一种稀土合金化高性能铜镍硅合金材料及其制备方法

1.本发明属于合金技术领域，主要涉及一种稀土合金化高性能铜镍硅合金材料及其制备方法。其适用于大规模及超大规模集成电路所用引线框架材料，各种电路系统所用接触线、接插件和触点弹簧等。


背景技术：

2.随着智能时代的开启，高端制造业和电子工业得到了迅速发展，其中最核心的部件就是芯片。而引线框架材料是芯片制造领域不可或缺的一环。目前，各国已开发出的高性能铜基合金材料主要有cunisi系、cufep系、cucr系、cucrzr系等，21世纪被研发出来的cu-ni-si合金具有高强度、高电导率、高导热性等优良的综合性能，更加符合电子行业未来小型化、高度集成化的发展方向，世界上多个国家都在加快基于cunisi系合金的研发与性能研究。
3.国内外专利文献涉及到的高性能铜基合金材料，多是有关控制添加的ni、si原子比或添加其他组元或通过调整工艺来提高相应的某项性能。如：
4.公开号为cn113308622a的中国专利文献，铜合金含有2.7～3.8wt％的ni，0.8～1.3wt％的si，＜0.01wt％的fe，＜0.02wt％的zn，＜0.015wt％的pb，0.1～0.4wt％的mn，0.01～0.05wt％的ga，0.01～0.03wt％的al，0.003～0.006wt％的ba，＜0.1wt％的sn，0.005～0.01wt％的稀土元素，余量为cu；此类合金的特点是加入了混合稀土，但合金的综合性能较差，电导率达到55～63％iacs，硬度仅为165～178hv。
5.公开号为cn103205600a的中国专利文献，铜合金含有3.52～4.04wt％的ni，0.93～1.18wt％的si，0.19～0.43wt％的fe，其电导率为13～36％iacs，硬度为240～285hv；铜合金含有3.51～4.04wt％的ni，0.93～1.18wt％的si，0.32～0.73wt％的mo，其电导率为13～35％iacs，硬度为212～244hv；此类合金的的特点是通过添加mo元素提高合金的硬度但恶化了导电性能。
6.公开号为cn107419132a的中国专利文献，铜合金含有2.3～3.2wt％的ni，0.3～0.6wt％的si，0.01～0.015wt％的p，0.1～0.25wt％的sr，0.05～0.15wt％的y，0.12～0.14wt％的ag，余量为cu；此类合金的综合性能较差，其电导率为61～68％iacs，但硬度仅为160～180hv。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种稀土合金化高性能铜镍硅合金材料及其制备方法，通过添加稀土元素使基体更加纯净，进一步提高合金的性能调控性，满足引线框架材料等对于铜合金材料性能的要求。
8.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
9.一种稀土合金化高性能铜镍硅合金材料，按重量百分比计，该铜镍硅合金材料含有：1.0～3.5wt％镍，0.2～1.0wt％硅，0.02～0.15wt％镁，0.01～0.1wt％锌，0～0.65wt％
镧，其余为铜。
10.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料，优选的，按重量百分比计，该铜镍硅合金材料含有：2.0～3.5wt％镍，0.4～0.6wt％硅，0.07～0.12wt％镁，0.03～0.08wt％锌，0.2～0.5wt％镧，其余为铜。
11.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料，ni、si元素的重量比控制在3.5～5.5之间。
12.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，包括如下步骤：
13.(1)将原料在1200～1400℃进行保护气氛下的熔炼，熔融后注入铸模中；
14.(2)合金的热锻：热锻温度为700～950℃，保温1～3小时，锻造比1～3；
15.(3)合金的热轧变形：热轧温度700～900℃，轧制变形量60～80％；
16.(4)合金的固溶处理：固溶温度为780～980℃，总保温时间0～24h，然后进行水淬；
17.(5)合金的冷轧变形：冷轧变形量50～95％；
18.(6)合金的时效工艺：时效温度为400～500℃，保温时间0～24h。
19.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，步骤(1)中，保护气氛为氮气或氩气。
20.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，优选的，步骤(2)中的锻造比为1.5～2.5。
21.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，步骤(3)中，每道次轧制变形量不超过10％。
22.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，优选的，步骤(4)中，固溶过程温度为790～920℃，温度误差不超过
±5°
。
23.所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，步骤(5)中，每道次轧制相较于上一道次的变形量不大于20％。
