一种高强高导铜镍硅合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种高强高导铜镍硅合金材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着现代化科学技术的发展，电子信息产品处于高速发展阶段，它们正超着小型化、薄型化、轻量化和智能化方向发展。对引线框架铜合金材料的需求量日益增加，同时，对引线框架铜合金材料的性能提出了更加苛刻的要求。理想的引线框架铜合金材料不仅需要具有较好的机械力学强度，还需要优异的导电导热性能和耐高温性能。

目前，全球开发出来的引线框架铜合金材料种类较多，主要系列为Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系。具有中等强度的Cu-Fe-P系合金具有良好的电导率，但其抗拉强度和抗高温软化温度等综合性能指标还远远不能满足极大规模集成电路高负荷长期稳定工作的要求。Cu-Cr-Zr系合金具有高强度、高导电性和良好的耐热稳定性，但Zr元素十分容易氧化，且该类合金在带材制备时淬火敏感性强，因此其生产工艺复杂、制备成本高，在市场上并未得到广泛的应用。Cu-Ni-Si系合金是一种析出强化型合金，时效后合金具有高强度和中电导率。因其不含Co、Be等有毒元素，且成本较低，而被广泛应用；然而，现有的Cu-Ni-Si系合金或多或少存在韧性不足、导热导电性能及抗高温性能不是特别理想的缺陷。

为了解决上述问题，中国专利文献CN 111074092 A公开了一种高强高导铜镍硅合金材料及其制备方法，其中高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，包括：步骤S1：将铜粉、镍粉、硅粉在以紫铜为球磨罐内衬和球磨介质的球磨罐中球磨成纳米粉体，其中，镍粉的含量大于0小于等于1wt.％，硅粉的含量大于0小于等于1wt.％，其余为铜粉；步骤S2：将所述纳米粉体压制成型，得到坯体；步骤S3：将所述坯体在460～540℃条件下进行烧结，得到铜镍硅合金材料。该发明铜镍硅合金的制备过程工艺简单，无熔炼过程，达到节能环保的效果，获得铜镍硅合金材料无铁杂质、无磁性并且具有高强度和高电导率。然而，其耐高温性能有待进一步改善。

因此，开发一种具有良好的机械力学性能和导电性能，优异的耐高温性能和耐腐蚀性能的高强高导铜镍硅合金材料。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种具有良好的机械力学性能和导电性能，优异的耐高温性能和耐腐蚀性能的高强高导铜镍硅合金材料；同时，本发明还提供了一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高强高导铜镍硅合金材料，其特征在于，该合金材料是由如下按重量百分比计的成分制成：Ni 2.7-3.8％，Si 0.8-1.3％，Fe＜0.01％，Zn＜0.02％，Pb＜0.015％，Mn 0.1-0.4％，Ga 0.01-0.05％，Al 0.01-0.03％，Ba 0.003-0.006％，Sn＜0.1％，稀土元素0.005-0.01％，Cu为余量。

本发明的另一个目的，在于提供一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将各成分按重量百分比混合，在惰性气体保护下加入到真空电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，得到合金熔体；

步骤S2、将经过步骤S1制成的合金熔体依次进行热轧、冷轧处理；

步骤S3、退火处理。

具体实施方式

下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。

一种高强高导铜镍硅合金材料，其特征在于，该合金材料是由如下按重量百分比计的成分制成：Ni 2.7-3.8％，Si 0.8-1.3％，Fe＜0.01％，Zn＜0.02％，Pb＜0.015％，Mn0.1-0.4％，Ga 0.01-0.05％，Al 0.01-0.03％，Ba 0.003-0.006％，Sn＜0.1％，稀土元素0.005-0.01％，Cu为余量。

优选的，所述稀土元素为La、Pr、Ce的质量比为(3-5):(1-3):(0.5-1.5)。

本发明的另一个目的，在于提供一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将各成分按重量百分比混合，在惰性气体保护下加入到真空电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，得到合金熔体；

