CN101818273B

CN101818273B - 一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法

Info

Publication number: CN101818273B
Application number: CN2010101463483A
Authority: CN
Inventors: 汪明朴; 雷若姗; 李周; 魏海根; 贾延琳
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2030-04-14
Also published as: CN101818273A

Abstract

本发明公开了一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金制备方法。该方法包括：(1)制备Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；(2)再进行真空热压烧结制备Cu-Nb合金坯锭；(3)再进行铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至850℃进行热挤压。使用本发明方法制备的Cu-Nb合金的σ_b可达600～800MPa，而相对导电率可达84％IACS～89％IACS，抗退火软化温度可达900～1100℃。可应用于电真空、电阻焊电极、高压开关、电子电工、核技术等领域。

Description

一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种Cu-Nb合金制备方法，特别是一种可应用于电真空、电阻焊电极、高压开关、电子电工、核技术等领域的具有高强度、高导电、抗高温软化性能的纳米弥散强化Cu-Nb合金的制备方法。

背景技术

近年来，微波技术、微电子、电子、航天、航空、核技术等领域的发展对导电材料的各项技术指标和环境适应能力提出了更高的要求，如制造超大规模集成电路引线框架和微波管栅网等通常需要σ_b≥600MPa，相对电导率≥80％IACS，而且抗高温软化温度必须达800K以上的导电材料。纯铜和Cu-Zr、Cu-B、Cu-Ag等铜合金导电率虽高(98％IACS以上)，但强度过低。沉淀强化型铜合金，如Cu-Fe-P、Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr等，虽具有高强度(σ_b可达500MPa以上)，但导电率偏低(75％IACS以下)，且抗高温退火软化性能不高，当温度高于500℃后即迅速出现退火软化，特别是温度大于600℃时，这类合金因退火软化和沉淀粒子的回溶，强度和导电率均急剧下降而丧失高强高导的特性。目前在上述领域应用较多的是纳米弥散强化Cu-Al₂O₃合金。可是Cu-Al₂O₃合金虽具有极高的抗高温退火软化能力，但其强化粒子Al₂O₃不导电，容易引起用其制作的微器件局部区域导电性中断，从而影响了其在微电子领域和电真空领域的应用。纳米弥散强化Cu-Nb合金因其具有高强度和高导电的性能日益受到人们的关注，现有的关于Cu-Nb合金的研究集中在高浓度合金体系，主要应用于超高脉冲磁场领域，合金虽具有极高的强度，但导电率仍然偏低而难以满足电真空、电阻焊电极、高压开关、电子电工、核技术等领域的要求。如何制备具有高强度、高导电、抗高温软化性能的纳米弥散强化Cu-Nb合金正在成为研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法。

该制备方法包括以下步骤：

(1)将纯度≥99.98％，平均粒度为10～15μm的Cu粉与纯度≥99.95％，平均粒度≤5μm的Nb粉按重量比(70.4～99)∶1放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径10～12mm，中球半径5～6mm，小球3.6～4mm，三者重量百分比为1∶(3～4)∶(3.5～5)进行球磨，球料比(10～14)∶1，转速200～240rpm，球磨时间30～40h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；

(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度500～550℃，保温1.0～1.5h；将退火后的Cu-Nb纳米晶固溶体粉末与粒度为0.1～100μm的硼粉均匀混合，所加硼粉的浓度为5～80ppm，将混合料抽真空至10^-2～10^-3Pa，再充入(1～1.5)×10⁵Pa的纯度＞99.998％的氩气，升温至700～750℃，保温1～1.5h后再次抽真空至10^-2～10^-3Pa进行真空热压烧结，热压压强25～28MPa，热压时间2.5～3h，制得Cu-Nb合金坯锭；

(3)对Cu-Nb合金坯锭用铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至800～850℃，热挤压成棒材或板坯材，热挤压时模温380～420℃，挤压比(25～30)∶1。

作为改进，所述步骤(2)中的硼粉为非晶硼粉。

作为更进一步改进，所述步骤(3)中的铜为无氧铜。

本发明方法通过机械球磨获得了高纯度的低浓度Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；由于Nb的添加量少，且Nb在铜中溶解度极低，固溶Nb在随后热压和热挤压过程完全析出，使得铜基体具有高的纯度，合金导电性显著提高；同时由于Nb粒子在铜基体中均匀弥散分布且在900℃以内高度稳定，保持着超细纳米尺寸(10nm左右)，因此通过低浓度纳米级Nb粒子的弥散强化作用，Cu-Nb合金即可获得高强度；此外，由于纳米Nb粒子具有极高的耐热稳定性，因此即使在500～600℃的高温下，纳米Nb粒子不聚集长大，阻碍位错运动能力强，铜基体中的位错组态极难发生改变，使得该合金具有高的抗高温软化能力；另外，由于Nb粒子本身具有较好的导电性，有利于用其制作的微器件的精密电火花加工或电子束加工，并能防止微器件微区导电性中断。采用在玛瑙罐中球磨的方法，可有效避免机械合金化过程中的铁、铬或碳化物等杂质污染，有利于提高合金综合性能，使得用本发明方法制备的Cu-Nb合金的σ_b可达600～800MPa，而相对导电率可达84％IACS～89％IACS，抗退火软化温度可达900～1100℃。此外，本发明还具有方法简单、操作方便、可实现批量生产等一系列优点。

具体实施方式

实施例1：

(1)取纯度为99.98％，平均粒度为15μm的Cu粉990g与纯度为99.95％，平均粒度为5μm的Nb粉10g混合后放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径10mm，中球半径5mm，小球3.6mm，三者重量百分比为1∶4∶5，进行球磨，球料比10∶1，转速200rpm，球磨时间30h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；

