合金及其制法，要求磷與鎂之比范圍為0.3～1.4，這個(gè)合金除了含銅雜質(zhì)外，據(jù)披露還大致含0.002%～4.25%的磷和0.01%～5.0%的鎂與之平衡。這合金還含有0.02%～0.2%的銀和0.01%～2.0%的隔。磷化鎂作為強(qiáng)化劑也用于美國專利號(hào)4，202，688和4，305，762的合金中，前一個(gè)專利中披露了一種含有混合稀土、磷和鎂的合金，而后一個(gè)專利中披露了一種合金，它含有0.01%～0.2%的鎂、磷和從鐵、鈷、鎳及其混合物中選擇的一種過渡金屬。
美國專利2，157，934披露一種銅合金，它含有0.1%～3%的鎂、0.1%～5%的鎳、鈷、鐵類中的一種物質(zhì)、0.1%～3%的硅和剩下的銅。該專利還指出，添加很小百分含量的另外的組分，例如銀、鋅、鎘、錫、鋯、鈣、鋰、鈦和錳，可以改善合金。它還指出“在某些情況下，磷、鉛或鈹可以全部或者部分代替硅，因?yàn)樗鼈円部梢耘c鐵類金屬形成金屬間化合物?！比毡緦＠?8-199835披露了一種銅合金，它含有Mg 0.03%～0.3%、Fe0.03%～0.3%、P0.1%～0.3%剩下的是Cu。
按照本發(fā)明，可以提供一種強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好及優(yōu)良的耐軟化和可成形性的改進(jìn)的銅基合金。這種合金含有磷化物的混合物，這些磷化物包括磷化鎂以及含有或不含有鎳、錳、鈷或其混合物的鐵的磷化物。
按照這一發(fā)明，鎂與磷之比和磷化物構(gòu)成物(鎂｜鐵｜鎳｜錳｜鈷)的總含量與磷之比，每個(gè)必須維持在臨界限度內(nèi)，才能達(dá)到所要求的良好的導(dǎo)電性。令人驚奇的發(fā)現(xiàn)某種固體溶液強(qiáng)化元素，例如錫或銻，可以有助于提高合金的強(qiáng)度同時(shí)導(dǎo)電性有一些損失，而其它一些元素例如鋁和鉻對(duì)強(qiáng)度和導(dǎo)導(dǎo)性都有負(fù)的影響，硅對(duì)導(dǎo)電性有很大負(fù)的效應(yīng)。
本發(fā)明的合金基本含有大約0.3%～1.6%(全文均為重量百分比)的鐵，有最多到一半的鐵由一種元素(從鎳、錳、鈷及其混合物一類中選擇)，含有大約0.01%～0.20%的鎂;大約0.10%～0.40%的磷;含有最多到約0.5%的由錫、銻及其混合物中選擇的一種元素和剩下的銅;但須磷與鎂之比至少約1.5并且磷與磷化物構(gòu)成物(鎂｜鐵｜鎳｜錳｜鈷)的總含量之比的范圍約在0.22%～0.49%之間。最好，磷與鎂之比至少約2.5，鐵的最低含量大于0.3%，例如至少0.35%或至少0.4%。
合金最好基本含有大約0.5%～1.0%的鐵，而最多到一半的鐵由鎳、錳、鈷及其混合物一類中選擇的一種元素所置換;含有大約0.15%～0.25%的磷，含有約0.02%～0.1%的鎂，含有最多到0.35%由含錫、銻及其混合物類中選擇的一種元素，和剩下的銅，但須與鎂之比范圍大約在2.5～8.0之間，磷與磷化物構(gòu)成物的總含量之比范圍約在0.25～0.44之間，在某些情況下，磷與鎂之比的上限可以提高到12，但最好約在3.0～6.0之間。
按照本發(fā)明的另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例，為了提高合金的強(qiáng)度，合金最好加入必要量的錫。對(duì)于這個(gè)實(shí)施例的合金。在上文注明的范圍內(nèi)可任意變動(dòng)的錫含量代之以有效量為約0.4%，以提高合金強(qiáng)度，而所有其它合金元素的范圍在最廣泛的實(shí)施例中與上面規(guī)定的相同。磷與磷化物形成物的總量之比變?yōu)閺募s0.24到約0.48。在某些情況下，磷與磷化物構(gòu)成物總量之比可以減少到0，22。根據(jù)這個(gè)實(shí)例，錫的含量范圍最好約為0.05%～0.35%而所有其它元素的含量與上文規(guī)定的優(yōu)先選用的合金相同。令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這種優(yōu)先選用的實(shí)施例的合金，磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比以一種嚴(yán)格的方式變化，以致其范圍約在0.27～0.39之間。因此，提供一種改進(jìn)的銅基合金用于電子工業(yè)，例如作為引線結(jié)構(gòu)材料或連接件這是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是為這類應(yīng)用提供這樣一種改進(jìn)的強(qiáng)度，而又保持了足夠?qū)щ娦院涂沙尚涡缘暮辖稹?br>這些和其它一些優(yōu)點(diǎn)從下面的說明和附圖中將看得比較清楚。
