TW524863B - Copper alloy and process for making same - Google Patents
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Description
524863 五、發明說明（】） 發明之 本發明係關於在電子庫 製造，之合金之方；用上具利用性之銅為主之合金和 -~^ULM^Mjg 電子元件，包括連接哭，為椹& f指，腦而言。任何連接器設以：科技之基礎，特別 ;以：低的成本獲得最佳的性 慮因素之— =熱性、高降伏和張力；度:Π;::具有高導電 性材料。 且具有成本效益之替代 銅口金由於具有優異的财腐蝕性、 且具有报杯沾± ? ^電和導熱性，並 其它S 和财磨性，因此常被使用於連接器和 加 或V…、的應用上。銅合金亦具有很好的冷或熱一 加工性和可切削性。 7人…、 銅和其它金屬之合金，主要目的為增加該合金之張力強 又。然而丨導電和導熱性、耐腐蝕性、可模鍛性和合金顏 色都非常受銅和其它成份製成之合金的影響。例如，當合 金之成份達到一定的濃度或當存在低濃度之脫氧成份，該 銅合金之導電和導熱性會降低。 將鈹（bery 1 1 i um)加入銅會造成顯著的時效硬化反應， 而使這些少數非鐵材料之一的銅合金達到2〇〇 ksi張力強 度。然而，鈹銅合金的價格非常昂貴、模鍛能力有限，並 且製成之後通常需要額外熱處理，因此更增加其成本。
\\326\2d-\90-07\90110917.ptd 第4頁 524863 五、發明說明（2) 填青銅合金具有高強度、優異的模鍛性質、並且廣泛使 用在電子及通訊產業。然而，添加高含量的錫會增加這些 合金的成本。
含有少量錫和鋅的鋼合金可增加許多不同的性質。一種 市售稱為C42500之錫黃銅合金（說明於ASM手冊内），其銅 之組成份為87°/。〜90%，錫之成份為丨.5%〜3· 〇%，最高含鐵量 為0.05%，而最咼含碟量為〇·35%，並以鋅使其取得金屬平 衡。ASM手冊規定此特定C4250 0銅合金之標稱導電性為28% 國際退火銅標準（IACS)。此為和其它金屬比較銅合金之導 電性的傳統方法，將具有最高導電性之"純"銅在2〇 〇c之導 電值指定為100% IACS °C42500視其回火程度，亦有介於 45 ksi和92 ksi之間的降伏強度。此合金使用於許多電子 應用，例如電開關彈簣、接頭、連接器，以及熔絲夾。然 而’在電子的應用上其低於預期之降伏強度（即，約2 2 k s i 減少 4 0 % )。 美國專利號碼5, 853, 505中Brauer等人（"Brauer，5〇5號 專利"）描述一種在溫度約400 t和60{) t之間退火兩次之錫 黃銅合金，其顆粒大小為0.002 mm，並且以重量計含有1% 至4%之錫、0.8%至4.0%之鐵〇.4%以上之磷，以及以銅做為 金屬平衡。 根據Brauer ’505號專利所述，當錫含量低於丨⑽，此 銅合金用彈簧壓緊時其應力鬆弛缺乏適當的強度和阻力。 Brauer ’505號專利亦指出，合金加入鋅之目的是希望稍 微增加其強度’而其導電性則有一些減低的現象。
524863 五、發明說明（3)
Br auer 5 Ο 5號專利中之實施例2為含有以重量計丨〇 4% 鋅、1· 8%鐵、0· 04%磷、介於1· 8%和4· 0%之間的錫，並以 銅平衡金屬之銅合金。含有Brauer，5 0 5號專利中實施例2 組成份之錫黃銅合金的一具體例為〇 1 i n公司的市售C 6 6 3產 品。0 1 i η公司市售之C 6 6 3合金之組成份含有以重量計從1 · 4%至2.4%鐵、從1·5%至3.0%之錫、從84.5%至87.5%之銅、 0 · 3 5 %以上之>ε粦，並以鋅平衡金屬。
