專利名稱：加工銅鎂合金的方法及改良的銅合金導線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高強度、高導電性的銅合金導線及其制備方法，其中所述的銅合金導線是任選含有一種或多種附加元素的銅鎂基體系。
背景技術：
銅由于其高的導電性而是導線的自然選擇。在銅的機械性能對于特殊應用不夠的情況下，需要高性能的銅合金。因此，除了導電性，這些銅合金還必須滿足通常是矛盾的性能的組合。這些性能可以包括強度，展延性，抗軟化性和撓曲壽命。事實上，ASTM B105和B624描述了對用于電應用的冷拉和高強度、高導電性的銅合金導線的要求。
鎘銅(合金C162)是一種具有獨特性能組合的含有1％額定鎘的銅合金。它的導電率大于80％IACS并且在硬時可以達到超過100ksi的拉伸強度。這些性質使合金對于高強度的導體應用如電車駕空線或機身配線非常有用。此外，該合金罕有地顯示長的撓曲壽命，如由其可以在斷裂前在芯棒上來回彎曲的環(huán)數表明。因而，其用于許多其它的高撓曲導體應用，如防鎖剎車導線，揚聲器和耳機或電話連接導線中的那些。
已經已知鎘是健康的危害物并且進行了替換含有該元素的材料的努力。隔出現在由美國環(huán)保局(EPA)編輯的生物累積和毒性(PBT)化學品名錄中。EPA認為隔為可能的人類致癌物質。對于禁止或限制該元素的使用方面，不同的國家做出了各種建議。因此，對于提供Cu-Cd合金的替代合金是非常有益的。
Cu Mg合金基體系相等地提供吸引人的性能。含有0.1-0.7百分比鎂的合金C18661是一種由Copper Development Association(CDA)列出的Cu-Mg合金。合金C18665是含有0.4-0.9％Mg的另一種在冊合金。這些合金還可以含有少量殘余的P，P典型地用作脫氧劑。盡管CDA沒有列出這些合金的應用，但典型的應用是電車導線或連接器。將這些合金鑄造和拉伸至最終的尺寸而沒有經過任何退火，得到可能最高的強度。
因此，本發(fā)明的主要目的在于開發(fā)一種高強度、高導電性的銅合金及其制備方法。
本發(fā)明的再一個目的在于開發(fā)上面所述的合金及方法，其中合金是含有鎂及其它元素的銅基合金。
本發(fā)明另外的目的將出現在下面。

發(fā)明內容
發(fā)明概述現在已經發(fā)現上面所述的目的可以容易地根據本發(fā)明得到。
本發(fā)明提供一種具有高強度和高導電性的銅合金導線的制備方法。該方法廣泛地包含下面的步驟提供由含有0.05至0.9重量％的鎂和總計超過15ppm的雜質的銅合金形成的基材料，冷加工所述的基材料成為原始橫截面積降低至少40％的導線，在所述的冷加工步驟之后進行重構退火，和回火(drawing)所述的退火材料成為最終直徑(final gage)尺寸最大為0.010英寸的導線。在優(yōu)選的方法中，銅合金的鎂含量為0.1至0.4重量％。
理想地，所述的重構退火步驟是在650至1050°F的溫度下進行1至5小時的，優(yōu)選2至3小時的時間。理想地，所述的銅合金還含有一種或多種附加的合金成分，其為0.01至0.3重量％的磷，0.01至1.0重量％的鐵，優(yōu)選低于0.5重量％的鐵，0.01至0.5重量％的鎳，0.01至0.2重量％的銀，0.01至0.2重量％的錫，并且優(yōu)選低于0.1重量％錫，和/或0.01至0.5重量％的鋅。
本發(fā)明還提供一種具有高強度和高導電性的良的銅合金導線，其廣泛地包含含有0.05至0.9重量％的鎂和總計超過15ppm的雜質的銅合金，所述的導線的單端直徑低于或等于0.010英寸，拉伸強度至少為100ksi，并且電導率大于60％IACS。