圖1為電導(dǎo)率和磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比之間的關(guān)系;
圖2為彎曲成形性和合金中錫的百分率之間的關(guān)系;
圖3為無錫合金的電導(dǎo)率和磷與鎂之比之間的關(guān)系;
圖4為含錫合金的電導(dǎo)率和磷與鎂之比之間的關(guān)系;
圖5為本發(fā)明合金的電導(dǎo)率和硅含量之間的關(guān)系;
圖6為電導(dǎo)率和磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比之間的關(guān)系曲線，與圖1相比增加了數(shù)據(jù)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，可從提供一種兼有強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、同時(shí)具有優(yōu)良的耐軟化性和可成形性的銅基合金，合金基本上含有約0.3%～1.6%的鐵，同時(shí)多達(dá)一半的鐵由一種元素(由鎳、錳、鈷及其混合物類中選擇的)所置換;含有大約0.01%～0.20%的鎂，大約0.10%～0.40%的磷;多達(dá)0.5%的從由錫、銻、及其混合物構(gòu)成的物類中選擇的一種元素;以及剩下的銅;但須磷與鎂之比至少約為1.5，磷與磷化物構(gòu)成物(鎂｜鐵｜鎳｜錳｜鈷)總含量之比范圍在大約0.22～0.49之間。磷與鎂之比最好至少約2.5，最低鐵含量大于0.3%，例如至少0.35%或至少0.4%。
合金最好基本上含有約0.5%～1.0%的鐵，而多達(dá)一半的鐵由一種元素(從含鎳、錳、鈷及其混合物中選擇的)所置換;大約0.15%～0.25%的磷;大約0.02%～0.1%的鎂;多達(dá)0.35%的從含錫、銻、及其混合物的物類中選擇的一種元素;以及剩下的銅，但須磷與鎂之比范圍大約在2.5～8.0之間，磷與磷化物構(gòu)成物總量之比范圍大約在0.25～0.44之間，最佳約為0.27～0.38。在某些情況下，磷與鎂之比上限可提高到12，但是該比率范圍最佳約為3.0～6.0。
本發(fā)明的合金也可以含有其它元素或雜質(zhì)，它不會(huì)顯著地降低其特性。
按照本發(fā)明的另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例，合金最好含有必要量的錫，以提高其強(qiáng)度。對(duì)于這一實(shí)施例的合金，錫含量在上面注明的范圍內(nèi)是任意選擇的應(yīng)代之以必要的添加量。這個(gè)可供選擇的實(shí)施例的合金基本上含有約0.3%～1.6%的鐵，而多達(dá)一半的鐵由一種元素(從鎳、錳、鈷及其混合物構(gòu)成的物類中選擇的)所置換;含有大約0.01%～0.20%的鎂;大約0.10%～0.4%的磷，為了提高合金的強(qiáng)度錫的實(shí)際含量多達(dá)0.4%，多達(dá)0.5%的銻;及剩下的銅;但須磷與鎂之比至少約為1.5，磷與磷化物構(gòu)成物(鎂｜鐵｜鎳｜錳｜鈷)總含量之比范圍大約在0.24～0.48之間。某些情況下，磷與磷化物構(gòu)成物鬃含量之比下限可降至0.22。
可供選擇的實(shí)施例的合金最好基本上含有大約0.5%～1.0%的鐵，而多達(dá)一半的鐵由一種元素(從鎳、錳、鈷及其混合物構(gòu)成的物類中選擇的)所置換;含有大約0.15%～0.25%的磷;大約0.02%～0.1%的鎂;大約0.05%～0.35%的錫;多達(dá)0.35%的銻;及剩下的銅;但須磷與鎂之比范圍大約在2.5～8.0之間，磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比范圍大約在0.27～0.39之間，最佳約為0.28～0.37。
令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這種可供選擇的實(shí)施例的合金，最好磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比與無錫合金相比有所改變?？晒┻x擇的實(shí)施例的合金也可以含有其它元素和雜質(zhì)，它基本不降低其特性。