Olin公司指出，視回火程度，C663之彈簧韌度具有1〇〇 k s i降伏強度和介於9 5 k s i和11 0 k s i之間的張力強度，特 別彈簧韌度具有104 ksi降伏強度和介於100 ksi和114 ksi之間的張力強度，以及超級彈簧韌度具有1〇5 ksi (最 低）降伏強度和105 ksi (最低）的張力強度。〇iin公司亦指 出此合金當退火時其導電性為25% I ACS。然而，此合金由 於含銅置過南而導致成本太高，故仍不被接受。 現存之銅合金需要一種具有高成本效益，但是仍保留其 高導電性、高張力強度以及高降伏強度之替代性產品。 發明之概沭 ’ 銅合金可以比先前之銅合金技術具有更高的張力和降伏 強度，以及更高的導電性，並且能減少合金内之銅含量以 及簡化其製造過程。更特別的是，此銅合金當退火之後具 有大於110 ksi小於130 ksi之張力強度，大於100 ksi小 於120 ksi之降伏強度，以及大於25%小於35% IACS之導電 性。 從此方面來看，本發明之銅合金之組成份基本上含有以
\\326\2d-\90-07\90110917.ptd 第6頁 524863 五、發明說明（4) . 重量計1 3%至15%之鋅、〇· 7%至〇· 9%之錫、〇· 7%至〇· 9%之 . 鐵，並以銅平衡金屬。 ‘ 從另一方面來看，本發明之銅合金的製造過程只應用溫 度介於4 0 0 °C和6 0 0。(：之間的一階段退火過程。此過程包含 二 下列之步驟： · 鑄造基本上含有以重量計13%至15%鋅、〇· 7%至〇· 9%錫、· 0.7%至0.9%之鐵，並以銅平衡金屬之銅合金； 在溫度8 0 0 C和9 5 0 C之間熱軋此鑄造之銅合金使原來銅 合金之厚度減至80%至95%之厚度； 將此熱軋後之銅合金在溫度450。(：至575 °C之下退火約3 至8小時； 將此退火後之銅合金再次熱軋使其厚度減至原來銅合金 之70% ;及 將此再次熱軋後之銅合金在溫度2 〇 〇 °c至2 8 0 °C之下消除 殘餘應力退火（relief annealed)約3至8小時。 在一替代的具體例中，其銅合金之製造過程不經過熱軋 的步驟。此過程包括：
垂直向上鑄造基本上以重量計含有13%至〗5%之鋅、〇· 7% 至0.9%之錫、0.7%至0.9%之鐵，並以銅平衡金屬之銅合 金； 滾壓此垂直向上鑄造之銅合金，使其厚度減至原來銅合 金之厚度至少約60% ; 將此滾壓過之銅合金在溫度450 °C至575 °C之下退火約3 至8小時；
\\326\2d-\90-07\90110917.ptd 第7頁 524863 五、發明說明（5) 將此退火銅合金冷卻滾壓使其厚度減少至70% ;並且其 後， 將此冷卻滾壓之銅合金在溫度2〇〇 °c至280 °C之下消除殘 餘應力退火約3至8小時。 發明之詳細說明 本發明之銅基合金基本上包含以重量計丨3%至丨5%之鋅、 0· 7%至0· 9%之錫、〇· 7%至〇· 9%之鐵，其餘成份為銅以及其 它不可避免之無效雜質成份。 本發明之銅合金可能包含其它金屬，例如銀、鎳、磷、 鋁、矽、鉻、銦、銻、鈦、碲、硫、鋰、鎂、錳、鍅或 鈹。上述金屬之總含量可能低於〇 · 1 %，每一種金屬約略多 於0.001%。