步骤S2、将经过步骤S1制成的合金熔体依次进行热轧、冷轧处理；

步骤S3、退火处理。

优选的，步骤S1中所述熔炼温度为1535～1560℃。

优选的，步骤S2中所述热轧温度为920～1030℃，保温时间为3-5h，终轧温度为760～820℃。

优选的，步骤S2中所述冷轧处理收缩率为70-80％。

优选的，步骤S3中所述退火工艺具体为：一次罩式炉退火(升温速率130℃/h，480℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定280℃，出炉温度≤70℃)→二次罩式炉退火(升温速率130℃/h，460℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定200℃，出炉温度≤60℃)→三次气垫炉退火(700℃，55m/min)→四次气垫炉退火(700℃，65m/min)。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供的一种高强高导铜镍硅合金材料，通过原料成分和配比的合理选取，使得制成的材料具有良好的机械力学性能和导电性能，优异的耐高温性能和耐腐蚀性能。通过退火工艺的优化设置，使得制成的材料机械力学性能和硬度显著提高，各成分和工艺协同作用，使得制成的材料综合性能和性能稳定性佳，制备工艺简单，制备效率高，适合连续规模化生产。

下面将结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1

实施例1提供一种高强高导铜镍硅合金材料，其特征在于，该合金材料是由如下按重量百分比计的成分制成：Ni 2.7％，Si 0.8％，Fe＜0.01％，Zn＜0.02％，Pb＜0.015％，Mn0.1％，Ga 0.01％，Al 0.01％，Ba 0.003％，Sn＜0.1％，稀土元素0.005％，Cu为余量。

所述稀土元素为La、Pr、Ce的质量比为3:1:0.5。

一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将各成分按重量百分比混合，在惰性气体保护下加入到真空电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，得到合金熔体；

步骤S2、将经过步骤S1制成的合金熔体依次进行热轧、冷轧处理；

步骤S3、退火处理。

步骤S1中所述熔炼温度为1535℃；步骤S2中所述热轧温度为920℃，保温时间为3h，终轧温度为760℃；步骤S2中所述冷轧处理收缩率为70％。

步骤S3中所述退火工艺具体为：一次罩式炉退火(升温速率130℃/h，480℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定280℃，出炉温度≤70℃)→二次罩式炉退火(升温速率130℃/h，460℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定200℃，出炉温度≤60℃)→三次气垫炉退火(700℃，55m/min)→四次气垫炉退火(700℃，65m/min)。

实施例2

实施例2提供一种高强高导铜镍硅合金材料，其特征在于，该合金材料是由如下按重量百分比计的成分制成：Ni 3.0％，Si 1％，Fe＜0.01％，Zn＜0.02％，Pb＜0.015％，Mn0.2％，Ga 0.02％，Al 0.015％，Ba 0.004％，Sn＜0.1％，稀土元素0.007％，Cu为余量。

所述稀土元素为La、Pr、Ce的质量比为3.5:1.5:0.7。

一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将各成分按重量百分比混合，在惰性气体保护下加入到真空电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，得到合金熔体；

步骤S2、将经过步骤S1制成的合金熔体依次进行热轧、冷轧处理；

步骤S3、退火处理。

步骤S1中所述熔炼温度为1545℃；步骤S2中所述热轧温度为960℃，保温时间为3.5h，终轧温度为780℃；步骤S2中所述冷轧处理收缩率为73％。

步骤S3中所述退火工艺具体为：一次罩式炉退火(升温速率130℃/h，480℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定280℃，出炉温度≤70℃)→二次罩式炉退火(升温速率130℃/h，460℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定200℃，出炉温度≤60℃)→三次气垫炉退火(700℃，55m/min)→四次气垫炉退火(700℃，65m/min)。

实施例3

实施例2提供一种高强高导铜镍硅合金材料，其特征在于，该合金材料是由如下按重量百分比计的成分制成：Ni 3.3％，Si 1.1％，Fe＜0.01％，Zn＜0.02％，Pb＜0.015％，Mn0.25％，Ga 0.035％，Al 0.02％，Ba 0.0045％，Sn＜0.1％，稀土元素0.008％，Cu为余量。

所述稀土元素为La、Pr、Ce的质量比为4:2:1。

一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将各成分按重量百分比混合，在惰性气体保护下加入到真空电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，得到合金熔体；

步骤S2、将经过步骤S1制成的合金熔体依次进行热轧、冷轧处理；

步骤S3、退火处理。

步骤S1中所述熔炼温度为1550℃；步骤S2中所述热轧温度为990℃，保温时间为4h，终轧温度为795℃；步骤S2中所述冷轧处理收缩率为75％；步骤S3中所述退火工艺具体为：一次罩式炉退火(升温速率130℃/h，480℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定280℃，出炉温度≤70℃)→二次罩式炉退火(升温速率130℃/h，460℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定200℃，出炉温度≤60℃)→三次气垫炉退火(700℃，55m/min)→四次气垫炉退火(700℃，65m/min)。

实施例4

实施例2提供一种高强高导铜镍硅合金材料，其特征在于，该合金材料是由如下按重量百分比计的成分制成：Ni 3.6％，Si 1.2％，Fe＜0.01％，Zn＜0.02％，Pb＜0.015％，Mn0.35％，Ga 0.04％，Al 0.025％，Ba 0.0055％，Sn＜0.1％，稀土元素0.009％，Cu为余量。

所述稀土元素为La、Pr、Ce的质量比为4.5:2.5:1.3。

一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将各成分按重量百分比混合，在惰性气体保护下加入到真空电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，得到合金熔体；

步骤S2、将经过步骤S1制成的合金熔体依次进行热轧、冷轧处理；

步骤S3、退火处理。

步骤S1中所述熔炼温度为1555℃；步骤S2中所述热轧温度为1020℃，保温时间为4.5h，终轧温度为810℃；步骤S2中所述冷轧处理收缩率为78％；步骤S3中所述退火工艺具体为：一次罩式炉退火(升温速率130℃/h，480℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定280℃，出炉温度≤70℃)→二次罩式炉退火(升温速率130℃/h，460℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定200℃，出炉温度≤60℃)→三次气垫炉退火(700℃，55m/min)→四次气垫炉退火(700℃，65m/min)。

实施例5

实施例2提供一种高强高导铜镍硅合金材料，其特征在于，该合金材料是由如下按重量百分比计的成分制成：Ni 3.8％，Si 1.3％，Fe＜0.01％，Zn＜0.02％，Pb＜0.015％，Mn0.4％，Ga 0.05％，Al 0.03％，Ba 0.006％，Sn＜0.1％，稀土元素0.01％，Cu为余量。

所述稀土元素为La、Pr、Ce的质量比为5:3:1.5。

一种所述高强高导铜镍硅合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将各成分按重量百分比混合，在惰性气体保护下加入到真空电弧熔炼炉中进行电弧熔炼，得到合金熔体；

步骤S2、将经过步骤S1制成的合金熔体依次进行热轧、冷轧处理；

步骤S3、退火处理。

步骤S1中所述熔炼温度为1560℃；步骤S2中所述热轧温度为1030℃，保温时间为5h，终轧温度为820℃；步骤S2中所述冷轧处理收缩率为80％；步骤S3中所述退火工艺具体为：一次罩式炉退火(升温速率130℃/h，480℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定280℃，出炉温度≤70℃)→二次罩式炉退火(升温速率130℃/h，460℃，保温5h；风冷转水冷温度点设定200℃，出炉温度≤60℃)→三次气垫炉退火(700℃，55m/min)→四次气垫炉退火(700℃，65m/min)。

对比例1-9

对比例1-9各例的配方和制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，各组分的含量比不同，它们的含量配比如表1所示。

表1

将实施例1-5及对比例1-9各例中涉及到的产品进行性能测试，测试结果见表2，测试方法为本领域的常规方法或参见我国现行相应国标。

从表2中数据可以看出，本申请实施例中涉及的产品取得了较对比例明显优异的性能，这是各成分协同作用的结果，任一个组分的改变均会导致产品性能的下降。

表2

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据依据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。