本發(fā)明的其它特征和益處將出現在下面。


參考附圖，本發(fā)明將更容易理解，這些附圖中圖1是根據本發(fā)明加工的銅-0.12％鎂合金與常規(guī)加工的相同合金的拉伸強度與橫截面積百分比降低的對比圖；圖2是對于含有0.15％的鎂和0.1％的錫的銅合金類似于圖1的對比圖；和圖3是根據本發(fā)明加工的含有0.15％的鎂和0.1％的錫的銅合金與常規(guī)加工的相同合金的拉伸強度與導線直徑的對比圖。
優(yōu)選實施方案詳述根據本發(fā)明，銅合金導線含有0.05至0.9重量％，優(yōu)選0.1至0.4重量％的鎂。鎂量的提高將提高強度，同時降低導電性。這允許將合金調節(jié)至所需要的性能。
可以加入附加的合金元素，以改善合金的強度或其它性能。因此，例如，磷是一種可以加入以通過二磷化三鎂(Mg3P2)的沉積而提高強度的元素。向合金中加入的磷量應當不超過形成二磷化三鎂或在存在時的其它元素的磷化物所需要的量。因此，磷應當以低于鎂的量存在，并且通常為0.01至0.3重量％且優(yōu)選為0.02-0.15重量％。當加入磷以形成磷化物顆粒時，組合物，鑄造方法和熱處理必須保證大部分磷化物顆粒在大小方面是亞微粒，以在小的導線直徑下提供高的可拉拔性和改良的性能。
鐵是可以向合金中加入的另一種有用元素。例如，鐵和磷存在的銅-鎂合金將形成鎂和鐵的磷化物，其是非常有利的。鐵量應當為0.01至1重量％，并且優(yōu)選低于0.5重量％。
少量的錫也是有利的，并且起輕微地提高合金強度的作用。理想地，錫量應當為0.01至0.2重量％，并且優(yōu)選低于0.1重量％。非常少量的錫可以被認作是有益的雜質。但是，大量的錫傾向于降低合金的導電性。
自然地，可以以總和大于15ppm的量存在其它合金添加物和常規(guī)的雜質。例如，少量的銀將改善合金的性能而沒有不利地影響導電性。銀，當存在時，應當為0.01至0.2重量％。其它用于產生特定目的的合金添加物可以包括0.01至0.5重量％的鎳和/或0.01至0.5重量％的鋅。
因此，本發(fā)明提供一種不含鎘而含鎂的銅合金導體，可以容易將其用于代替銅-鎘合金和類似的應用。在被拉伸成為用于制備所需導體所需要的最終尺寸的導線時，銅-鎂合金加工為所需最終直徑的導線包含至少一個重構退火。得到的導線特征在于良好的強度和導電性，以及其它理想的性能，如良好撓曲壽命和耐熱軟化性。
可以通過下面的方法制備本發(fā)明的銅合金導線提供由含有0.05至0.9重量％的鎂的銅合金形成的基材，冷加工所述的基材成為原始橫截面積降低至少40％的導線，進行退火，和拉伸所述的材料成為單端最終直徑為最大0.010英寸的導線，優(yōu)選最終直徑大于0.002英寸但小于0.010英寸。如果需要，銅合金還可以含有一種或多種如上所述的附加元素，并且退火步驟可以在已經將基材冷加工成為原始橫截面積降低至少70％的導線后進行。
所述的重構退火可在650至1050°F的溫度下進行1至5小時的時間，并且優(yōu)選在750至900°F的溫度下進行2至3小時的時間。
可以通過本領域已知的任何適宜技術，包括但不限于扎制(rolling)和/或拉伸進行冷加工步驟。
根據本發(fā)明形成的銅合金導線顯示至少100ksi，優(yōu)選至少110ksi的拉伸強度，并且在68°F的室溫下大于60％IACS，優(yōu)選大于70％IACS的導電率。這對于單端直徑小于0.010英寸的銅合金導線產品而言，是一組與眾不同的性能。
具體實施例方式
從下面舉例說明性的實施例，上面所述的特征和其它特征將出現。
