銅線以及用於製備銅線的方法和裝置的製作方法
2023-04-30 13:54:06
專利名稱：銅線以及用於製備銅線的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種銅線，其平均銅含量至少為99.95重量％且具有至少一種與銅構成合金的合金元素。
此外本發明還涉及一種製備平均銅含量至少為99.95重量％的銅線的方法，在該方法中將銅與至少一種合金元素熔成合金而且在該方法中製備過程包括澆鑄過程以及需要時後續的軋制和/或拉伸過程。
最後本發明還涉及用於製備銅線的裝置，其具有至少一個用於製備銅熔液的爐和一個澆鑄裝置。用於軋制和/或拉伸的裝置可以是後置的和也可以是連接的。
背景技術：
典型的銅線製備過程是首先熔融銅，然後將銅熔液導入連續澆鑄裝置中，在其中凝固成條坯。然後將這種銅條坯變形，如採用軋制、壓制、拉伸方法，從而製成具有可預先設定的直徑或具有可預先設定橫截面幾何形狀的外形的銅線。然後也可以進行熱處理，以調節強度和形變能力的確定的組合。在最後的加工步驟中，將製得的銅線或型材典型地纏繞在線軸上、圓桶裡或類似的託載裝置中。這樣製得的銅線或型材主要用在電氣應用領域中。
除了製備電阻線的特殊情況以外，對線材或型材在達到儘可能高的導電性上有典型的要求。此處的先決條件是首先製備儘可能除去了合金元素的高純銅熔液。
減少銅熔液中合金元素重量含量的方法是，預先確定銅熔液中合適的氧含量，並由此在需要時針對性地除去所含合金元素。由此形成的合金元素氧化物部分地作為爐渣漂浮在銅熔液上面並可以由此去除。氧化物的其餘部分在晶界處聚集並對導電性無妨礙，從而使氧化物中結合的合金元素不再在銅基體中固溶。
然而由高純的銅熔液製得的產品，如線材或型材，具有如下缺點材料純度的提高和由此形成的更大的晶體，使得所能達到的強度和變形性能之間的組合以及疲勞強度性能更為不利。例如，這將導致製成的銅線或型材具有更高的斷裂危險。
此外，由高純銅製得的線材/型材在冷變形後具有較低的再結晶溫度，儘管在一些應用中這是所期望的，然而在許多應用中卻是有妨礙的，這是因為不能滿足加工或工作條件下對熱穩定性(即在溫度升高時仍保持機械性能)的要求。
與此不相關的是在一定的條件下在氧含量≥5ppm(＝g/t)時，銅線/型材對滲透入氫的耐久性也下降了，這是因為氫可被氧氧化成水蒸汽並從而損傷晶界。因此，傳統的含氧銅線具有所謂的氫脆性傾向，這將損害線材。
發明內容
本發明的目的是製備上述種類的銅線，使其達到上述材料性能的最佳組合。特別是能夠製成具有高導電性的耐氫線材，其在必需的加工步驟後通過其小晶粒尺寸的均勻的組織結構而提供有利的機械性能組合。另外將熱穩定性調節到期望值。
根據本發明，此目的應如此解決在高純銅熔液的基體中合金元素的重量含量與在小誤差範圍內調節的氧重量含量之比為0.8至1.7之間，並且合金元素的重量含量沿線材長度的最大變化相對合金元素的最大重量含量為25％。
本發明的另一個目的是改進上述方法，使得製備的銅線具有最佳材料性能。
根據本發明，此目的應如此解決使銅熔液與環境氣氛隔絕直至其凝固，並將加入的合金元素的重量含量與在銅熔液中所期望的氧含量的重量含量之比調節到0.8至1.7之間，並且此比例沿線材長度保持基本恆定。
本發明的附加目的是設計上述種類的裝置，使其即使在大規模生產時製備的銅線也具有基本恆定的最佳材料性能。
根據本發明，此目的應如此解決用於加入至少一種合金元素的定量給料裝置與定量給料控制器相連，並與至少一個用於測量爐重的傳感器以及一個用於測量澆鑄效率的裝置相連接。