使用上述一種以上之金屬可以改善銅合金之機 械性能，例如應力鬆弛性能；然而，當銅合金含有上述金 屬時，可能會影響銅合金之導電性、張力和成形性能。 本發明之銅合金内之每一種合金元素（即，錫、鐵和 鋅），當和銅混合後均對銅合金之性能有特殊的影響。 ，含量在0.7%和〇·9%之間時，會增加本發明之銅曰合金的 ^八^^ 加其之應力鬆弛阻力。錫在無氧 =。’亦曰加強銅為主之合金的耐腐蝕性。然而，錫 ^ ^ , 為例）對導電性有負面影響，並且使 合金更不易加工處理，特別是在熱處理時。 ，5〇t = :i金的含錫範圍為〇.7%至〇.9%，其和Bra· 合金的含錫範圍不同。如前所述， 唬專利申稱當錫含量低於1.5%時，此銅合金
524863 五、發明說明（6) 用彈簧壓緊時其應力鬆他缺乏適當的強度和阻力。然而’ 如將於下述詳細之說明，本發明之銅合金發現有很高的張 力和降伏強度，並且有很高的導電性。產生這些有益之特 性是因為錫、鐵和鋅之間達到適當的平衡之故。 0.7%至0.9%的鐵含量可改善鑄態銅合金之微觀結構，並 增加其強度。‘线亦扮演晶粒長大抑制劑的角色，而因此可 促進細晶粒的構造。然而，如Brauer，5〇5號專利中所揭 不，鐵之含量以重量計超過2. 2%時，因為會形成大的縱樑 而因此減低銅合金之導電性。
，本發明之銅合金的含鐵範圍為〇· 7%至〇·⑽，其和 50 5號專利中所述之合金的含鐵範圍不同。發現本發明之 低:錫里和低含鐵篁之銅合金，如在下文中所述，意外地 提南其導電性和強度。而且，含低量的鐵在製造此銅合金 之退火階段中，可使鐵粒子更容易分佈於銅合金内。 銅合金加入辞預期將可稍微增加其強度，並且減少其一 些導電性。鋅的特色是可以以一定的比例程度增加銅合金 之張力強度直至濃度約20%，同時，加入2〇%〜4〇%之鋅，其 張力強度則只有稍微地增加。
本發明之銅合金内之有效鋅含量為13%至15%，其大於 Brauer 50 5號專利中所揭示之8%至丨2%的最佳範圍。然 而’本發明之銅合金加入更多的鋅以及較少的錫和鐵，如 f於下述說明，意外地發現可比先前之銅合金技術得到較 高的強度和較高的導電性。 由於任何連接器之設計是以最低的成本獲得最佳的性能
524863 五、發明說明（7) t最=考慮因”一：本發明之鋼合金降低鋼的含 I、錫的添加量，並增加較不昂貴之鋅 7己 到減輕成本之目的。 ’可達 製造方法 鑄銅合金之機械性能決定於合金之 * 金之製造過程。在一具謝，本發明之鋼 1所示之流程圖製造。 ”、、根據圖 最初，本具體例之製程100包括鑄造11〇 一組成 量計13%至15%之鋅、〇.7%至〇.9%之錫、〇 7%至〇 9%2 =重 並以鋼平衡金屬之合金。在此具體例中，銅合金 =， 模型（p 1 1 〇 t s t r 1 p >内，藉例如連續鑄造，使之 。“狀 續鑄造包括持續澆灌熔融金屬進入水冷、潤滑鑄模之連 部。整_件形狀持續地從鑄模底部機械性抽^。要 Ϊ =屬並且鑄模未磨損則可-直維持此製程。A =例：’可以應用任何此方面習知之鑄造技#， 噴務、直接冷鑄及其類似方法。 m:合金在80。至95(rc下熱軋。此熱軋的 少約8〇%至95% ’並且以減少至9⑽最佳。 :θ ί盆鋼錠有實質性地延長。熱軋此銅合金之優 點疋使其晶粒細化 、士卜八、抹 gg * 设 芬八私十A t 減少分凝、閉合缺陷，例如孔隙度以 及刀政夾鍊物。熱軋可能是單程的或是多程的。 鱗：軋】此種：點是會在熱軋銅合金表面上形成氧化表面 面磨整13G以便^=熱/再將此熱軋後成品之表 文咏去此熱軋後存在之氧化表面層。 524863