實施例1加工銅鎂合金成為導線，包括在拉伸成為最終直徑前的重構退火，并且為了比較沒有退火。銅合金含有0.12％的鎂。驚奇地發(fā)現，在加工中重構退火的結合改善了加工硬化的速度并且提供了更堅固的導線。加工硬化是由于塑性形變而提高合金的強度。
將合金鑄造成為21mm(0.827英寸)直徑的線材，并且由21mm直徑的線材軋制成為7.4mm(0.291英寸)修正的正方形橫截面。該橫截面相當于0.312英寸的圓直徑。然后本發(fā)明的加工提供在700至850°F的溫度下退火1至5小時，并且通常為在750至800°F的溫度下進行2至3小時的退火，接著拉伸成為所需要的最終直徑。使用沒有采用任何退火的常規(guī)加工將相同的合金從7.4mm的線材拉伸成為最終直徑。
得到的性能示于圖1中，圖1解釋作為冷軋函數的如上所述加工的Cu-Mg合金的拉伸強度。可以容易地看出，給予重構退火的那些合金得到比那些未給予退火的合金提高10ksi。這是有意義的提高。還發(fā)現，這些合金可以容易地拉伸為對于導體應用領所需要的小直徑導線，典型小于0.010英寸直徑。
實施例2以與實施例1一致的方式加工含有0.15％鎂和0.10％錫的銅合金導線，其最終導線直徑為38美國線規(guī)(American Wire Gage)(AWG)。將合金拉伸為最終直徑，或沒有任何退火(由線材)，或在初始軋制操作之后，接著在實施例1中設置的條件下重構退火。
得到的性能示于圖2和圖3中，圖2解釋作為面積百分比降低函數的如上面所述加工的Cu-Mg-Sn合金的拉伸強度，圖3解釋作為導線直徑函數的拉伸強度。
結果還發(fā)現退火和拉伸導線比沒有任何退火的導線的加工硬化的速度大。在所關心的區(qū)域，該合金作為冷軋函數的加工硬化示于圖2中。在相同的冷軋下，在合金退火時，觀察到20ksi或更大的改善。當如圖3所示與作為導線直徑函數的拉伸強度比較時，發(fā)現類似的改善。取決于導線的尺寸，當導線的加工結合了重構退火時，得到了5-10ksi的改善。圖3解釋不僅可以將合金拉伸成小直徑，而且在0.004英寸直徑下得到的拉伸強度超過120ksi。根據本發(fā)明加工的本發(fā)明的合金性能是相當有吸引力的，并且與銅-鎘合金C162的那些性能有利地比較。
實施例3已與實施例1一致的方式加工含有0.15％鎂的銅合金。線材軋制后給予此合金重構退火。然后，在數個步驟中將退火過的導線拉伸成0.004英寸直徑。得到的性能示于下表1中。

表1清楚地顯示不僅可以將合金拉伸成小直徑，而且在0.004英寸直徑下得到的拉伸強度超過120ksi。其性能是相當有吸引力的，并且與銅-鎘合金C162的那些性能有利地比較。
實施例4使用高強度導體的主要原因之一是它們的高撓曲壽命。ASTMB470-95(第6段)描述了對于撓曲試驗的測試程序。在該試驗中，最初在垂直位置用確定重量懸掛導體，并且將導體纏繞一對在水平位置保持的標準鋼芯棒來回重復地彎曲。重復導體的彎曲直到斷裂。將至斷裂的環(huán)數定義為撓曲壽命。
根據此實施例，使用合金C162(Cu-1％Cd)和含有0.15％的鎂的銅合金制備類似的導體，其中后一種合金使用根據實施例1的程序的重構退火。該結構由19端的38AWG導線(0.004英寸直徑)組成。根據上面所述的ASTMB470中所述的程序，對導體進行撓曲測試，結果示于下表2中。

盡管銅-鎘合金具有更高的斷裂負荷(主要是由于較大的尺寸)，但它顯示較低的撓曲壽命。根據本發(fā)明加工的銅-鎂合金具有比銅-鎘合金大約50％的撓曲壽命。這是相當有意義的，并且代表有價值的發(fā)現，因為撓曲壽命代表高強度導體的主要屬性。
