一种含镍、硅的青铜合金及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种含镍、硅的青铜合金，属于合金材料技术领域。所述青铜合金的微观组织结构主要为基体相和弥散分布在所述基体相上的析出相，所述基体相为面心立方型固溶体，所述基体相所占质量比94.5-99.9％，所述析出相所占质量比为0.1-5.5％，所述析出相主要为Ni2Si、Cr3Si和Cu3Zr，且2≤Ni2Si/Cr3Si≤25。所述青铜合金的成分按质量百分比计包括：镍：2.5-4.5％，硅：0.5-1.5％，铬：0.1-0.5％，锆：0.05-0.3％，余量为铜和不可避免的杂质，其中铜、镍和硅的总含量≥99％。本发明专利技术含镍、硅的青铜合金具有高强度、高弹性、良好的电性能，优异的抗高温软化性以及具有优异的冲压加工性能，特别适合工业领域中的引线框架、连接器、焊接器械等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种含镍、硅的青铜合金，属于合金材料
技术背景自20世纪60年代世界上第一块集成电路问世以来，半导体集成电路封装材料得到了很大发展。从FeNiCo(Kovar合金)到FeNi42合金等铁系材料都曾长期占据引线框架材料市场。80年代以来，铜及其合金以其优良的导电导热性而被广泛用于IC作引线框架材料，目前占集成电路市场份额的80％以上。截止到2009年，我国年需要铜合金框架铜带5.5万吨，其中约一半从国外进口。随着电子信息高新技术的迅速发展，集成电路的品种也在快速增加，因此研究和开发铜合金框架材料必须加快进行。Cu-Fe系是引线框架材料的主流合金，使用最广的是Cu-Fe-P系合金，该系合金是最典型的析出强化型。这类合金的用量很大，牌号最多，具有较好的机械强度、抗应力松弛特性和低蠕变性，是一类很好的引线框架材料，约占整个引线框架材料用量的65％以上。但是随着带材向轻薄短小化发展，在厚度减薄的同时，必须保证在不损害高导电(热)性的前提下提高材料的强度。因此，引线框架材料的要求越来越高，第一，材料的强度不能因为厚度的剪薄而降低；第二，由于集成度的提高，尤其对功耗大的IC，为了保持芯片所能允许的温度，必须具有较好的散热性能，即要求引线框架材料能够将半导体芯片在工作时所产生的热量及时地散发出去；第三，材料的导电性高，框架上产生的抗阻就小，也利于散热；第四，由于塑封条件由钎焊向共晶键合方向发展，塑封温度由240℃提高到470℃，对材料的短时耐高温软化性能提出了更高的要求，为避免影响贴合组件性能，要求材料的塑封后硬度损失不大于20％。铁青铜的平均强度在400-450MPa，软化温度为450℃，达不到引线框架材料越来越高的需求。而Cu-Ni-Si系是典型的析出强化合金，如中国专利(CN101646792A)中公开的电子材料用Cu-Ni-Si系合金，具体公开了Ni1.0-4.5质量％、Si0.5-1.2质量％、Cr0.003-0.3质量％，其中Ni与Si的重量比为3≤Ni/Si≤5.5，通过控制Cr-Si化合物的组成与大小、个数密度，发挥合金元素Cr的添加效果，获得强度、导电率较好的电子材料用科森系铜合金。虽然该合金具有较高的导电性和强度，但钎焊耐热剥离性差，耐高温软化性能差、加工性能一般。
技术实现思路
本专利技术的针对现有技术中存在的不足，提供一种性能优异且适宜加工的含镍、硅的青铜合金。本专利技术的上述目的通过如下技术方案实现：一种含镍、硅的青铜合金，所述青铜合金的组织结构主要为基体相和弥散分布在所述基体相上的析出相，所述基体相为面心立方型固溶体，所述基体相所占质量比94.5-99.9％，所述析出相所占质量比为0.1-5.5％，所述析出相主要为Ni2Si、Cr3Si和Cu3Zr，且2≤Ni2Si/Cr3Si≤25。Cu3Zr相为本专利技术青铜合金中主要析出强化相，其在合金固溶处理后全部溶入铜基体形成过饱和固溶体，在随后的时效过程中从铜基体中析出，弥散分布于合金中。Cu3Zr相析出后，对位错起到钉扎作用，从而提升铜基体的强度和硬度，同时由于其析出，使得铜基体变得纯净，对电子的阻碍作用减小，电阻率减小而导电率得以大幅度提升。Ni2Si相与Cu3Zr相形成机理类似，可大幅提升合金的强度、硬度及导电性能。Cr3Si相在合金中为初生相，在合金液态及结晶过程中产生，其在高温下具有稳定的结构和性能，在800℃下依旧可保持原始结构而不溶解，因此可大幅度提升合金的抗高温软化能力。将Ni2Si与Cr3Si的比例控制在2-25，保证两相更快速、均匀的形成强化相，并更弥散分布于铜基体中，使得合金得到更大程度的强化。