的面之後，將該合金冷軋140，使其達到預定 =先製表面，例如冷軋至0 023英吋。由於變形硬化 兮軋後可增加低溫強度，並且可提供較接近之尺寸 及較佳之光製表面。 二 此冷軋之後留下 現象。此合金在 藉由退火1 50可達到晶粒細化的目的 之餘溫可使合金内之元素發生再結晶的 450至575 °C之下退火約3至8小時。 在退火中，加熱此冷軋材料使其軟化並改善其延 應瞭，本發明之銅合金祗需一階段的退火步驟。此由於其 含鐵量較低之故，目此不需要兩階段的退火步驟。本“月 ，含之鐵在只有一階段之退火步驟之後仍可平均分佈^銅 退火之後，合金之表面可以用酸洗和刷洗} 6〇的方式加 以清潔。然後，此合金再經第二次壓縮17〇，其特點是使 其壓縮至70%，並且以10%至7〇%之間最佳。壓縮的數 回火的程度。 ^ 然後將此合金在溫度200 t^28(rc之下消除殘餘應力退 火1約3至8小時。消除殘餘應力退火可以減少内應力並 且藉著加熱此銅合金至較高的溫度來改善其可模鍛性。 然後以已知拉伸彎曲平整（stretch Ben(i Leveling)之 方法’或其它熟知之技術將此銅合金片壓平，使其形成希 望之產品，例如，一電連接器。此銅合金具有各種優異的 性能，使其適合做為電連接器和其它電器上之應用。此合 金的優點之一便是在不減低其導電性之下能增加其降伏和 524863 五、發明說明（9) 張力強度。 在另一個具體例中，本發明之鋼合金為根據圖2說明之 流程圖來製造。在此具體例中，根據本發明之組成元素的 銅合金是以連續鑄造的方式產生，例如垂直向上鑄造21〇 此合金。垂直向上鑄造的方法是經由垂直的石墨喷嘴持續 向上抽吸供應之熔體之方法，喷嘴上段之熔體冷卻硬化至 其力量足夠承受向上拉起此硬化產品通過橫截面比此產品 稍大之冷卻器。有關此向上鑄造或連續方法和向上鑄造之 裝置的更進一步資料可以參考1 973年7月17 aLohik〇ski等
人出版之美國專利號碼3, 746, 077、1975年3月25日 Lohikoski出版之美國專利號碼3, 8 72, 91 3、1 995年1月17 日Koi vis to等人出版之美國專利號碼5, 381，853以及i 995 年4月11日Koivisto等人出版之美國專利號碼5, 4〇4, 932， 將其揭示於此以供參考。
在連讀鑄造之後，例如垂直向上鑄造，將此銅合金磨整 215然後將其冷軋220使其厚度壓縮至少約6〇〇/。；並且在450 至5 7 5 C之下退火2 3 0約3至8小時，之後便可進行酸洗和刷 洗2 3 5.，再一次冷軋240，特點是使其厚度壓縮至7〇%，並 且最後在20 0至280 °C之下使其消除殘餘應力退火250約3至 8小時。應用鑄造製程2 0 0，此銅合金並不需要經過熱軋， 由於不需要使用高溫加熱器並且冷軋比熱軋可產生較佳的 表面光潔度，因此可減少製造此合金之成本。 根據上述製造方法所製出之合金具備有應用於電連接器 和其它電器產品之適當性能。
\\326\2d-\90-07\90110917.ptd 第12頁 524863
