CN102909375A - 一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，采用低固溶Cu-Al合金，其铝含量不大于0.50wt%，TiC粉末，粒度小于10mm，含量在占总质量的5.7wt%~19.22wt%，氧化剂按质量百分比占Cu-Al粉的2.5%~5%；余量为Cu；其制备工艺包括：氧化剂、TiC粉末和Cu-Al合金粉的混合；内氧化；冷（热）挤压（轧制）变形；其中氧化剂为工业Cu₂O，烧结内氧化同步进行，烧结温为900~1000℃，内氧化时间2~6h；本发明工艺方法制备的弥散铜点焊电极不仅具有高耐磨、高强度、高导电性、高抗软化温度，而且具有内氧化时间短、成本低、效率高的优点。

Description

一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料科学技术领域，具体的说是涉及一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法。

背景技术

高强度高导电铜基复合材料是一类具有优良综合性能的新型功能材料，既具有优良的导电性，又具有高的强度和优越的高温性能。随着电子工业的发展，尤其是上世纪70年代末美国SCM公司开发了Glidcop系列Al₂O₃弥散强化Cu复合材料以后，高强度高导电铜基复合材料在美国、日本等发达国家开发研究异常活跃，并已进入实用化阶段。而我国对这类材料的研究起步较晚，到上世纪80年代末90年代初进行了这类材料的研究，但尚未进入实用化阶段。纯铜和现有牌号的铜合金材料的导电性、强度及高温性能往往难以兼顾，不能全面满足航空、航天、微电子等高技术迅速发展对其综合性能的要求，如微电子器件点焊电极材料要求：硬度大于等于110 HBS，电导率大于等于85%IACS，抗高温软化温度大于等于923 K。

弥散铜是一种具有高导电、高强度、高抗软化温度的优良电子结构功能材料，广泛应用于大功率电真空管、集成电路引线框架、微波通信、微电子器件管脚、电力输送等领域，在国防工业和电子信息产业具有广泛应用。

传统弥散铜的制造技术多采用粉末冶金法，其中以粉末内氧化粉末冶金法应用最为广泛，其常用技术流程为：合金熔炼→制粉→内氧化→还原→压制→烧结→热加工→冷加工。由于这种制造技术工艺流程复杂，造成材料质量控制困难，成本非常高，极大地限制了其推广应用。我国市场上的弥散铜大多为美国、日本公司产品，国产规模非常小，难以满足国防和社会发展需求。

发明内容

本发明为了解决上述导电性差、成本高、材料质量控制困难以及强度低等技术问题的不足，提供一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，该工艺方法制备的弥散铜点焊电极不仅具有高耐磨、高强度、高导电性、高抗软化温度，而且具有内氧化时间短、成本低、效率高的优点。

本发明为了解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，其制备方法包括以下步骤：

（1）分别称取粒度为-200目的工业级Cu₂O、粒度为-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度小于10μm的TiC粉末，其中，Cu₂O作为氧化剂，其用量为Cu-Al合金质量的2.5%~5%，TiC粉末的用量为氧化剂、Cu-Al合金和TiC粉末三者总质量的5.7%~19.22%，所述的Cu-Al合金中的铝含量不大于0.50wt%，将氧化剂、Cu-Al合金和TiC粉末混合后置于球磨机内进行球磨，采用的转速为30rpm，球磨时间为12~16h；

（2）将球磨好的混合粉末装入石墨模具内，在30MPa的条件下预压5min，取出备用；

（3）将步骤（2）中装有混合粉末，并经过预压的模具整体置于真空热压烧结炉中，在烧结温度为900~1000℃、真空度为1.5×10^-2 MPa、压制压强为20~40MPa的条件下热压烧结1~2h，然后撤去压力烧结1~4h，所述的烧结与内氧化同步进行，获得完全内氧化的弥散铜，备用；