實施例5使用實施例2的銅-0.15％鎂-0.10％錫的合金制備實施例4的19端38AWG結構的導體。制備兩種導體，一種沒有使用退火條件，第二種使用實施例1所述的導線的線材軋制和退火條件。根據ASTM B470測試導體的撓曲壽命，并且結果示于下表3中。

如由更高的斷裂負荷表明，上述的結果清楚地顯示對于用重構退火的導線而言，更高的強度和優(yōu)異的撓曲壽命。
實施例6以與實施例1一致的方式在初始線材軋制后給予銅-0.59％鎂合金以重構退火。然后在數個步驟將退火的導線拉伸至0.004英寸。得到的性能示于下表4中。

對于導電率大于60％IACS的銅合金而言，160ksi的拉伸強度是非常高的。事實上，這表示銅合金拉伸強度和導電率的獨特組合。盡管此合金的導電率低于銅-鎘合金的導電率，但性能的組合是優(yōu)異的并且是相當有用的。
實施例7用實施例1的程序，給予銅-0.12％鎂-0.10％錫-0.02％磷以本發(fā)明的重構退火。初始線材軋制后退火合金，然后在數個步驟將退火的導線拉伸至0.004英寸。得到的性能示于下表5中。

可以容易地將合金拉伸至0.004英寸的直徑。表5中所示的結果清楚地表示在0.004英寸的直徑下，得到拉伸強度的顯著改善。
實施例8根據此實施例，使用在實施例7中得到的單端0.004英寸直徑的導線，制備19/38AWG導體。根據ASTM B470所述的程度測試此導體，以確定其撓曲壽命。如下表5所示，此導體的撓曲壽命優(yōu)異于銅-1％鎘和用本發(fā)明的重構退火加工的基底銅-0.15％鎂。

雖然在單端導線的內容中描述了本發(fā)明，但應當認識到，本發(fā)明可以應用于并且包含根據上面所述的技術加工的多導線形成的電纜。
應當理解的是，本發(fā)明不限于此處所述和所示的舉例說明，認為這些舉例說明僅是示例性說明實施本發(fā)明的最佳方式，并且允許形式、大小、部件安排和操作細節(jié)的改變。本發(fā)明更意欲包含在發(fā)明精神和范圍內的所有這些變化。
權利要求
1.一種具有高強度和高導電性的銅合金導線，其包含含有0.05至0.9重量％的鎂和總計超過15ppm的雜質的銅合金，所述的導線的單端直徑低于0.010英寸，拉伸強度至少為100ksi，并且導電率大于60％IACS。
2.根據權利要求1所述的銅合金導線，其中所述的拉伸強度至少為110ksi。
3.根據權利要求1所述的銅合金導線，其中所述的電導率大于70％IACS。
4.根據權利要求1所述的銅合金導線，其中所述的銅合金還含有0.01至0.3重量％的磷。
5.根據權利要求4所述的銅合金導線，其中所述的磷含量為0.01至0.15重量％，并且所述的鎂含量為0.1至0.4重量％。
6根據權利要求4所述的銅合金導線，其中所述磷的大部分顆粒在大小方面是亞微粒。
7.根據權利要求1所述的銅合金導線，其中所述的銅合金還含有選自下組中的至少一種附加組分0.01至1.0重量％的鐵，0.01至0.5重量％的鎳，0.01至0.3重量％的磷，0.01至0.2重量％的銀，0.01至0.2重量％的錫，和0.01至0.5重量％的鋅。
8.根據權利要求7所述的銅合金導線，其中所述的至少一種附加組分包括0.01至0.5重量％的鐵。
9.根據權利要求7所述的銅合金導線，其中所述的至少一種附加組分包括0.01至0.1重量％的錫。
10.根據權利要求7所述的銅合金導線，其中所述的至少一種附加組分包括0.02至0.15重量％量的磷。
11.根據權利要求1所述的銅合金導線，其中所述的導線是處于重構退火并且冷加工條件中。
12.根據權利要求1所述的銅合金導線，其中所述的單端直徑大于0.002英寸。