把磷降到這里規(guī)定的限度以下，降低了合金的強(qiáng)度。而把磷提高到這里規(guī)定的限度之上，又會(huì)造成加工的困難，包括在鑄造和熱軋中的破裂以及其它表面質(zhì)量的損害。鐵低于這里規(guī)定的限度降低了合金的強(qiáng)度。鎂高于這里規(guī)定的限度反而影響了合金的導(dǎo)電性，鎂含量很高時(shí)影響它的熱軋性。在帶有或不帶有鎳、錳、或鈷的鐵的含量低于這里規(guī)定的限度時(shí)，合金強(qiáng)度會(huì)受到有害的影響，如超過這里規(guī)定的限度，那么由于在鑄造和熱軋中的破裂使合金很難加工，損害了表面質(zhì)量。
除前述以外，在本發(fā)明的可供選擇的實(shí)施例中，錫含量高于這里所規(guī)定的會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性嚴(yán)重下降，降低了彎曲成形性;錫含量低于這里規(guī)定的限度，造成強(qiáng)度降低。
如果磷與鎂之比和磷與磷化物構(gòu)成物總量之比不在這里規(guī)定的范圍之內(nèi)，那么合金的導(dǎo)電性會(huì)受到有害的影響。如圖1所示，這些比率的范圍被認(rèn)為是嚴(yán)格的。圖1中，上面的帶1和曲線2是一系列有錫和無錫合金的磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比對(duì)電導(dǎo)率的曲線圖。這個(gè)曲線圖清楚地表明了這個(gè)比例對(duì)于所得合金的導(dǎo)電性的出乎意料的，令人驚奇的臨界狀態(tài)。上面的帶1是無錫合金，下面的曲線2是含錫合金，錫含量在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。研究了有關(guān)的曲線圖后表明，錫提高了合金強(qiáng)度，而降低了電導(dǎo)率。令人驚奇的是，含錫合金的這種比率的較優(yōu)值范圍比無錫合金的范圍窄。
本發(fā)明的合金被認(rèn)為含有磷化物的混合物，含有磷化鎂顆粒和含有或不含有鎳、錳、鈷或其混合物的鐵的磷化物顆粒。顯微結(jié)構(gòu)由一些1～3微米大的磷化物顆粒和小于0.5微米的均勻分散的細(xì)磷化物顆粒組成。正如指出的一樣，磷化物是含鎂或含鐵的化合物。從鎳、錳、鈷及其混合物構(gòu)成的物類中選擇的其它元素置換了一部分鐵，據(jù)認(rèn)為磷化鎂沒有改變，但磷化鐵包括了添加的無論什么元素。
本發(fā)明的合金中當(dāng)有錫或銻時(shí)，含有固體溶液強(qiáng)化劑，它仍溶解在銅母體中強(qiáng)化合金，但如同下面所示，電導(dǎo)率有些降低。據(jù)認(rèn)為至少有兩種磷化物的化合物在本發(fā)明的合金中形成，使其特性超過任一種化合物單獨(dú)存在時(shí)將會(huì)具有的特性。
令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，諸如鋁和鉻這樣的元素，不但對(duì)于合金強(qiáng)度而且對(duì)合金導(dǎo)電性有不好的影響。例如，當(dāng)鋁的量大約為0.2%～0.25%時(shí)或鉻的含量為0.4%～0.5%時(shí)，顯示了不良的影響。還令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，硅含量在0.20%～0.25%時(shí)，對(duì)合金的電導(dǎo)率有很壞的影響，而強(qiáng)度增加很少。
本發(fā)明的合金具有良好的焊接性和優(yōu)于合金C19400的耐軟化性，幾乎與合金C19500同樣良好。
圖2是最小彎曲半徑被厚度除對(duì)錫的重量百分率所作的曲線圖。彎曲成形試驗(yàn)測(cè)量了最小半徑，帶材可彎曲90°而不破裂。橫向彎曲特性是將彎軸垂直于軋制方向來測(cè)定的，測(cè)定了良好狀況的彎曲特性;而縱向彎曲特性是將彎軸平行于軋制方向來測(cè)定的。最小彎曲半徑(MBR)是帶材可以彎成90°而不破裂的拉深模模口圓角半徑，“t”是帶材的厚度。在圖2中，上面的曲線是彎曲的，而下面的曲線是縱向彎曲的。
當(dāng)錫在本發(fā)明的合金中存在時(shí)，如圖2所示，令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，錫應(yīng)當(dāng)限制在小于0.4%，最好小于0.3%，以得到良好的彎曲成形性。如圖2所示，高的錫含量對(duì)合金的彎曲成型性有不良影響。
本發(fā)明的合金可以根據(jù)下面的工藝加工。最好合金直接冷鑄，溫度至少在約1100～1250℃。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的合金在鑄塊冷卻過程中可能對(duì)晶界裂縫敏感。因此，特別是對(duì)大段鑄件，最好以一定的方式控制后面的固化冷卻，以從正常的直接冷卻鑄造冷卻速度中降低冷卻速度。鑄造合金的特殊方法不構(gòu)成本發(fā)明的部分內(nèi)容。