24.本发明的设计思想是：
25.本发明提出的铜镍硅合金材料属于一种新型的高强中导的高性能铜合金材料，其综合性能优秀、合金组织均匀、析出相细小。该合金系时效强化系合金，析出的第二相有ni2si以及lanisi化合物等，析出相的尺寸大致为30～300nm。考虑采用适当的ni、si元素比以保证合金在时效后基体较为纯净，从而获得相对较高的导电性能，因此ni、si元素的重量比控制在3.5～5.5之间。另外，考虑微量的la对铜基体具有净化作用，la元素的熔点较高，在铜基体中的固溶度很低。未固溶进基体的la元素会形成第二相，并且会影响时效处理过程中ni、si原子的析出，进而影响材料的强度和导电。
26.本发明的优点及有益效果是：
27.1、本发明所述的铜镍硅合金材料是在传统的cunisi合金的基础上设计的，其重要特征之一在于加入稀土元素la，从而延长材料的峰时效时间、提高导电率、更好的调控材料的性能。此材料具有高强度、高电导率等优良的综合性能，能很好的满足引线框架材料对铜合金材料性能的要求。
28.2、本发明所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料在上述制备工艺下所得成品的硬度达到190～240hv、电导率达到35～55％iacs，能较好地满足引线框架材料等电子工业及其他领域所用材料对高性能铜合金的综合性能要求。
具体实施方式
29.在具体实施过程中，按重量百分比计，本发明稀土合金化高性能铜镍硅合金材料含有：1.0～3.5wt％ni，0.2～1.0wt％si，0.02～0.15wt％mg，0.01～0.1wt％zn，0～0.65wt％la，其余为铜。其制备方法包括熔炼、热锻、固溶、冷轧以及随后的时效，其中：固溶温度780～980℃，保温时间0～24h；时效温度400～500℃，保温时间0～24h。同时，根据综合性能需要对合金进行多道次的冷轧。
30.下面，结合实施例对本发明进一步详细阐述。
31.实施例1
32.按重量百分比计，本实施例的铜镍硅合金材料含有：2.48％ni、0.51％si、0.11％mg、0.048％zn、0.044％la，其余为铜。
33.本实施例铜镍硅合金材料的制备方法是：按照上面重量百分比称取原料后，将电解铜板、电解镍板、工业硅装入坩埚，mg、zn、la吊起，用铜箔将mg和zn包裹防止其在高温下被氧化，将坩埚内抽真空至10pa左右开始加热，加热至1300℃左右，坩埚内原料完全熔化后精炼20分钟，温度约为1200℃，精炼结束后充入0.08mpa氩气，依次加入mg、zn、la合金料全部熔化后，搅拌1分钟，之后调温浇铸，浇铸温度大致1300℃，冷却至室温获得铸锭；热锻前将铸锭在950℃温度下保温2h，终锻温度≥700℃，锻造比为2.1，得到热锻物料，其厚度为30mm；对热锻物料进行热轧，轧制初始温度为890℃，经5道次轧制到约6mm厚，终轧温度≥700℃；在箱式电阻炉里对热轧物料进行固溶处理，其温度为800℃，保温1h，然后水淬至室温，得到冷物料；对该冷物料进行铣面处理，之后进行冷轧处理，变形量为83.3％，经六道次冷轧至厚度为0.3mm，随后对得到的物料表面进行打磨；对得到的物料封管抽真空后填充氮气进行时效处理，时效温度为450℃，保温4h，之后进行水冷至室温。经过上述处理得到的铜镍硅合金材料，其硬度可以达到235hv、抗拉强度达到670.5mpa、电导率达到39％iacs。
34.实施例2
35.按重量百分比计，本实施例的铜镍硅合金材料含有：2.42％ni、0.48％si、0.093％mg、0.071％zn、0.22％la，其余为铜。
36.本实施例铜镍硅合金材料的制备方法是：按照上面重量百分比称取原料后，将电解铜板、电解镍板、工业硅装入坩埚，mg、zn、la吊起，用铜箔将mg和zn包裹防止其在高温下被氧化，将坩埚内抽真空至10pa左右开始加热，加热至1300℃左右，坩埚内原料完全熔化后精炼20分钟，温度约为1200℃，精炼结束后充入0.08mpa氩气，依次加入mg、zn、la合金料全部熔化后，搅拌1分钟，之后调温浇铸，浇铸温度大致1300℃，冷却至室温获得铸锭；热锻前将铸锭在950℃温度下保温2h，终锻温度≥700℃，锻造比为2.1，得到热锻物料，其厚度为30mm；对热锻物料进行热轧，轧制初始温度为890℃，经5道次轧制到约6mm厚，终轧温度≥700℃；在箱式电阻炉里对热轧物料进行固溶处理，其温度为800℃，保温1h，然后水淬至室温，得到冷物料；对该冷物料进行铣面处理，之后进行冷轧处理，变形量为80％，经六道次冷轧至厚度为0.3mm，随后对得到的物料表面进行打磨；对得到的物料封管抽真空后填充氮气进行时效处理，时效温度为450℃，保温4h，之后进行水冷至室温。经过上述处理得到的铜镍硅合金材料，其硬度可以达到220hv、电导率达到45％iacs。
37.从固溶态不同升温速率的dsc曲线可以看出随着升温速率的提升，ni2si相的吸热峰逐渐向高温迁移。即含la相影响ni2si相的析出行为，从而改变了合金的导电和强度性
能。
38.实施例3
39.按重量百分比计，本实施例的铜镍硅合金材料含有：2.5％ni、0.47％si、0.1％mg、0.063％zn、0.45％la，其余为铜。