Cr3Si相为初生相，在合金熔炼及凝固过程中生成，而首先生成的Cr3Si相在合金时效过程中可作为Ni2Si相的形核析出中心，增加形核中心，抑制Ni2Si相过分长大，因此得到更为细小均匀分布的Ni2Si相。而更为细小弥散分布的强化相是合金强化的关键。在上述一种含镍、硅的青铜合金中，所述青铜合金的成分按质量百分比计包括：镍：2.5-4.5％，硅：0.5-1.5％，铬：0.1-0.5％，锆：0.05-0.3％，余量为铜和不可避免的杂质，其中铜、镍和硅的总含量≥99％。青铜合金中，镍与铜为无限固溶元素，可与铜形成无限固溶体，强化铜基体，提升铜合金的强度和硬度；硅在铜中有一定的固溶度，可强化铜合金基体，但对铜的电导性影响较大，可大幅降低铜合金的导电率。但当铜合金中以一定比例添加镍和硅后，并进行热处理，可得到镍和硅的化合物相，分子式为Ni2Si，其在铜基体中呈弥散的第二相形式分布，对位错起钉扎作用，从而提升铜基体的强度和硬度，同时由于其析出，使得铜基体变得纯净，对电子的阻碍作用减小，电阻率减小而导电率提高。本专利技术青铜合金镍含量2.5-4.5％，硅含量0.5-1.5％。若低于此范围，合金基体中Ni2Si相数量偏低，起不到强化的作用，而若高于此范围，则铜固溶体中的第二相数量太多，影响整体的析出，极易造成Ni2Si相聚集、粗化，反而降低合金性能。铬也是本专利技术合金中的主要成分。铬常温下在铜中的固溶度很小，但高温时固溶度相对较大，因此铬是本专利技术铜合金中主要的析出强化型元素。在铜合金中，利用热处理可得到单质Cr的强化相粒子，对基体形成强化效果。当铬加入到铜镍硅合金中时，Cr一部分形成单质强化相粒子，一部分Cr与铜基体中少量固溶的Si形成Cr3Si化合物。经研究发现Cr3Si化合物为高温稳定化合物相，即使在800℃高温下也不会发生溶解，因此其耐高温软化能力极强。所以在铜镍硅合金中加入一定含量的Cr，可以生产高温稳定相Cr3Si。本专利技术青铜合金铬含量为0.1-0.5％，若铬含量小于此范围，Cr与Si很难形成Cr3Si，即使形成，数量也不多，不能起到应有的作用，而若铬含量大于此范围，铬将大量结合硅形成化合物而造成镍能够结合的硅含量大幅减少，而Cr3Si主要作用在于高温性能而不完全在强化，所以镍结合硅少造成Ni2Si相少，使得材料的综合性能变差。加入按质量百分比计的0.05-0.3％锆在铜合金中有一定得溶解度，不仅可以提高铜基体的再结晶温度，提升铜合金的耐高温软化性能，还会与铜形成Cu3Zr中间化合物，对铜基体起到强化作用，同时提升铜合金的电性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含镍、硅的青铜合金，其特征在于，所述青铜合金的微观组织结构主要为基体相和弥散分布在所述基体相上的析出相，所述基体相为面心立方型固溶体，所述基体相所占质量比94.5‑99.9％，所述析出相所占质量比为0.1‑5.5％，所述析出相主要为Ni2Si、Cr3Si和Cu3Zr，且2≤Ni2Si/Cr3Si≤25。

【技术特征摘要】
1.一种含镍、硅的青铜合金，其特征在于，所述青铜合金的
微观组织结构主要为基体相和弥散分布在所述基体相上的析出
相，所述基体相为面心立方型固溶体，所述基体相所占质量比
94.5-99.9％，所述析出相所占质量比为0.1-5.5％，所述析出相主
要为Ni2Si、Cr3Si和Cu3Zr，且2≤Ni2Si/Cr3Si≤25。
2.根据权利要求1所述的一种含镍、硅的青铜合金，其特征
在于，所述青铜合金的成分按质量百分比计包括：镍：2.5-4.5％，
硅：0.5-1.5％，铬：0.1-0.5％，锆：0.05-0.3％，余量为铜和不可
避免的杂质，其中铜、镍和硅的总含量≥99％。
3.根据权利要求2所述的一种含镍、硅的青铜合金，其特征
在于，所述青铜合金中的Ni+Si与Cr的质量分数满足5≤(Ni+Si)
/Cr≤32。
4.根据权利要求3所述的一种含镍、硅的青铜合金，其特征
在于，所述青铜合金的成份按质量百分比计还包括0.005-0.3％的
镁。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种含镍、硅的青铜合金，
其特征在于，所述青铜合金的成份按质量百分比计还包括
0.01-0.1％的铈。
6.根据权利要求5所述的一种含镍、硅的青铜合金，其特征
在于，所述青铜合金的成分按质量百分比计包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡仁昌，裴勇军，孟祥鹏，宋玉波，钟磊，朱梦文，
申请(专利权)人：宁波博威合金材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33