通過根據本發明的合金元素的重量含量與殘餘氧含量的關係，不僅可使銅線獲得高的導電性，而且可獲得良好的機械性能，如強度、延伸性、疲勞強度的組合以及耐氫性。根據本發明的合金元素重量含量，不僅可在銅熔液凝固時提高導電性，而且可在小平均晶粒尺寸時實現最佳的晶界機械性能。
為了達到耐氫性和一方面高機械強度與高變形性能的優良組合以及另一方面良好的導電性之間的最佳的折衷，已證明合金元素由磷構成是有利的。
另一種有利的選擇是合金元素由硼構成。
合金元素也可由鋰構成。
特別地，銅中合金元素的含量為5ppm至60ppm時，可實現期望的材料優化。
所以，平均晶粒尺寸最大為30微米時，例如在塑性狀態下可實現強度和儘可能高的變形性能以及最佳導電性之間的良好組合。
典型的實現方式是在反應產物中結合的合金元素至少部分地在各晶界處聚集。
此外，合金元素還可至少部分地以元素的形式填充入各晶粒的原子晶格中。
大規模的工業應用中，合金元素的重量含量沿線材長度的高大變化相對合金元素的最大重量含量為20％，這已證明是有利的。
在技術上是用至少一個測試探頭測量銅中合金元素的含量，由此在技術上有益於銅中所含合金元素的量的測量。
合金元素的含量在簡單的技術上是由熔融銅區域中的測試探頭測得的。
最終產品中合金元素的含量在技術上是由凝固的線材的區域中的測試探頭測得。
典型的工藝流程為通過銅中的合金元素的含量調節銅的導電性。
為了補償由於銅熔液中含有氧而使加入的合金元素的至少一部分硬化，在氧含量提高的情況下根據相應的計算將更高重量含量的合金元素加入到銅中。
另一種生產方案是通過直接澆鑄製成銅線。
此外，澆鑄製得的條坯通過後續的熱變形而製成銅線。
除變形後進行熱處理的生產方案還可以通過冷變形製成銅線。
添加合金元素到銅中的典型位置在導槽內。
合金元素也可在下部的池內加入到銅中。
合金元素還可在澆鑄模具內加入到銅中。
合金元素還可在上部的池內加入到銅中。
另一個實施方案中，也可將合金元素在保溫爐內加入到銅中。
最後合金元素還可在熔液射流(Schmelzestrahl)的區域中加入到銅中。
合金元素基本上以純物質的形式加入到銅中，可使給料裝置中的輸送量比較小。
將合金元素基本上以預合金的形式加入到銅中，可以精確地給料並在銅熔液中使合金元素快速分配。
通過測量銅熔液的氧含量並將測量結果傳送到給料控制器中，可以實現另一種材料質量的比較控制。
通過在技術上測量銅中合金元素的重量含量並在封閉的控制循環中使用給料控制器和給料裝置使得銅中合金元素的重量含量沿線材長度保持基本恆定，從而即使改變輸入參數時也可使材料質量均勻一致。
大多數在銅熔液中所含合金元素的一般作用在於，通過所選合金元素給料時對銅中所有合金元素總含量的給料控制來確定給料量。
將所述爐設置在稱重裝置上並測定澆鑄線材的量/長度，從而測量澆鑄效率。
根據典型的實施方案，所述爐由熔煉爐構成。
根據另一實施方案，所述爐也可由澆鑄爐構成。
帶有傳感器的給料控制器與銅熔液相連接，從而可以測量銅熔液中的氧含量。
在附圖中示意性地示出本發明的實施例，圖中圖1為銅線的導電性與不同合金元素重量含量的關係圖(注這是已知的並從出版物中摘取)，圖2為銅線的導電性與鐵含量的關係圖，圖3為在兩種不同氧含量時銅線的導電性與磷含量的關係圖，圖4為由圖3得到的在較高磷含量時磷含量與特殊導電性的關係圖，圖5為不同的合金元素及其含量與重結晶起始溫度的關係的四條重結晶曲線圖。