（4）取步骤（3）制取的弥散铜加工为所需要的尺寸即得到产品。

本发明，步骤（4）中，所述的加工操作为冷挤压、热挤压或轧制变形。

本发明，所述的挤压变形采用一次挤压成形，所述的轧制采用多道次轧制成形。

本发明，步骤（3）中，所述的真空热压烧结炉为VDBF-250真空热压烧结炉。

点焊电极材料中主要包括Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在。

本发明的有益效果：

1、本发明使用低固溶度Cu-Al合金材料，不仅强度高，导电性和纯铜相近，而且还具有良好的抗电弧侵蚀、抗电磨损能力及较高的常温强度和高温强度，在Cu-Al合金材料材料中加入TiC粉末，不仅可以使材料的强度、导电率明显提高，而且可以提高铜的强度、耐磨及耐高温性能，对弥散铜进行冷热挤压会轧制变形，在满足尺寸要求的同时，通过冷变形可以进一步提高弥散铜的强度，并且由于纳米氧化铝颗粒和微粒碳化钛的弥散分布，可以将这种形变强化效果保留到较高温度。本发明采用真空热压烧结炉使烧结内氧化同时进行，在真空条件下由氧化亚铜提供氧源从而使内氧化时间明显缩短；

2、为了解决材料在高温下直接加压会导致的以下不足点：（1）、增加凸模的压缩行程、对凹模侧壁压力增加，由于铜的熔点是1083℃，在高温时颗粒受热膨胀会使颗粒堆轴向、径向增加；（2）、增加模具之间的摩擦力，从而不能使压力完全作用于颗粒；（3）增加了颗粒间的空隙率，不利于材料致密化；（4）影响内氧化反应，颗粒在高温膨胀使颗粒之间中心距增加，颗粒中的氧化亚铜释放氧源与铝结合的行程将增加，这将影响材料的整体性能，本发明采用预压操作，本发明的预压采用真空预压，在室温、真空的条件下，由于颗粒处于真空、未加热的环境中使颗粒之间润滑流动性好，能够使颗粒接近于最紧密堆积，颗粒之间更为紧密，有效的减小颗粒之间的空隙率，能够更加有效的提高材料的致密度；

3、目前，国内弥散铜-Mo(30%)导电率48.6%IACS，显微硬度146HV，致密度96.90%，国内弥散铜-WC(30%)导电率49.1%IACS，显微硬度153HV，致密度95.52%，国内弥散铜-W(50%)导电率46%IACS，显微硬度135HV，致密度95.52%，传统CrZrCu制备的点焊电极使用总寿命（焊点）为1.5-1.8万次，软化温度500℃，0.6Al₂O₃/Cu制备的点焊电极使用总寿命（焊点）为5-5.5万次；

本方法制备的弥散铜-TiC(30%)导电率82.6%IACS，显微硬度175 HV，致密度99.15%，导热系数90.14W×m^-1×K^-1，约为纯铜的3倍，本发明制备点焊电极寿命（焊点）为6.8-7.2万次，软化温度高于650℃；

实验表明，利用本发明工艺方法制备的弥散铜点焊电极与现有技术相比不仅具有高耐磨、高强度、高导电性、高抗软化温度，而且具有内氧化时间短、成本低、效率高的优点。

具体实施方式

一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，其制备方法包括以下步骤：

（1）分别称取粒度为-200目的工业级Cu₂O、粒度为-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度小于10μm的TiC粉末，其中，Cu₂O作为氧化剂，其用量为Cu-Al合金质量的2.5%~5%，TiC粉末的用量为氧化剂、Cu-Al合金和TiC粉末三者总质量的5.7%~19.22%，所述的Cu-Al合金中的铝含量不大于0.50wt%，将氧化剂、Cu-Al合金和TiC粉末混合后置于球磨机内进行球磨，采用的转速为30rpm，球磨时间为12~16h；

（2）将球磨好的混合粉末装入石墨模具内，在30MPa的条件下预压5min，取出备用；

（3）将步骤（2）中装有混合粉末，并经过预压的模具整体置于真空热压烧结炉中，在烧结温度为900~1000℃、真空度为1.5×10^-2 MPa、压制压强为20~40MPa的条件下热压烧结1~2h，然后撤去压力烧结1~4h，所述的烧结与内氧化同步进行，获得完全内氧化的弥散铜，备用；

（4）取步骤（3）制取的弥散铜加工为所需要的尺寸即得到产品；

步骤（4）中，所述的加工操作为冷挤压、热挤压或轧制变形；

所述的挤压变形采用一次挤压成形，所述的轧制采用多道次轧制成形；

步骤（3）中，所述的真空热压烧结炉为VDBF-250真空热压烧结炉。

下面结合实施例对本发明做详细说明。

实施例1

本实施例整体点焊电极材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在，其含量：Al₂O₃，0.84wt%；Ti和C以碳化钛增强相的形式存在，其含量：TiC，5.7wt%；余量为Cu。

制备工艺方法包括以下几个步骤：

（1）分别称取粒度为-200目的工业级Cu₂O作为氧化剂、粒度为-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度为5μm的TiC粉末，氧化剂按Cu-Al粉质量百分数为2.5%进行称重，TiC粉末按照总质量的5.7wt%称重，将三种粉末混合后置于QQM/B球磨机内进行球磨，采用的转速为30rpm，充分混合14h，使之混合均匀；

（2）将混合好的粉体装入石墨模具，压制至三种混合均匀的粉体完全压实；

（3）将装入粉末的模具整体置于VDBF-250真空热压烧结炉中，在烧结温度为900℃、压制压强为40MPa、总加压时间为2h、真空度为1.5×10^-2 MPa、内氧化时间为6h的条件下进行真空热压烧结内氧化，获得完全内氧化的弥散铜；

（4）取步骤（3）制取的弥散铜进行热挤压变形：将上述弥散铜-TiC块用锯床切割成长为直径5mm、40 mm长的小段，在箱式电阻炉RX3-15-9型箱式电阻炉中加热至850 ℃，保温20 min，在YB32-100B型四柱液压机上热挤压成直径3mm的微电子器件点焊电极。

实施例2

本实施例整体点焊电极材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在，其含量：Al₂O₃，0.95wt%；Ti和C以碳化钛增强相的形式存在，其含量：TiC，19.22wt%；余量为Cu。

制备工艺方法包括以下几个步骤：

（1）分别称取粒度为-200目的工业级Cu₂O作为氧化剂、粒度为-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度为3.2μm的TiC粉末，氧化剂按Cu-Al粉质量百分数为3.7%进行称重，TiC粉末按照总质量的19.22wt%称重，将三种粉末混合后置于QQM/B球磨机内进行球磨，采用的转速为30rpm，充分混合12h，使之混合均匀；

（2）将混合好的粉体装入石墨模具，压制至三种混合均匀的粉体完全压实；

（3）将装入粉末的模具整体置于VDBF-250真空热压烧结炉中，在烧结温度为950℃、压制压强为20MPa、总加压时间为1.5h、真空度为1.5×10^-2 MPa、内氧化时间为4h的条件下进行真空热压烧结内氧化，获得完全内氧化的弥散铜；

（4）将步骤（3）制取的弥散铜冷却至室温后进行冷轧制变形：将步骤（3）制取的弥散铜板用小型四辊冷轧机轧制成宽50mm×厚2mm的板材。

实施例3

本实施例整体点焊电极材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在，其含量：Al₂O₃，0.79wt%；Ti和C以碳化钛增强相的形式存在，其含量：TiC，12.14wt%；余量为Cu。