相信本發明之銅合金，在約7〇%之壓縮下，能夠達到大 於110 ksi之張力強度，但是以大於112 ksi較佳，並且以 大於115 ksi更佳，其張力強度低於130 ksi，但是以低於 125 ksi較佳，並且以低於12〇 ksi更佳。 更相信本發明之銅合金，在約7 0 %之壓縮下，能夠達到 0.2%之降伏強度，會大於1〇〇 ksi，但是以大於105 ksi較 佳’並且以大於11〇 ksi更佳，其降伏強度亦低於120 ksi ’但是以低於π 8 ksi較佳，但是以低於11 5 ksi更 佳0 亦相信根據本發明之製程所 合金，當退火時，其導電性能 以大於27% IACS更佳，並且當 IACS，並且以低於33% IACS更 此外，相信根據本發明之製 之鋼合金，當滚壓回火後，其 IACS，並且以大於27% IACS更 導電性低於33% I ACS，並且以 根據本發明之銅合金由於和 較有較低的錫和鐵含量，因此 性。 形成並且具有前述組成之銅 夠達到大於25% IACS，並且 退火時，其導電性低於35% 佳。 程所形成並且具有前述組成 導電性能夠達到大於25°/〇 佳，並且當滾壓回火後，其 低於31%更佳。 先前技術所製造之銅合金比 相信可意外地改善其導電
、下述表1說明兩個銅合金樣本之平均機械性能，其含有 以，量計1 〇· 7%之鋅、〇· 8%之錫、1 · 8%之鐵，並以銅使其 取得金屬平衡，其製造方法為鑄造成12 mm，滾壓至1
524863 五、發明說明（π) mm(壓縮至92%)，並且在525 °C之下退火4小時至晶粒大小 為2〜3微米（micrometers)。此銅合金相當於實施例2中所 述Brauer，505號專利之銅合金，但是錫的含量較少。 表1 %壓縮 降伏強度 張力強度 伸長 0 54. 5 68. 9 24 15 80. 6 81 5 30 87. 2 88 4 50 95 97. 6 3 70 97· 5 103 3 圖3以圖示 說明卜诚矣1 當 只施例2中所述Brauer ’5〇5號專利之銅合金的錫含量低至 和實施例1相接近時，會導致實施例丨之銅合金的降伏強度 降低為約98 ksi，而張力強度則降低為約1〇3 ksi。其所 之2%降伏強度和張力強度是根據ASTM E8以拉力試 量 實施例2 旦斗賓州，Wi 1 low Grove之Tinius 〇lsen公司製造）來測 〇 T之、製程製造含有以重量計、〇·9%之錫、 明雨°個和i並且以銅取得金屬平衡之銅合金。下述表2說 180 mra ； f ^ 5 950/)=軋使其壓縮至91%，研磨並滾壓至0.6 mm(壓縮 ^。5/〇，並且在51〇力之下退火8小時至晶粒大小為2〜3微
524863 五、發明說明（12) 表2 %壓縮 降伏強度 張力強度 伸長 0 47. 8 64.2 30 13. 9 74. 5 78. 9 8. 8 27. 1 86· 5 92 4. 7 46. 2 98. 4 107.6 2. 5 68. 4 105. 3 115.3 2. 5 叫】〜间d、ό几《门；^乙丫 不 < 貝Tpf 。 々公~〜衣：¾々 法，此銅合金能夠達到張力強度約11 5 ks i以及降伏強度 約1 0 6 ks i之所需性能。其所抵銷之〇 · 2%降伏強度和張力 強度是根據ASTM E8以拉力試驗機（賓州，Will0w Grove之 Tinius 〇lsen公司製造）來測量。 ，較如圖3和圖4之說明，兩者本 度和張力強度均高於會妳你M 士 “ a ^ 口金之降伙強 利用本發明之裝置和方法之、’5 3金所測得之值。 不偏離本發明之精神和圍；心可應用本領域之技術，在 因此，本發明意指所有改=于各種的改進和變化^ 利申請範圍之精神和範園内。進和改變均包含於附加專 UL·編號說明 901109】7.ptd 第]5頁 524863 五、發明說明（13) 150 退火 16 0 酸洗和刷洗 170 冷軋 18 0 消除殘餘應力退火 20 0 鑄造製程 -: 210 垂直向上鑄造 . 215 磨整 22 0 冷軋 230 退火 235 酸洗和刷洗 240 冷軋 250 消除殘餘應力退火