圖6為根據本發明銅線的耐氫性檢測的示例性銅線晶粒結構圖。
圖7為對於現有技術使用含氧材料時，根據耐氫性檢測的具有不完整晶界的銅線晶粒結構圖。
圖8為製備銅線的裝置示意圖。
具體實施例方式
圖1所示為合金元素的相應添加量與銅導電性的關係。可以看出，隨合金元素含量的提高，導電性均明顯下降。其中下降的程度與各合金元素有關。在實施例中合金元素導致導電性下降程度最大的是磷，而導電性下降程度最小的是鎘。
圖2所示為由銅重結晶製成銅線的導電性在磷含量小於1ppm時與不同的鐵含量的關係。在通常的變化範圍內，導電性與鐵含量在圖示範圍內幾乎是線性關係。
圖3所示為分別在氧含量小於5ppm時和在30-40ppm範圍內時，由銅重結晶製成銅線的導電性與磷含量的關係。其中在圖示範圍內基本上也是線性關係。
圖4所示為銅線的比導電性與磷含量的關係，明顯為函數關係。圖5所示為在應用不同的合金元素或不同合金元素的用量時冷變形銅線抗拉強度的改變與預先進行的退火處理溫度的關係圖，即重結晶曲線。為比較，還示出了不含氧的純銅的曲線。由此可以獲知，隨合金元素特別是磷含量的提高，重結晶溫度明顯提高。
根據實施例應用具有大於99.95重量％的高純銅並加入比例為5ppm-60ppm的磷作為合金元素。在圖3相應的示意圖中該磷含量只導致導電性的比較小幅度的降低，然而根據圖5在一定的冷變形和熱處理後導致了抗拉強度的顯著提高。另外使用磷、硼或鋰作為合金元素已證明是有利的。加入銅中的合金元素一部分以氧化物或部分的以元素的形式聚集在銅的各結晶晶粒的晶界處，合金元素的其餘部分也填充入結晶化的晶格自身中。合金元素既在晶格內又在晶界處的填充導致特別有利的進一步加工性能。
通過加入合金元素而在銅熔液中形成Cu-P-O-晶核，這將在凝固時形成穩定的晶界以及均勻且細小的晶粒。上述的實施例中在熱變形之後或先進行冷變形隨後進行重結晶的熱處理中得到的平均晶粒尺寸為直徑30微米或更小的範圍內。
圖6所示為實施例對應銅線的典型晶粒結構，此銅線是在100％氫氣的還原氣氛中在850℃的處理溫度下熱處理30分鐘後得到的。圖7所示為經相同方法處理後的傳統含氧材料。圖6所示晶粒結構明顯較小，且晶界擴展的尺寸在空間上較小。
圖8所示為製備銅線裝置的結構。在爐(1)中製成的銅熔液(2)加入到澆鑄裝置(3)中。從澆鑄裝置(3)製得的粗型材(4)在隨後的進一步加工裝置(5)中變形成銅線(6)。爐(1)位於具有傳感器(7)的稱重裝置(8)上。稱重裝置(8)與給料控制器(9)連接，後者用於控制合金元素的給料裝置(10)。給料控制器(9)額外地與用於測量澆鑄效率的裝置(11)相連接。
合金元素的添加例如可在熔爐和保溫爐之間的金屬液導槽中進行。合金元素的添加在下部的池中或在澆鑄模具中進行同樣也是可行的。此外合金元素的添加在上部的池中或在保溫爐自身中進行也是可行的。同樣也可以使用已經在熔爐中的具有所選合金元素含量的銅。例如可將具有合金元素含量的銅以混合的形式作為碎爐料進行添加。另一個實施方案變體為直接在鑄模中槽上方的熔液的液柱中或在澆鑄口自身中加入合金元素。
合金元素可以純物質形式或以預合金的形式通過給料裝置(10)加入。例如使用具有10-50％合金元素的銅作為預合金。合金元素或預合金以塊體的形式或細小晶粒的形式加入。特別地以球形顆粒加入已經證明是有效的。另外也可以合金線或以金屬錠加入。