得到的鑄件在溫度約850～980℃擴(kuò)散加熱大約1.5～4小時(shí)，接著進(jìn)行熱加工例如熱軋制多次，以得到一般小于3/4″的所求尺寸。可以對(duì)合金再溶解，把合金置于爐中，在溫度約900～980℃溶解析出的合金元素，接著迅速冷卻，例如水淬。
進(jìn)行過或者未進(jìn)行過再溶解的合金，最好先碾磨，除去氧化皮，然后通過冷軋那樣進(jìn)行冷加工到中等尺寸，厚度大約減少10%～90%，最好減少30%～80%。冷軋后，最好進(jìn)行退火，在金屬溫度約為400～800℃使金屬軟化近6小時(shí)的有效周期。在上述溫度范圍內(nèi)帶材用較高的溫度較短的時(shí)間退火，而鐘狀(Bell)物退火用較低溫度較長(zhǎng)的時(shí)間。
而后，合金最好通過冷軋方式再次冷加工，以使厚度減少大約10%～90%，最好減少約為20%～80%。然后，合金最好在溫度約為350～550℃退火大約126小時(shí)，這種退火最好是Bell退火。合金然后可以按要求軋制到最終的平整狀態(tài)，厚度減少大約20%～80%，如果需要的話，也可以進(jìn)行消除應(yīng)力退火。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在中間尺寸和準(zhǔn)備作為終尺寸的退火，可以以一種方式控制，以便發(fā)生全部重結(jié)晶或部分重結(jié)晶。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，部分重結(jié)晶是提高合金的相對(duì)強(qiáng)度的有效方法(屈服強(qiáng)度從大約5KSi提高到10KSi)而彎曲成形性稍有降低。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的合金的部分重結(jié)晶占約10%～80%，是在溫度約為425℃～500℃的中間尺寸退火和在溫度約為375℃～475℃的終尺寸退火實(shí)現(xiàn)的。
從研究下面的說明實(shí)例中將更容易理解本發(fā)明。
實(shí)例1本例合金用木碳復(fù)蓋，空氣熔化和杜威勒澆鑄(Durville)得到12磅的鑄塊6″×4″×1-3/4″，澆鑄溫度約為1125℃～1150℃。所得到的鑄塊在850℃～900℃擴(kuò)散加熱2小時(shí)，然后不用重新加熱，經(jīng)七次從1-3/4″軋制成0.4″。為了再溶解析出的合金元素，把帶材放回爐中在850～900℃保溫1小時(shí)后再水淬。然后碾磨帶材去除氧化皮，冷軋成0.080″。以后把冷軋帶材約在500℃～575℃退火2小時(shí)。再冷軋成0.040″，在大約450℃～500℃退火約2小時(shí)后，測(cè)量電導(dǎo)率。然后為進(jìn)行特性測(cè)量，把材料最終軋制成0.010″。把0.010″的材料樣品在300℃～550℃范圍內(nèi)的不同溫度退火1小時(shí)，然后測(cè)量各自的維氏硬度值。由此確定抗軟化性。
其組分列在表1A中的兩種合金按上述加工，表1A中的合金3相應(yīng)于工業(yè)合金C19600。在表1B中，把這三種合金與其它工業(yè)合金C19400，C19500和C19520做了比較。C19400的特性適于最終免除退火的彈簧回火材料，而C19500的特性適于-3/4-硬回頭。這些工業(yè)合金的這些特殊回頭一般是為引線結(jié)構(gòu)材料規(guī)定的。表中列出了電導(dǎo)率值，抗拉特性和彎曲成形性。
很明顯，本發(fā)明的這些合金與市售合金相比有所改善，本發(fā)明的合金1與銅合金C19400相比強(qiáng)度稍好，而導(dǎo)電性要好的多。通過比較合金1和合金3可以看到，鎂的加入使得在電導(dǎo)率相似時(shí)大大改善了強(qiáng)度。
按照本發(fā)明另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例合金2與銅合金C19500相比，在相似的強(qiáng)度下，導(dǎo)電性要好得多。所有比較都基于總的類似的彎曲成形性的基礎(chǔ)上。
