加工铜镁合金的方法及改良的铜合金导线.pdf

根据本发明，提供一种具有高强度和高导电性的铜合金导线。铜合金导线是由含有0.05至0.9重量％的镁和总计超过15ppm的杂质的铜基合金形成的。导线的单端直径不超过0.10英寸，拉伸强度至少为100ksi，并且导电率大于60％IACS。还描述了用于制备本发明的铜导线的方法。

1.  一种具有高强度和高导电性的铜合金导线，其包含含有0.05至0.9重量％的镁和总计超过15ppm的杂质的铜合金，所述的导线的单端直径低于0.010英寸，拉伸强度至少为100ksi，并且导电率大于60％IACS。

2.  根据权利要求1所述的铜合金导线，其中所述的拉伸强度至少为110ksi。

3.  根据权利要求1所述的铜合金导线，其中所述的电导率大于70％IACS。

4.  根据权利要求1所述的铜合金导线，其中所述的铜合金还含有0.01至0.3重量％的磷。

5.  根据权利要求4所述的铜合金导线，其中所述的磷含量为0.01至0.15重量％，并且所述的镁含量为0.1至0.4重量％。
6根据权利要求4所述的铜合金导线，其中所述磷的大部分颗粒在大小方面是亚微粒。

7.  根据权利要求1所述的铜合金导线，其中所述的铜合金还含有选自下组中的至少一种附加组分：0.01至1.0重量％的铁，0.01至0.5重量％的镍，0.01至0.3重量％的磷，0.01至0.2重量％的银，0.01至0.2重量％的锡，和0.01至0.5重量％的锌。

8.  根据权利要求7所述的铜合金导线，其中所述的至少一种附加组分包括0.01至0.5重量％的铁。

9.  根据权利要求7所述的铜合金导线，其中所述的至少一种附加组分包括0.01至0.1重量％的锡。

10.  根据权利要求7所述的铜合金导线，其中所述的至少一种附加组分包括0.02至0.15重量％量的磷。

11.  根据权利要求1所述的铜合金导线，其中所述的导线是处于重构退火并且冷加工条件中。

12.  根据权利要求1所述的铜合金导线，其中所述的单端直径大于0.002英寸。

13.  一种具有高强度和高导电性的铜合金，其是包含由0.05至0.9重量％的镁，0.01至0.3重量％的磷，和余量的铜及总计超过15ppm的杂质组成的铜合金，所述的导线的单端直径不大于0.010英寸，拉伸强度至少为100ksi，并且电导率大于70％IACS。

14.  根据权利要求13所述的铜合金，其中所述的磷含量为0.01至0.15重量％，并且所述的拉伸强度至少为110ksi。

15.  一种具有高强度和高导电性的铜合金，其是包含由0.05至0.9重量％的镁，选自0.01至1.0重量％的铁、0.01至0.5重量％的镍、0.01至0.3重量％的磷、0.01至0.2重量％的银、0.01至0.2重量％的锡和0.01至0.5重量％的锌中的至少一种组分，和余量的铜及及总计超过15ppm的杂质组成的铜合金，所述的导线的单端直径不大于0.010英寸，拉伸强度至少为100ksi，并且导电率大于70％IACS。

16.  一种制备具有高强度和高导电性的铜合金的方法，该方法包括以下步骤：
提供由含有0.05至0.9重量％的镁和总计超过15ppm的杂质的铜合金形成的基料；
冷加工所述基材成为原始横截面积降低至少40％的导线；
在所述的冷加工步骤之后进行重构退火；和
冷加工所述的退火材料成为最终直径不大于0.010英寸的导线。

17.  根据权利要求16所述的方法，其中所述的重构退火是在将所述基材冷加工成为原始横截面积降低至少70％的导线之后进行的。

18.  根据权利要求16所述的方法，其中所述的重构退火在650至1050°F的温度下进行1至5小时的时间。

19.  根据权利要求18所述的方法，其中所述的重构退火在750至900°F的温度下进行2至3小时的时间。

20.  根据权利要求16所述的方法，其中所述基材提供步骤包含提供由0.05至0.9重量％的镁，和余量的铜及总计超过15ppm的杂质组成的铜合金形成的材料。

21.  根据权利要求16所述的方法，其中所述基材提供步骤包含提供由0.05至0.9重量％的镁，0.01至0.3重量％的磷和余量的铜及总计超过15ppm的杂质组成的铜合金形成的材料。

22.  根据权利要求16所述的方法，其中所述基材提供步骤包含提供由0.05至0.9重量％的镁，选自0.01至1.0重量％的铁、0.01至0.5重量％的镍、0.01至0.3重量％的磷、0.01至0.2重量％的银、0.01至0.2重量％的锡和0.01至0.5重量％的锌中的至少一种组分，和余量的铜及及总计超过15ppm的杂质组成的铜合金形成的材料。

23.  根据权利要求16所述的方法，其中所述的最终直径冷加工步骤包含将所述的退火材料冷加工成为直径低于0.010英寸的导线。

24.  一种具有高强度和高导电性的不含镉的铜合金，其包含含有0.05至0.9重量％的镁和总计超过15ppm的杂质的铜合金，所述的导线的单端直径不大于0.10英寸，拉伸强度至少为100ksi，并且导电率大于60％IACS。

加工铜镁合金的方法及改良的铜合金导线
技术领域
本发明涉及一种高强度、高导电性的铜合金导线及其制备方法，其中所述的铜合金导线是任选含有一种或多种附加元素的铜镁基体系。
背景技术
铜由于其高的导电性而是导线的自然选择。在铜的机械性能对于特殊应用不够的情况下，需要高性能的铜合金。因此，除了导电性，这些铜合金还必须满足通常是矛盾的性能的组合。这些性能可以包括强度，展延性，抗软化性和挠曲寿命。事实上，ASTM B105和B624描述了对用于电应用的冷拉和高强度、高导电性的铜合金导线的要求。
镉铜(合金C162)是一种具有独特性能组合的含有1％额定镉的铜合金。它的导电率大于80％IACS并且在硬时可以达到超过100ksi的拉伸强度。这些性质使合金对于高强度的导体应用如电车驾空线或机身配线非常有用。此外，该合金罕有地显示长的挠曲寿命，如由其可以在断裂前在芯棒上来回弯曲的环数表明。因而，其用于许多其它的高挠曲导体应用，如防锁刹车导线，扬声器和耳机或电话连接导线中的那些。
已经已知镉是健康的危害物并且进行了替换含有该元素的材料的努力。隔出现在由美国环保局(EPA)编辑的生物累积和毒性(PBT)化学品名录中。EPA认为隔为可能的人类致癌物质。对于禁止或限制该元素的使用方面，不同的国家做出了各种建议。因此，对于提供Cu-Cd合金的替代合金是非常有益的。
Cu Mg合金基体系相等地提供吸引人的性能。含有0.1-0.7百分比镁的合金C18661是一种由Copper Development Association(CDA)列出的Cu-Mg合金。合金C18665是含有0.4-0.9％Mg的另一种在册合金。这些合金还可以含有少量残余的P，P典型地用作脱氧剂。尽管CDA没有列出这些合金的应用，但典型的应用是电车导线或连接器。将这些合金铸造和拉伸至最终的尺寸而没有经过任何退火，得到可能最高的强度。
因此，本发明的主要目的在于开发一种高强度、高导电性的铜合金及其制备方法。
本发明的再一个目的在于开发上面所述的合金及方法，其中合金是含有镁及其它元素的铜基合金。
本发明另外的目的将出现在下面。
发明内容
发明概述
现在已经发现上面所述的目的可以容易地根据本发明得到。
本发明提供一种具有高强度和高导电性的铜合金导线的制备方法。该方法广泛地包含下面的步骤：提供由含有0.05至0.9重量％的镁和总计超过15ppm的杂质的铜合金形成的基材料，冷加工所述的基材料成为原始横截面积降低至少40％的导线，在所述的冷加工步骤之后进行重构退火，和回火(drawing)所述的退火材料成为最终直径(final gage)尺寸最大为0.010英寸的导线。在优选的方法中，铜合金的镁含量为0.1至0.4重量％。
理想地，所述的重构退火步骤是在650至1050°F的温度下进行1至5小时的，优选2至3小时地时间。理想地，所述的铜合金还含有一种或多种附加的合金成分，其为：
0.01至0.3重量％的磷，
0.01至1.0重量％的铁，优选低于0.5重量％的铁，
0.01至0.5重量％的镍，
0.01至0.2重量％的银，
0.01至0.2重量％的锡，并且优选低于0.1重量％锡，和/或
0.01至0.5重量％的锌。
本发明还提供一种具有高强度和高导电性的良的铜合金导线，其广泛地包含含有0.05至0.9重量％的镁和总计超过15ppm的杂质的铜合金，所述的导线的单端直径低于或等于0.010英寸，拉伸强度至少为100ksi，并且电导率大于60％IACS。
本发明的其它特征和益处将出现在下面。
附图说明
参考附图，本发明将更容易理解，这些附图中：
图1是根据本发明加工的铜-0.12％镁合金与常规加工的相同合金的拉伸强度与横截面积百分比降低的对比图；
图2是对于含有0.15％的镁和0.1％的锡的铜合金类似于图1的对比图；和
图3是根据本发明加工的含有0.15％的镁和0.1％的锡的铜合金与常规加工的相同合金的拉伸强度与导线直径的对比图。
优选实施方案详述
根据本发明，铜合金导线含有0.05至0.9重量％，优选0.1至0.4重量％的镁。镁量的提高将提高强度，同时降低导电性。这允许将合金调节至所需要的性能。
可以加入附加的合金元素，以改善合金的强度或其它性能。因此，例如，磷是一种可以加入以通过二磷化三镁(Mg₃P₂)的沉积而提高强度的元素。向合金中加入的磷量应当不超过形成二磷化三镁或在存在时的其它元素的磷化物所需要的量。因此，磷应当以低于镁的量存在，并且通常为0.01至0.3重量％且优选为0.02-0.15重量％。当加入磷以形成磷化物颗粒时，组合物，铸造方法和热处理必须保证大部分磷化物颗粒在大小方面是亚微粒，以在小的导线直径下提供高的可拉拔性和改良的性能。
铁是可以向合金中加入的另一种有用元素。例如，铁和磷存在的铜-镁合金将形成镁和铁的磷化物，其是非常有利的。铁量应当为0.01至1重量％，并且优选低于0.5重量％。
少量的锡也是有利的，并且起轻微地提高合金强度的作用。理想地，锡量应当为0.01至0.2重量％，并且优选低于0.1重量％。非常少量的锡可以被认作是有益的杂质。但是，大量的锡倾向于降低合金的导电性。
自然地，可以以总和大于15ppm的量存在其它合金添加物和常规的杂质。例如，少量的银将改善合金的性能而没有不利地影响导电性。银，当存在时，应当为0.01至0.2重量％。其它用于产生特定目的的合金添加物可以包括0.01至0.5重量％的镍和/或0.01至0.5重量％的锌。
因此，本发明提供一种不含镉而含镁的铜合金导体，可以容易将其用于代替铜-镉合金和类似的应用。在被拉伸成为用于制备所需导体所需要的最终尺寸的导线时，铜-镁合金加工为所需最终直径的导线包含至少一个重构退火。得到的导线特征在于良好的强度和导电性，以及其它理想的性能，如良好挠曲寿命和耐热软化性。
可以通过下面的方法制备本发明的铜合金导线：提供由含有0.05至0.9重量％的镁的铜合金形成的基材，冷加工所述的基材成为原始横截面积降低至少40％的导线，进行退火，和拉伸所述的材料成为单端最终直径为最大0.010英寸的导线，优选最终直径大于0.002英寸但小于0.010英寸。如果需要，铜合金还可以含有一种或多种如上所述的附加元素，并且退火步骤可以在已经将基材冷加工成为原始横截面积降低至少70％的导线后进行。
所述的重构退火可在650至1050°F的温度下进行1至5小时的时间，并且优选在750至900°F的温度下进行2至3小时的时间。
可以通过本领域已知的任何适宜技术，包括但不限于扎制(rolling)和/或拉伸进行冷加工步骤。
根据本发明形成的铜合金导线显示至少100ksi，优选至少110ksi的拉伸强度，并且在68°F的室温下大于60％IACS，优选大于70％IACS的导电率。这对于单端直径小于0.010英寸的铜合金导线产品而言，是一组与众不同的性能。
具体实施方式
从下面举例说明性的实施例，上面所述的特征和其它特征将出现。
实施例1
加工铜镁合金成为导线，包括在拉伸成为最终直径前的重构退火，并且为了比较没有退火。铜合金含有0.12％的镁。惊奇地发现，在加工中重构退火的结合改善了加工硬化的速度并且提供了更坚固的导线。加工硬化是由于塑性形变而提高合金的强度。
将合金铸造成为21mm(0.827英寸)直径的线材，并且由21mm直径的线材轧制成为7.4mm(0.291英寸)修正的正方形横截面。该横截面相当于0.312英寸的圆直径。然后本发明的加工提供在700至850°F的温度下退火1至5小时，并且通常为在750至800°F的温度下进行2至3小时的退火，接着拉伸成为所需要的最终直径。使用没有采用任何退火的常规加工将相同的合金从7.4mm的线材拉伸成为最终直径。
得到的性能示于图1中，图1解释作为冷轧函数的如上所述加工的Cu-Mg合金的拉伸强度。可以容易地看出，给予重构退火的那些合金得到比那些未给予退火的合金提高10ksi。这是有意义的提高。还发现，这些合金可以容易地拉伸为对于导体应用领所需要的小直径导线，典型小于0.010英寸直径。
实施例2
以与实施例1一致的方式加工含有0.15％镁和0.10％锡的铜合金导线，其最终导线直径为38美国线规(American Wire Gage)(AWG)。将合金拉伸为最终直径，或没有任何退火(由线材)，或在初始轧制操作之后，接着在实施例1中设置的条件下重构退火。
得到的性能示于图2和图3中，图2解释作为面积百分比降低函数的如上面所述加工的Cu-Mg-Sn合金的拉伸强度，图3解释作为导线直径函数的拉伸强度。
结果还发现退火和拉伸导线比没有任何退火的导线的加工硬化的速度大。在所关心的区域，该合金作为冷轧函数的加工硬化示于图2中。在相同的冷轧下，在合金退火时，观察到20ksi或更大的改善。当如图3所示与作为导线直径函数的拉伸强度比较时，发现类似的改善。取决于导线的尺寸，当导线的加工结合了重构退火时，得到了5-10ksi的改善。图3解释不仅可以将合金拉伸成小直径，而且在0.004英寸直径下得到的拉伸强度超过120ksi。根据本发明加工的本发明的合金性能是相当有吸引力的，并且与铜-镉合金C162的那些性能有利地比较。
实施例3
已与实施例1一致的方式加工含有0.15％镁的铜合金。线材轧制后给予此合金重构退火。然后，在数个步骤中将退火过的导线拉伸成0.004英寸直径。得到的性能示于下表1中。