40.本实施例铜镍硅合金材料的制备方法是：按照上面重量百分比称取原料后，将电解铜板、电解镍板、工业硅装入坩埚，mg、zn、la吊起，用铜箔将mg和zn包裹防止其在高温下被氧化，将坩埚内抽真空至10pa左右开始加热，加热至1300℃左右，坩埚内原料完全熔化后精炼20分钟，温度约为1200℃，精炼结束后充入0.08mpa氩气，依次加入mg、zn、la合金料全部熔化后，搅拌1分钟，之后调温浇铸，浇铸温度大致1300℃，冷却至室温获得铸锭；热锻前将铸锭在950℃温度下保温2h，终锻温度≥700℃，锻造比为2.1，得到热锻物料，其厚度为30mm；对热锻物料进行热轧，轧制初始温度为890℃，经5道次轧制到约6mm厚，终轧温度≥700℃；在箱式电阻炉里对热轧物料进行固溶处理，其温度为800℃，保温1h，然后水淬至室温，得到冷物料；对该冷物料进行铣面处理，之后进行冷轧处理，变形量为80％，经六道次冷轧至厚度为0.3mm，随后对得到的物料表面进行打磨；对得到的物料封管抽真空后填充氮气进行时效处理，时效温度为450℃，保温4h，之后进行水冷至室温。经过上述处理得到的铜镍硅合金材料，其硬度可以达到200hv、抗拉强度达到598mpa、电导率达到44％iacs。
41.实施例1～3将一定配比的cu、ni、si、mg、zn、la按照表1的比例熔铸出合格铸锭，在700～890℃进行热锻，而后进行固溶处理、冷轧变形以及时效处理等工艺，从而得到综合性能优异的铜合金材料，其综合性能见表1。
42.表1 cu-ni-si-mg-zn-la合金综合性能
[0043][0044]
从测试数据可以看出，本发明通过合金元素的合理调配及工艺步骤的改进和工艺参数的调节，使得引线框用铜合金材料具有良好的力学性能和导电性能。上述铜合金性能优于目前市面上常见的r620状态的c7025铜合金，常见的r620状态的c7025铜合金的电导率≥40％iacs、硬度180～220hv。
[0045]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种稀土合金化高性能铜镍硅合金材料，其特征是，按重量百分比计，该铜镍硅合金材料含有：1.0～3.5wt％镍，0.2～1.0wt％硅，0.02～0.15wt％镁，0.01～0.1wt％锌，0～0.65wt％镧，其余为铜。2.根据权利要求1所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料，其特征是，优选的，按重量百分比计，该铜镍硅合金材料含有：2.0～3.5wt％镍，0.4～0.6wt％硅，0.07～0.12wt％镁，0.03～0.08wt％锌，0.2～0.5wt％镧，其余为铜。3.根据权利要求1或2所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料，其特征是，ni、si元素的重量比控制在3.5～5.5之间。4.一种权利要求1至3之一所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：(1)将原料在1200～1400℃进行保护气氛下的熔炼，熔融后注入铸模中；(2)合金的热锻：热锻温度为700～950℃，保温1～3小时，锻造比1～3；(3)合金的热轧变形：热轧温度700～900℃，轧制变形量60～80％；(4)合金的固溶处理：固溶温度为780～980℃，总保温时间0～24h，然后进行水淬；(5)合金的冷轧变形：冷轧变形量50～95％；(6)合金的时效工艺：时效温度为400～500℃，保温时间0～24h。5.按照权利要求4所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，其特征是，步骤(1)中，保护气氛为氮气或氩气。6.按照权利要求4所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，其特征是，优选的，步骤(2)中的锻造比为1.5～2.5。7.按照权利要求4所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，其特征是，步骤(3)中，每道次轧制变形量不超过10％。8.按照权利要求4所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，其特征是，优选的，步骤(4)中，固溶过程温度为790～920℃，温度误差不超过
±5°
。9.按照权利要求4所述的稀土合金化高性能铜镍硅合金材料的制备方法，其特征是，步骤(5)中，每道次轧制相较于上一道次的变形量不大于20％。

技术总结
本发明属于合金技术领域，主要涉及一种稀土合金化高性能铜镍硅合金材料及其制备方法。按重量百分比计，该铜镍硅合金材料含有：1.0～3.5wt％Ni，0.2～1.0wt％Si，0.02～0.15wt％Mg，0.01～0.1wt％Zn，0～0.65wt％La，其余为铜。其制备方法包括熔炼、热锻、固溶、冷轧以及随后的时效，其中：固溶温度780～980℃，保温时间0～24h；时效温度400～500℃，保温时间0～24h。同时，根据综合性能需要对合金进行多道次的冷轧。本发明所得的成品硬度达到190～240Hv、抗拉强度达到580～680MPa、电导率达到35～55％IACS，能较好的满足电子工业及其他领域对高性能铜合金的综合性能要求。域对高性能铜合金的综合性能要求。


技术研发人员：张士宏 宋鸿武 张孟枭 王铭飞 王松伟 陈帅峰
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/23