表1A合金1 鐵 1.00%鎂 0.13%磷 0.32%銅 剩余合金2 鐵 0.99%鎂 0.13%磷 0.33%錫 0.25%銅 剩余合金3 鐵 1.10%磷 0.27%銅 剩余表1B 0.01″特性合金 電導(dǎo)率% 0.2%屈服 抗拉強(qiáng)度 拉伸長(zhǎng) 縱向 橫向IACS 強(qiáng)度KSi KSi 度% MBR/t MBR/t1 78.3 75 77 1.7 1.2 1.62 67.5 80 82 1.5 1.2 1.63 75.9 72 74 1.5 1.2 1.6C19400 69 70 73 1.5 1.2 1.6C19500 59 80 82 2.2 1.2 1.6
C19520 48 63 74 10.0 0.8 1.6實(shí)例2把其組分列于表2A的合金與表2B的合金1做比較。這合金按前面描述的參考實(shí)例1進(jìn)行加工。表2B所示的結(jié)果，除了使用0.040″尺寸的退火電導(dǎo)率以外，其它與前面指出的相同。表2B數(shù)據(jù)表明，當(dāng)鎳或錳替換了合金的部分鐵時(shí)，本發(fā)明的增強(qiáng)性仍被保持。
表2A合金4 鐵 0.67%鎳 0.30%磷 0.25%鎂 0.09%銅 剩余合金5 鐵 0.57%鎳 0.53%磷 0.36%鎂 0.12%銅 剩余合金6 鐵 0.68%錳 0.33%磷 0.29%鎂 0.10%銅 剩余合金7 鐵 0.72%鎳 0.29%磷 0.31%鎂 0.11%
錫 0.25%銅 剩余合金7a 鐵 0.73%鈷 0.31%磷 0.305%鎂 0.096%錫 0.27%銅 剩余表 2B 0.010″的特性合金 電導(dǎo)率 0.2%屈服 抗拉強(qiáng)度 拉伸長(zhǎng) 縱向 橫向0.040″退火 的強(qiáng)度KSi KSi 度% MBR/t MBR/t%IACS1 84.4 75 77 1.7 1.2 1.64 84.7 77 80 2.2 1.6 1.65 78.8 80 82 1.5 1.6 1.66 76.2 76 79 2.2 1.6 1.67 73.5 80 83 1.7 1.6 1.67a 70.2 84 86 2.2 1.6 1.6實(shí)例3在表3A的合金中按規(guī)定加入錫或銻的效果，由退火的0.040″尺寸的電導(dǎo)率和0.010″尺寸拉伸性質(zhì)所表明。所有的合金基本上按參考實(shí)例1中描述的方法加工。研究表3B的結(jié)果可以看得很明顯，錫在本發(fā)明范圍內(nèi)提供了較高的強(qiáng)度而電導(dǎo)率范圍的降低是容許的。但是，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，錫超過了范圍對(duì)電導(dǎo)率產(chǎn)生非常有害的影響。
表3A
合金8 鐵 1.09%鎂 0.13%磷 0.37%錫 0.50%銅 剩余合金9 鐵 1.05%鎂 0.12%磷 0.37%錫 1.00%銅 剩余合金10 鐵 1.02%鎂 0.11%磷 0.36%銻 0.28%銅 剩余表3B 0.010″的特性合金 0.040″退火的 0.2%屈服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 拉伸長(zhǎng)度電導(dǎo)率 KSi KSi %%IACS1 84.4 75 77 1.72 73.5 80 82 1.58 58.3 89 91 1.79 47.0 94 97 2.010 71.3 85 87 1.5實(shí)例4
這個(gè)例子把本發(fā)明前面描述的實(shí)例的幾種合金的耐軟化性與工業(yè)合金的作了比較。所有合金都是按參考實(shí)例1的描述加工的，它們的性質(zhì)已在表1B和2B中表明。耐軟化試驗(yàn)的結(jié)果在表4中表示。表4中的數(shù)據(jù)指出，本發(fā)明的合金耐軟化性與銅合金C19400相比所改進(jìn)，并接近于銅合金C19500。
表4處理方法 合金1 合金2 合金7 C19400 C19500收到的樣品 179 190 186 168 189300℃/小時(shí) 170 188 183 168 190350℃/小時(shí) 166 177 183 170 -370℃/小時(shí) 162 162 174 - -400℃/小時(shí) 118 135 145 73 167425℃/小時(shí) 106 114 117 - -450℃/小時(shí) 100 109 116 74 94500℃/小時(shí) 96.5 107 106 81 97550℃/小時(shí) 96.5 106 101 72 94實(shí)例5這個(gè)例子把含鐵和各種磷與鎂之比的合金做了比較。列在表5A的合金都按前面描述的那樣加工，除了合金12和14受到50%最后的冷軋壓延達(dá)到0.010″。合金的總的性質(zhì)在表5B中示出。顯然，本發(fā)明的合金(磷與鎂之比超過1.4)有較好的電導(dǎo)性和強(qiáng)度的結(jié)合。