13.一種具有高強度和高導電性的銅合金，其是包含由0.05至0.9重量％的鎂，0.01至0.3重量％的磷，和余量的銅及總計超過15ppm的雜質組成的銅合金，所述的導線的單端直徑不大于0.010英寸，拉伸強度至少為100ksi，并且電導率大于70％IACS。
14.根據權利要求13所述的銅合金，其中所述的磷含量為0.01至0.15重量％，并且所述的拉伸強度至少為110ksi。
15.一種具有高強度和高導電性的銅合金，其是包含由0.05至0.9重量％的鎂，選自0.01至1.0重量％的鐵、0.01至0.5重量％的鎳、0.01至0.3重量％的磷、0.01至0.2重量％的銀、0.01至0.2重量％的錫和0.01至0.5重量％的鋅中的至少一種組分，和余量的銅及及總計超過15ppm的雜質組成的銅合金，所述的導線的單端直徑不大于0.010英寸，拉伸強度至少為100ksi，并且導電率大于70％IACS。
16.一種制備具有高強度和高導電性的銅合金的方法，該方法包括以下步驟提供由含有0.05至0.9重量％的鎂和總計超過15ppm的雜質的銅合金形成的基料；冷加工所述基材成為原始橫截面積降低至少40％的導線；在所述的冷加工步驟之后進行重構退火；和冷加工所述的退火材料成為最終直徑不大于0.010英寸的導線。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述的重構退火是在將所述基材冷加工成為原始橫截面積降低至少70％的導線之后進行的。
18.根據權利要求16所述的方法，其中所述的重構退火在650至1050°F的溫度下進行1至5小時的時間。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述的重構退火在750至900°F的溫度下進行2至3小時的時間。
20.根據權利要求16所述的方法，其中所述基材提供步驟包含提供由0.05至0.9重量％的鎂，和余量的銅及總計超過15ppm的雜質組成的銅合金形成的材料。
21.根據權利要求16所述的方法，其中所述基材提供步驟包含提供由0.05至0.9重量％的鎂，0.01至0.3重量％的磷和余量的銅及總計超過15ppm的雜質組成的銅合金形成的材料。
22.根據權利要求16所述的方法，其中所述基材提供步驟包含提供由0.05至0.9重量％的鎂，選自0.01至1.0重量％的鐵、0.01至0.5重量％的鎳、0.01至0.3重量％的磷、0.01至0.2重量％的銀、0.01至0.2重量％的錫和0.01至0.5重量％的鋅中的至少一種組分，和余量的銅及及總計超過15ppm的雜質組成的銅合金形成的材料。
23.根據權利要求16所述的方法，其中所述的最終直徑冷加工步驟包含將所述的退火材料冷加工成為直徑低于0.010英寸的導線。
24.一種具有高強度和高導電性的不含鎘的銅合金，其包含含有0.05至0.9重量％的鎂和總計超過15ppm的雜質的銅合金，所述的導線的單端直徑不大于0.10英寸，拉伸強度至少為100ksi，并且導電率大于60％IACS。
全文摘要
根據本發(fā)明，提供一種具有高強度和高導電性的銅合金導線。銅合金導線是由含有0.05至0.9重量％的鎂和總計超過15ppm的雜質的銅基合金形成的。導線的單端直徑不超過0.10英寸，拉伸強度至少為100ksi，并且導電率大于60％IACS。還描述了用于制備本發(fā)明的銅導線的方法。
文檔編號C22C9/00GK1574107SQ20041004760
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月27日 優(yōu)先權日2003年5月27日
發(fā)明者薩利赫·約瑟夫 申請人:菲斯克合金線材公司