(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度500℃，保温1.0h；将退火后的Cu-Nb纳米晶固溶体粉末与粒度为100μm的非晶硼粉均匀混合，所加非晶硼粉的浓度为5ppm，将混合料抽真空至10^-2Pa，再充入10⁵Pa的纯度为99.998％的氩气，升温至700℃，保温1h后再次抽真空至10^-2Pa进行真空热压烧结，热压压强25MPa，热压时间2.5h，制得Φ60的Cu-Nb合金坯锭，坯锭含氧量为10.5ppm、致密度98％；

(3)对Cu-Nb合金坯锭用无氧铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至800℃，热挤压成2mm厚，45mm宽的挤压板坯，挤压比30∶1，挤压时模温为380℃。

所制得的挤压材σ_b为600MPa，σ_0.2为545MPa，相对电导率为89％IACS，抗高温软化温度900℃。将所得的挤压板坯进行道次变形量为15％的冷轧变形，当总变形量达40％～45％时，将冷轧材在高纯氮气(纯度＞99.999％)保护下进行去应力退火，退火温度710℃，保温1h；重复上述步骤，最终制成厚0.2mm，宽40mm的带材。该合金带材在高纯氮气保护下经900℃退火1h后σ_b为605MPa，σ_0.2为550MPa，相对电导率为89％IACS，抗高温软化温度900℃。

实施例2：

(1)取纯度为99.99％，平均粒度为12μm的Cu粉988g与纯度为99.96％，平均粒度为4μm的Nb粉12g混合后放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径11mm，中球半径5.5mm，小球3.8mm，三者重量百分比为1∶3.5∶4，进行球磨，球料比13∶1，转速230rpm，球磨时间35h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；

(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度530℃，保温1.3h；将退火后的Cu-Nb纳米晶固溶体粉末与粒度为50μm的硼粉均匀混合，所加硼粉的浓度为30ppm，将混合料抽真空至5×10^-2Pa，再充入1.3×10⁵Pa的纯度为99.999％的氩气，升温至720℃，保温1.2h后再次抽真空至5×10^-2Pa进行真空热压烧结，热压压强26MPa，热压时间2.8h，制得Φ60的Cu-Nb合金坯锭。

(3)对Cu-Nb合金坯锭用铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至820℃，热挤压成Φ12的棒材，挤压比25∶1，热挤压时模温400℃。

所制得的挤压材σ_b为657MPa，σ_0.2为611MPa，相对电导率为86％IACS，抗高温软化温度1000℃。

实施例3：

(1)取纯度为99.995％，平均粒度为10μm的Cu粉986g与纯度为99.95％，平均粒度为3μm的Nb粉14g混合后放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径12mm，中球半径6mm，小球4mm，三者重量百分比为1∶3∶3.5，进行球磨，球料比14∶1，转速240rpm，球磨时间40h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；

(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度550℃，保温1.5h；将退火后的Cu-Nb纳米晶固溶体粉末与粒度为0.1μm的非晶硼粉均匀混合，所加非晶硼粉的浓度为80ppm，将混合料抽真空至10^-3Pa，再充入1.5×10⁵Pa的纯度为99.9995％的氩气，升温至750℃，保温1.5h后再次抽真空至10^-3Pa进行真空热压烧结，热压压强28MPa，热压时间3h，制得Φ60的Cu-Nb合金坯锭。

(3)对Cu-Nb合金坯锭用无氧铜包覆，制成包套后封口，再将包好铜套的锭坯加热至850℃，热挤压成2mm厚，45mm宽的挤压板坯，挤压比30∶1，挤压时模温为420℃。

所制得的挤压材σ_b为800MPa，相对电导率为84％IACS，抗高温软化温度1100℃。

将所得的挤压板坯进行道次变形量为8％的冷轧变形，当总变形量达40％时，将冷轧材在高纯氮气(纯度为99.999％)保护下进行去应力退火，退火温度750℃，保温1.5h；重复上述步骤，最终制成厚0.4mm，宽40mm的带材。

所制得的带材σ_b为825MPa，σ_0.2为789MPa，相对电导率为81％IACS，抗高温软化温度1100℃。

Claims

1.一种高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将纯度≥99.98％，平均粒度为10～15μm的Cu粉与纯度≥99.95％，平均粒度＜5μm的Nb粉按重量比(70.4～99)∶1放入玛瑙罐中，再装入三种不同半径的玛瑙球，大球半径10～12mm，中球半径5～6mm，小球3.6～4mm，三者重量百分比为1∶(3～4)∶(3.5～5)进行球磨，球料比(10～14)∶1，转速200～240rpm，球磨时间30～40h，制得Cu-Nb纳米晶固溶体粉末；

(2)将Cu-Nb纳米晶固溶体粉末进行氢气保护退火，退火温度500～550℃，保温1.0～1.5h；将退火后的Cu-Nb纳米晶固溶体粉末与粒度为0.1～100μm的硼粉均匀混合，所加硼粉的浓度为5～80ppm，将混合料抽真空至10^-2～10^-3Pa，再充入(1～1.5)×10⁵Pa的纯度＞99.999％的氩气，升温至700～750℃，保温1～1.5h后再次抽真空至10^-2～10^-3Pa进行真空热压烧结，热压压强25～28MPa，热压时间2.5～3h，制得Cu-Nb合金坯锭；

2.根据权利要求1的高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的硼粉为非晶硼粉。

3.根据权利要求1的高强度、高导电、抗高温软化性能的Cu-Nb合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的铜为无氧铜。