表5A合金11 鐵 0.58%鎂 0.19%磷 0.22%銅 剩余
合金12 鐵 0.71%鎂 0.30%磷 0.25%銅 剩余合金13 鐵 1.12%鎂 0.06%磷 0.29%銅 剩余合金14 鐵 0.88%鎂 0.26%磷 0.36%銅 剩余參考圖3和圖4，一組曲線表明了一系列含錫和無錫合金的電導(dǎo)率和磷與鎂之比關(guān)系。每條曲線都是依據(jù)在預(yù)定的磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比的范圍內(nèi)的合金的數(shù)據(jù)點(diǎn)。合金按本發(fā)明前述加工，某些數(shù)據(jù)點(diǎn)是依據(jù)按例1加工的合金樣品，而其它數(shù)據(jù)點(diǎn)依據(jù)本發(fā)明加工處理的從工業(yè)鑄塊中取來的合金樣品。
參考圖3和圖4，顯然按照本發(fā)明磷與鎂之比，在任何意義上都是臨界的，最好至少為2.5。而且從圖的研究中顯而易見，對(duì)這些合金磷與鎂之比和磷化物構(gòu)成物總含量之比存在著相互關(guān)系。例如，參看圖3，在磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比的低端是在本發(fā)明的最佳限度之外，可容許的磷與鎂之比最好落在約25～6的非常窄的范圍內(nèi)。圖3中其它曲線是磷與總磷比在最佳范圍內(nèi)，就那些合金而論磷與鎂的可允許的范圍寬得多，使得合金對(duì)磷與鎂之比的變化變得不敏感。
參看圖4，還表明了磷與磷化物構(gòu)成物總量之比的影響。顯然，磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比的最佳范圍的上端使得可容許的磷與鎂之比的范圍變得稍有些窄。
很明顯，從圖3和圖4的研究中看到磷與鎂之比最好應(yīng)至少2.5。維持3～6范圍內(nèi)這樣的比率，應(yīng)當(dāng)使合金對(duì)磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比的影響變得不太敏感。在磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比的最佳范圍內(nèi)，磷與鎂之比最好為25～8，最佳為3～6。
實(shí)例6這個(gè)例子比較了具有不同的磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比(P/Me)的各種合金。除合金15是Cu-1.13% Fe-0.11% Mg-0.30P并且按例1加工外，這些合金在前面的實(shí)例中都列出了。電導(dǎo)率是0.040″測(cè)量的。
表6把電導(dǎo)率，屈服強(qiáng)度和彎曲成形性作為這個(gè)比例的函數(shù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，當(dāng)該比率提高到0.32以上和降到0.24時(shí)，電導(dǎo)率降低。
雖然本發(fā)明的合金也可含有其它基本上不降低其特性的元素和雜質(zhì)，除了附帶的雜質(zhì)外，最好不要含有象硅、鋁和鉻這類元素。
實(shí)例7具有表7中示出組分的一組合金按例1的方法加工處理，其電導(dǎo)率以RF規(guī)測(cè)量，而RF規(guī)為最終壓延之前的退火尺寸。表7中示出的合金有著不同的硅含量。退火狀態(tài)的電導(dǎo)率對(duì)硅含量的關(guān)系的結(jié)果繪制在圖5中。從圖5的研究中顯而易見，硅對(duì)電導(dǎo)率有非常不利的影響，因此，除了附帶的雜質(zhì)外，應(yīng)當(dāng)加以避免。
表7硅對(duì)Cu-Fe-Mg-P合金的影響合金 Fe Mg P Si Me/P RFCa.% IACSA .69 .053 .180 - 4.13 89.6B .63 .038 .173 .014 3.86 80.9C .66 .043 .175 .041 4.02 73.4D 1.06 .12 .36 .23 3.28 39.6根據(jù)本發(fā)明的合金，它不含錫因此有最高的電導(dǎo)率，有著作為半導(dǎo)體引線結(jié)構(gòu)材料的特殊的用途。本發(fā)明的含錫合金，則強(qiáng)度較高，導(dǎo)電性稍有下降，因此特別適用于電連接件。