90110917.ptd 第16頁 524863 圖式簡單說明 圖1為說明第一種銅合金製造方法之流程圖。 圖2為說明第二種銅合金製造方法之流程圖。 圖3以圖示說明本發明之外含有以重量計1 0. 7%之鋅、0 · 8%之錫、1. 8%之鐵，並以銅平衡金屬之銅合金，在冷卻滾 壓至70%時的張力強度和降伏強度。 圖4以圖示說明本發明含有以重量計14%之鋅、0. 9%之 錫、0.8%之鐵，並以銅平衡金屬之銅合金，在冷卻滾壓至 7 0°/◦時的張力強度和降伏強度。
90110917.ptd 第17頁
Claims (1)
- 524863 丨案號90110917 A_a. 曰 修正 W· 7. 3 1 修正本 Ί&2Ϊ ：θί ?. …六一專利範圍 1. 一種銅合金，其含有： 以重量計13%至15%之鋅；以重量計0. 7%至0· 9%之錫； 以重量計0· 7%至0· 9%之鐵；並且 以銅和不可避免之金屬雜質取得金屬平衡。 2. 如申請專利範圍第1項之銅合金，其中該銅合金之張 力強度為介於110和125 ksi之間。 3. 如申請專利範圍第1項之銅合金 伏強度為介於100和120 ksi之間。 4. 如申請專利範圍第1項之銅合金 於製作電連接器。 5. —種銅合金之製法，其特徵為在溫度40(TC和6 0 0 °C之 間只應用一階段的退火步驟，包括： 鑄造銅合金，其含有以重量計1 3 %至1 5 %之鋅、以重量計 0. 7%至0. 9%之錫、以重量計0· 7%至0. 9%之鐵；並且以銅和 不可避免之金屬雜質取得金屬平衡； 在溫度8 0 0 °C和9 5 0 °C之間熱軋該銅合金，使該銅合金從 原來之厚度壓縮至8 0 %至9 5 %之厚度； 將該壓縮之銅合金在溫度450 °C至5 75 °C之間退火3至8小 時； 滚壓該退火之銅合金，使該銅合金產生至7 0 %之壓縮； 並且 將該熱軋滾壓後之銅合金在溫度2 0 0 °C至2 8 0 °C之下消除 殘餘應力退火3至8小時。 其中該銅合金之降 其中該銅合金係用 Ml\\326\2d-\91-07\90110917.ptc 第18頁 524863 ____案號 90110917___年月 』_------ 六、申請專利範圍 6 ·如申請專利範圍第5項之製法，其中該壓縮之鋼合金 在溫度4 5 0 °C和5 7 5 °C之間退火使其時間達到足以讓鐵平均 分佈全部組成份為止。 7 ·如申請專利範圍第5項之製法，更進一步包括，在該 第一次熱軋壓縮之後和該退火步驟之前，磨整該熱軋表面 以便除去其氧化表面層。 8 ·如申請專利範圍第5項之製法，其中該鑄造過程是連 續性的。 9 · 一種不使用熱軋之銅合金製法，其包括：連續鑄造銅合金，其含有以重量計13%至15%之鋅、以重 量計〇· 7%至0. 9%之錫、以重量計〇· 7%至0· 9%之鐵；並且以 銅和不可避免之金屬雜質取得金屬平衡； 滾壓該銅合金，使該銅合金從原來之厚度壓縮至6 0 %之 厚度； 將該壓縮之鋼合金在溫度45〇 至5 75 之間退火3至8小 時； 冷軋該退火鋼合金壓縮其厚度至7〇% ;並且 將該冷乾後之鋼合金在溫度2 〇 〇它至2 8 〇 〇c之下消除殘餘 應力退火3至8小時。
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