制备工艺方法包括以下几个步骤：

（1）分别称取粒度为-200目的工业级Cu₂O作为氧化剂、粒度为-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度为9μm的TiC粉末，氧化剂按Cu-Al粉质量百分数为5%进行称重，TiC粉末按照总质量的12.14wt%称重，将三种粉末混合后置于QQM/B球磨机内进行球磨，采用的转速为30rpm，充分混合16h，使之混合均匀；

（2）将混合好的粉体装入石墨模具，压制至三种混合均匀的粉体完全压实；

（3）将装入粉末的模具整体置于VDBF-250真空热压烧结炉中，在烧结温度为1000℃、压制压强为30MPa、总加压时间为1h、真空度为1.5×10^-2 MPa、内氧化时间为2h的条件下进行真空热压烧结内氧化，获得完全内氧化的弥散铜；

（4）取步骤（3）制取的弥散铜进行热挤压变形：将上述弥散铜-TiC块用锯床切割成长为直径5mm、40 mm长的小段，在箱式电阻炉RX3-15-9型箱式电阻炉中加热至850 ℃，保温20 min，在YB32-100B型四柱液压机上热挤压成直径3mm的微电子器件点焊电极。

实施例4

本实施例整体点焊电极材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在，其含量：Al₂O₃，0.89wt%；Ti和C以碳化钛增强相的形式存在，其含量：TiC，19.22wt%；余量为Cu。

制备工艺方法包括以下几个步骤：

（1）分别称取粒度为-200目的工业级Cu₂O作为氧化剂、粒度为-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度为7μm的TiC粉末，氧化剂按Cu-Al粉质量百分数为3.7%进行称重，TiC粉末按照总质量的19.22wt%称重，将三种粉末混合后置于QQM/B球磨机内进行球磨，采用的转速为30rpm，充分混合14h，使之混合均匀；

（2）将混合好的粉体装入石墨模具，压制至三种混合均匀的粉体完全压实；

（3）将装入粉末的模具整体置于VDBF-250真空热压烧结炉中，在烧结温度为1000℃、压制压强为30MPa、总加压时间为1h、真空度为1.5×10^-2 MPa、内氧化时间为2h的条件下进行真空热压烧结内氧化，获得完全内氧化的弥散铜；

（4）取步骤（3）制取的弥散铜进行热挤压变形：将上述弥散铜-TiC块用锯床切割成长为直径5mm、40 mm长的小段，在箱式电阻炉RX3-15-9型箱式电阻炉中加热至850 ℃，保温20 min，在YB32-100B型四柱液压机上热挤压成直径3mm的微电子器件点焊电极。

Claims (4)

1.一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

（1）分别称取粒度为-200目的工业级Cu₂O、粒度为-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度小于10μm的TiC粉末，其中，Cu₂O作为氧化剂，其用量为Cu-Al合金质量的2.5%~5%，TiC粉末的用量为氧化剂、Cu-Al合金和TiC粉末三者总质量的5.7%~19.22%，所述的Cu-Al合金中的铝含量不大于0.50wt%，将氧化剂、Cu-Al合金和TiC粉末混合后置于球磨机内进行球磨，采用的转速为30rpm，球磨时间为12~16h；

（2）将球磨好的混合粉末装入石墨模具内，在30MPa的条件下预压5min，取出备用；

（3）将步骤（2）中装有混合粉末，并经过预压的模具整体置于真空热压烧结炉中，在烧结温度为900~1000℃、真空度为1.5×10^-2 MPa、压制压强为20~40MPa的条件下热压烧结1~2h，然后撤去压力烧结1~4h，所述的烧结与内氧化同步进行，获得完全内氧化的弥散铜，备用；

（4）取步骤（3）制取的弥散铜加工为所需要的尺寸即得到产品。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述的加工操作为冷挤压、热挤压或轧制变形。

3.根据权利要求2所述的一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，其特征在于：所述的挤压变形采用一次挤压成形，所述的轧制采用多道次轧制成形。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒增强铜-TiC高强度高导电点焊电极的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的真空热压烧结炉为VDBF-250真空热压烧结炉。