再參看圖1，顯而易見，基本無錫合金的磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比的最寬范圍將達(dá)到約90% IACS或更高的電導(dǎo)率，同樣，在無錫實(shí)施例的比率的最佳范圍將達(dá)到約80% IACS或更高。就本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的含錫合金而言，該比率的寬范圍內(nèi)達(dá)到約60% IACS或更高，這個(gè)實(shí)施例較好范圍內(nèi)將達(dá)到約70% IACS或更高，最佳范圍內(nèi)將達(dá)到約72% IACS或更高。
圖6是圖1所示的圖的增補(bǔ)圖。圖6增加了大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，是依據(jù)實(shí)例1加工處理的一組合金的數(shù)據(jù)或取自按本發(fā)明加工處理的一組工業(yè)鑄塊的數(shù)據(jù)。圖1和圖6的比較表明，曲線1和曲線2都代表了一個(gè)結(jié)果范圍。在圖6中示出的增加的數(shù)據(jù)不改變磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比的合適范圍，這與本發(fā)明相符，盡管在某些情況下，根據(jù)增加的數(shù)據(jù)可能把含錫合金的范圍的低限擴(kuò)展到0.22。由于對(duì)所示合金來說，磷與鎂之比范圍很寬，就產(chǎn)生了圖6中的帶1和帶2。磷與鎂之比控制在本發(fā)明的適宜范圍內(nèi)應(yīng)該得到趨向于帶的上部的結(jié)果。
在這里使用的術(shù)語“屈服強(qiáng)度”，是指變形0.2%所測(cè)量的強(qiáng)度。術(shù)語“抗拉強(qiáng)度”是指極限拉伸強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明，伸長(zhǎng)是在2″尺寸長(zhǎng)測(cè)量的，“KSi”一詞是“每平行英寸數(shù)千磅”的縮略語。這里使用的工業(yè)銅合金牌號(hào)包括銅開發(fā)協(xié)會(huì)有限公司(Copper Development Associa-tion Incorpoated 405 Lexingtion Avenue，New York，New York 10017)的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)。
本說明書中所指出的專利和出版物打算包括進(jìn)去作為參考。
顯然，按照本發(fā)明提供了改進(jìn)的兼具強(qiáng)度和導(dǎo)電性的銅合金，充分滿足了上文提出的目標(biāo)、方法和優(yōu)點(diǎn)。然而本發(fā)明結(jié)合著具體實(shí)施例已經(jīng)作了描述，顯然，許多替換、改進(jìn)及變化對(duì)那些對(duì)前面描述的技藝精通的人員來說是很清楚的。因此，打算把所有的這些替換、改進(jìn)和變化包括進(jìn)去，將其歸入在附加權(quán)項(xiàng)的精神實(shí)質(zhì)和寬的范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種兼具高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率的銅基合金，其特征在于主要由約0.3%～1.6%(全文均為重量百分比)的鐵，而多達(dá)一半的鐵由一種從含有鎳、錳、鉑、及其混合物中選擇的元素所置換；約0.01%～0.2%的鎂；約0.10%～0.40%的磷；多達(dá)約0.5%的一種從含錫、銻、及其混合物一類中選擇的元素；以及剩余的銅，但須磷與鎂之比至少約2.5，磷與磷化物構(gòu)成物(鎂｜鐵｜鎳｜錳｜鈷)總含量之比范圍約在0.22～0.49之間。
2.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的銅基合金，其特征在于所述合金基本上含約0.35%～1.0%的鐵，而多達(dá)一半的鐵由一種從含有鎳、錳、鈷及其混合物類中選擇的元素所置換;含有約0.15～0.25%的磷;約0.02%～0.1%的鎂;多達(dá)約0.35%的一種從含有錫、銻、及其混合物一類中選擇的元素;以及其余的銅;但須磷與鎂之比約在2.5～12.0之間，磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比范圍約在0.25～0.44之間。
3.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的銅基合金，其特征在于錫以有效量存在，以提高合金的強(qiáng)度，多達(dá)0.4%，但須磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比范圍在大約0.22～0.48之間。