在使用例如圖8所示稱重裝置(8)以及測量澆鑄效率的裝置(11)的情況下，在合金化的位置連續地測定熔液的容積熔煉量。由此測量值，給料控制器可以判斷給料量的平衡並確定必需的給料量。在製備足夠的材料混合物時，在凝固前連續加入合金元素是優選的，然而不連續的加入合金元素的也是可行的。
此外在銅熔液的氧含量未知或波動的情況下，在合金化的位置連續或至少不連續地測定氧含量已證明是有利的。在誤差範圍內提高氧含量也必需提高合金元素的添加量，從而使得凝固的產品中合金元素為預先給定的含量。
合金元素的重量含量沿線材長度的均勻性可以通過連續或至少不連續地測定已凝固線材中合金元素的實際含量而得到進一步改善。例如可採用光譜分析法實現。根據一個簡化的方法變體在線材凝固之前通過探測器在熔液中測定合金元素的含量。
通過根據本發明的方法達到的小晶粒尺寸也使晶界穩定化，這允許提高的變形度以及更高的變形速度。這特別對於冷變形具有重要的意義。此外由於較小的晶粒尺寸而在切削加工時形成較短的切屑，其使得最佳的過程控制成為可能。形成的切邊也比傳統材料具有更小的穿經、更小的等級以及更小的剪切斷口區域。
較小晶粒結構的另一個優點在於，在冷變形時在型材的表面上形成較不明顯的滑移線。此外合金元素的含量使其具有增強的耐腐蝕性。
根據一個實施例，在該實施例中將55ppm的磷加入到銅中，可以使重結晶溫度提高約80-100℃。這使其具有高導電性及提高的熱強度。
根據另一個實施例，使用具有大於99.995％的銅和在初始階段小於5ppm氧的銅熔液。這時磷含量被設置為5至10ppm。由此在小晶粒尺寸時導電性達到至少101％IACS。為達到至少100％IACS的導電性，選擇5-20ppm的磷含量，優選為15-20ppm的磷含量。對於至少98.3％IACS的導電性，5-30ppm的磷含量證明是適宜的，優選為25-30ppm的磷含量。
此外通過使用建議的合金元素含量在銅熔液中實現小晶粒尺寸具有如下優點，銅在熱處理時對缺陷的反應不敏感。特別在退火時間過長時，此後將明顯出現第二次重結晶。
權利要求
1.一種銅線，其平均銅含量至少為99.95重量％且含有至少一種與銅合金化的合金元素，其特徵在於，合金元素的重量含量和殘留氧的重量含量之比為0.8至1.7，且合金元素的重量含量沿線材長度的最大變化相對合金元素的最大重量含量為25％。
2.根據權利要求1的銅線，其特徵在於，合金元素由磷構成。
3.根據權利要求1的銅線，其特徵在於，合金元素由硼構成。
4.根據權利要求1的銅線，其特徵在於，合金元素由鋰構成。
5.根據權利要求1至4之一的銅線，其特徵在於，在銅中含有5ppm至60ppm的合金元素。
6.根據權利要求1至5之一的銅線，其特徵在於，平均晶粒尺寸最大為30微米。
7.根據權利要求1至6之一的銅線，其特徵在於，合金元素至少一部分在各晶界處集聚。
8.根據權利要求1至7之一的銅線，其特徵在於，合金元素至少一部分填充入各晶粒的原子晶格中。
9.根據權利要求1至8之一的銅線，其特徵在於，合金元素的重量含量沿線材長度的最大變化相對其最大重量含量為20％。
10.一種製備平均銅含量為至少99.95重量％的銅線的方法，在該方法中將至少一種合金元素加入銅中並且該方法的製備過程包括澆鑄過程，其特徵在於，使銅熔液與環境氣氛隔絕直至其凝固，並將加入合金元素的重量含量與銅熔液中殘留氧的重量含量之比調節到0.8至1.7之間，而且此比例沿線材長度保持基本恆定。
11.根據權利要求10的方法，其特徵在於，銅中合金元素的含量由至少一個測試探頭測得。
12.根據權利要求11的方法，其特徵在於，合金元素的含量由熔融銅區域中的測試探頭測得。
13.根據權利要求11的方法，其特徵在於，合金元素的含量由凝固線材區域中的測試探頭測得。
14.根據權利要求10至13之一的方法，其特徵在於，通過銅中合金元素的含量調節銅的導電性。
15.根據權利要求10至14之一的方法，其特徵在於，氧含量提高時，將更高重量含量的合金元素加入銅中。
16.根據權利要求10至15之一的方法，其特徵在於，銅線通過直接澆鑄製得。
17.根據權利要求10至15之一的方法，其特徵在於，銅線通過澆鑄和熱變形製得。
18.根據權利要求10至15之一的方法，其特徵在於，銅線通過冷變形製得。
19.根據權利要求10至18之一的方法，其特徵在於，合金元素從導槽內加入到銅中。
20.根據權利要求10至18之一的方法，其特徵在於，合金元素從下部的池內加入到銅中。
21.根據權利要求10至18之一的方法，其特徵在於，合金元素在澆鑄模具內加入到銅中。
22.根據權利要求10至18之一的方法，其特徵在於，合金元素從上部的池內入到銅中。
23.根據權利要求10至18之一的方法，其特徵在於，合金元素在保溫爐內加入到銅中。
24.根據權利要求10至18之一的方法，其特徵在於，合金元素在熔液射流的區域中加入到銅中。
25.根據權利要求10至24之一的方法，其特徵在於，合金元素基本上是以純物質的形式加入到銅中。
26.根據權利要求10至24之一的方法，其特徵在於，合金元素基本上是以預合金的形式加入到銅中。
27.根據權利要求10至26之一的方法，其特徵在於，測量銅熔液的氧含量並將測量結果傳送到給料控制器中。
28.根據權利要求10至27之一的方法，其特徵在於，從技術上測量銅中所含合金元素的重量含量並在一個封閉的控制循環中使用給料控制器和給料裝置使銅中所含合金元素的重量含量沿線材長度保持基本恆定。
29.根據權利要求10至28之一的方法，其特徵在於，通過所選合金元素給料時對銅中所有合金元素總含量的給料控制來確定給料量。
30.一種用於製備銅線的裝置，其具有至少一個用於製備銅熔液的爐和一個澆鑄裝置，其特徵在於，用於加入至少一種合金元素的給料裝置(10)與給料控制器(9)相連，並與至少一個用於探測熔爐重量的傳感器(7)以及一個用於探測澆鑄效率的裝置(11)相連。
31.根據權利要求30的裝置，其特徵在於，該爐是安置在稱重裝置(8)上的。
32.根據權利要求30或31的裝置，其特徵在於，該爐由熔煉爐構成。
33.根據權利要求30或31的裝置，其特徵在於，該爐由澆鑄爐構成。
34.根據權利要求30至33之一的裝置，其特徵在於，給料控制器與用於測量銅熔液氧含量的傳感器相連接。
全文摘要
本發明涉及一種銅線，其平均銅含量至少為99.95重量％且含有至少一種與銅生成合金的合金元素。合金元素的重量含量和殘留氧的重量含量之比為0.8至1.7。合金元素的重量含量沿線材長度的最大變化相對合金元素的最大重量含量為25％。從技術方法上通過澆鑄過程及隨後的進一步加工步驟製備銅線。銅熔液與環境氣氛隔絕直至其凝固。為了保證精確的加入合金元素，用於製備銅線的裝置具有連接給料裝置的給料控制器。
文檔編號B22D39/04GK1664961SQ20051005181
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月2日 優先權日2004年3月2日
發明者延斯·雅各布森, 貝恩德·朗納 申請人:北德意志阿菲內利股份公司