4.根據(jù)權(quán)項(xiàng)3所述的銅基合金，其特征在于錫的含量為0.05%至約0.35%，但須磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比范圍大約在0.27～0.39之間。
5.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1或2所述的銅基合金，其特征在于構(gòu)成一種引線結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)項(xiàng)3或4所述的銅基合金，其特征在于構(gòu)成一種電連接件。
7.一種制造銅基合金的方法，其特征在于提供一種銅基合金，它基本上含有約0.3%～1.6%的鐵，而多達(dá)一半的鐵含量由一種從含鎳、錳、鈷及其混合物中選擇的元素所置換;大約0.01%～0.20%的鎂;大約0.10%～0.40%的磷;多達(dá)約0.5%的一種從含錫、銻及其混合物中選擇的元素;和剩余銅;但須磷與鎂之比至少約為2.5，磷與磷化物構(gòu)成物(鎂｜鐵｜鎳｜錳｜鈷)總含量之比范圍大約在0.22～0.49之間。熱加工所述的合金從起始溫度約850℃到980℃使合金到所需的尺寸，冷加工所述的合金從約10%～90%;以及在溫度大約400℃～800℃，將所述合金退火一有效的周期，以軟化所述的合金，時(shí)間約6小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7所述的方法，其特征在于所述合金進(jìn)一步冷加工從大約10%～90%，然后在溫度約350℃～550℃退火。
9.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7所述的方法，其特征在于所述合金進(jìn)一步冷加工從大約20%～80%，以提供所需的平整。
10.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7、8或9所述的方法，其特征在于所述的鐵含量從至少約為0.35%～1.6%。
11.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7、8或9所述的方法，其特征在于錫以有效量存在多達(dá)約0.4%，以提高合金的強(qiáng)度，但須磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比從大約0.22～0.48。
12.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7、8或9所述的方法，其特征在于錫以0.05%的量存在，但須磷與磷化構(gòu)成物總含量之比范圍在大約0.27～0.39之間。
13.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7所述的方法，所提供的改善了強(qiáng)度的合金，其特征在于所述的退火工序包含退火為部分結(jié)晶，所述的退火約在425℃～500℃進(jìn)行，這樣就提供了所述合金約10%～80%的重結(jié)晶。
14.根據(jù)權(quán)項(xiàng)13所述的方法，其特征在于所述合金進(jìn)一步冷加工從約10%～90%，然后退火，以提供所述合金從約10%～80%的部分重結(jié)晶所述合金的重結(jié)晶，溫度為約375℃～475℃。
15.根據(jù)權(quán)項(xiàng)9所述的方法，其特征在于還包括把所述合金變成半導(dǎo)體引線結(jié)構(gòu)的工序。
專利摘要
一種改進(jìn)了的兼具導(dǎo)電性和強(qiáng)度的銅基合金，用于引線結(jié)構(gòu)或電連接件等。合金基本上含有約0.3％～1.6％重量的鐵，而多達(dá)一半的鐵含量由錫、錳、鉑、及其混合物所置換；含有大約0.01％～0.20％重量的鎂；大約0.10％～0.40％重量的磷；多達(dá)0.5％重量的錫或銻及其混合物；和剩余銅。磷與鎂之比和磷與磷化物構(gòu)成物總含量之比維持臨界限度內(nèi)。
文檔編號(hào)C22F1/08GK85106789SQ85106789
公開日1986年12月10日 申請(qǐng)日期1985年9月7日
發(fā)明者戴維·B·克諾爾, 約翰·F·布里迪斯 申請(qǐng)人:奧林公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan