CN109182795A - 一种高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法，属于引线框架材料领域。合金成分为：2.5～3.5％Ni，2.0～3.0％Si，1.5～2.0％Cr，0.1～1.0％Ce，0.1～0.6％Pr和0.1～0.6％Nb，其余为Cu和不可避免的杂质。先将原料粉末置于高能球磨机中，使其混合均匀和进行预反应，然后加入熔有纯铜的真空熔炼炉中电磁搅拌熔炼。浇铸、锻造成方坯，再经高温固溶处理，然后进行多道次冷轧、退火处理、再多道次冷轧、再退火的循环处理，要求循环处理次数不少于3次。最终可获得抗拉强度大于950MPa和导电率大于70％IACS的铜合金板材。添加稀土元素既增大了合金板材的导电性，又降低了层错能；高能球磨混粉、高温固溶、冷轧和去应力退火的循环处理工艺，保证高密度、理想孪晶厚度组织的形成。

Description

一种高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种通过添加稀土元素(Ce、Pr和Nb)，并采用球磨混粉、电磁搅拌熔炼、高温固溶、冷轧(多道次)+去应力退火的循环处理工艺，制备高强高导稀土铜镍硅铬合金材料的方法，属于引线框架材料生产工艺技术领域。

背景技术

随着电子信息技术的发展，对集成电路和半导体元器件的综合性能要求越来越高。其中引线框架是集成电路和半导体元器件主要组成部分之一，而作为制备引线框架材料的Cu-Ni-Si-X系列，因强度和电学性能普遍高于Cu-Ni-Si合金系列，而得到了越来越多的关注。

目前，单纯的依靠通过微量元素的添加，或单纯的依靠生产工艺的调整，以期来增强Cu-Ni-Si-X合金材料的强度和导电性能，已逐渐达到瓶颈。但若从二者的协同作用入手，仍能进一步提高Cu-Ni-Si-X合金的强度和导电性能。对解决国内目前电子原件生产水平落后的局面，具有巨大的帮助。

发明专利CN102051564B介绍了一种通过制备孪晶组织来提高铜合金板带强度和韧性的方法，其主要经过热轧、快速冷却、冷轧、退火等工艺，获得了抗拉强度达到650～880MPa，延伸率达到10～30％的铜合金板带材；该方法使铜合金的强度和韧性得到了提高，但由于未考虑其导电性能的变化，限制了其在引线框架中的应用。发明专利CN102051564B公布了一种高强度超细晶块体铜锗合金及其制备方法，锗元素的添加，外加真空退火、锻造、液氮冷却、再锻造等工艺，引入了大量的变形孪晶，使铜锗合金在室温下的拉伸强度达到770MPa；但同样未考虑其电学性能的变化。陈光华在《孪晶对Cu的力学和电学性能影响的研究进展》一文中，综述了孪晶组织对铜的强度和电学性能都有很大的影响；对于纯铜合金，当孪晶片层厚度为15nm时，材料的强度和导电性能都达到最优值，这一结论为研究兼有高强度和高导电性能的铜合金材料提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的在于通过添加稀土元素(Ce、Pr和Nb)，并结合高能球磨混粉、电磁搅拌真空熔炼、高温固溶、冷轧(多道次)、退火、再冷轧(多道次)、再退火等工艺，提出一种高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法，从而达到提高Cu-Ni-Si-X合金的强度和导电性能的目的。

本发明的技术方案如下：

一种高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法，其特征在于往普通铜镍硅铬合金中添加了稀土元素(Ce、Pr和Nb)，加工步骤如下：

1)高能球磨混粉：将稀土粉末和镍硅铬合金粉末置于高能球磨机中，进行球磨混粉，对球磨罐做抽真空处理，要求其真空度小于29Pa；

2)真空熔炼铸造：将混合粉末投入熔有纯铜的真空熔炼炉中，熔炼过程中运用电磁搅拌技术，使混合粉末在铜液中分布均匀，熔炼温度为1200～1300℃，浇铸并锻造成方坯。

3)高温固溶处理过程：固溶温度为930～960℃，固溶时间为2～4h；

4)冷轧：分为多次冷轧工序，每一次冷轧工序的总压下量都介于5～50％之间，且每一次冷轧工序皆采用多道次轧制，各道次轧制压下量之和等于每一次冷轧工序的总压下量；

5)去应力退火工艺：保温温度为80～280℃，保温时间为60～180min；

6)循环“冷轧(多道次)+去应力退火”工艺，要求循环次数不少于3次，且每一次冷轧总压下量和退火温度的大小，随循环次数的增加而平滑减小，以保证铜合金板材具有理想的高密度孪晶结构。

进一步的，所述铜镍硅铬合金成分，包含2.5～3.5％Ni，2.0～3.0％Si，1.5～2.0％Cr，稀土元素：0.1～1.0％Ce，0.1～0.6％Pr和0.1～0.6％Nb，其余为Cu和不可避免的杂质；稀土元素的添加有助于降低层错能和高密度孪晶结构的制备。

进一步的，其特征在于所述步骤4)中，第一次冷轧工序中，冷轧过程中总压下量为45～50％，且多道次冷轧过程中每道次的压下量介于5～10％之间，之后每一次的总压下量逐渐平滑降低。

进一步的，其特征在于所述步骤6)中，首次去应力退火温度为200～280℃，保温时间为150～180min，之后退火温度和保温时间逐渐降低，且最低不小于80℃和60min。

高强高导铜镍硅铬合金制备方法原理如下：

铜镍硅铬合金的强度和导电性能与孪晶组织密切相关。铜镍硅铬合金内部的孪晶组织，既可以像大角晶界那样通过阻碍位错面来增强强度，又可以依靠对传导电子的微散射作用效果来提高其导电性能。同时，孪晶的密集度和片层厚度对铜镍硅铬合金的强度和导电性能影响巨大。有研究表明，对于纯铜合金，随孪晶片层厚度的减小，强度呈现先增大后减小的趋势，导电性能只呈现逐渐增大的趋势；当孪晶片层厚度为15nm左右时，材料的强度和导电性能会达到最优的结果。

孪晶的形成、密集度和片层厚度主要取决于材料的层错能、晶粒尺寸、变形温度和变形速率、退火温度和退火时间。本专利中稀土元素的添加及硅铬含量的调高主要为了降低层错能，以便后期处理时引入大量的孪晶组织；高温时效处理的作用，一方面是强化材料，另一方面是促使稀土元素催化效果的充分作用；冷轧及去应力退火的循环作用，用于获得高密度的孪晶组织和调节孪晶的片层厚度。上述所有工序的协同作用，使铜镍硅铬合金材料同时具备了高强高导的效果。

本发明的应用效果：本发明是通过添加特定的稀土种类和含量，并结合特定的高能球磨混粉、电磁搅拌真空熔炼、高温时效、冷轧、退火处理、再冷轧、再退火等工艺，获得了高密度、理想孪晶厚度的高强高导铜镍硅铬合金板带材。与常规的高强高导铜镍硅铬合金生产工艺相比，有两个特点，一是稀土元素的添加，既增大了合金板材的导电性，又降低了层错能为后续形成高密度的孪晶结构做准备；二是特定的高能球磨混粉、高温固溶、冷轧和去应力退火的循环处理工艺，保证高密度、理想孪晶厚度组织的形成。另外，该发明为同时获得高强高导铜镍硅铬合金的生产工艺，提供一种新的方法。

附图说明

图1为本发明的高强高导铜镍硅铬合金部分生产工艺示意图。

图2为高强高导铜镍硅铬合金最终成品的微观组织SEM图。

具体实施方案

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本发明实施的一种高强高导铜镍硅铬合金的化学成分如表1所示。

表1本发明具体实施例铜镍硅铬合金的化学成分(wt％)

Ni	Si	Cr	Ce	Pr	Nb	余量
							3.0	2.5	1.8	0.65	0.35	0.35	Cu和不可避免的杂志

按照表1成分先将稀土和镍硅铬合金粉末置于高能球磨机中，进行球磨混粉，球磨时间为180min，转速为200r/min，真空度达到20Pa以下；再将混合粉末投入熔有纯铜的电磁搅拌真空熔炼炉中，进行真空冶炼和浇铸，接着锻造成厚度约为26mm的铜合金板，将锻坯加热到940℃，并保温3小时，进行高温固溶处理，随后冷却到室温；第一次冷轧总压下量为50％，采用5道次轧制，每道次压下量约为10％，去应力退火温度为280℃，保温时间为180min；第二次冷轧总压下量为40％，采用5道次轧制，每道次压下量约为8％，去应力退火温度为250℃，保温时间为150min；第三次冷轧总压下量为30％，采用4道次轧制，每道次压下量约为7.5％，去应力退火温度为200℃，保温时间为150min；第四次冷轧总压下量为20％，采用3道次轧制，每道次压下量约为7％，去应力退火温度为180℃，保温时间为150min；第五次冷轧总压下量为10％，采用2道次轧制，每道次压下量约为5％，去应力退火温度为100℃，保温时间为150min。最终得到的铜镍硅铬合金板材的力学和电学性能如表2所示。

表2本发明具体实施例铜镍硅合金板材的力学和电学性能结果

屈服强度/MPa	弹性模量/GPa	导电率
			996	175	82％IACS

实施例2

本发明实施的一种高强高导铜镍硅铬合金的化学成分如表3所示。

表3本发明具体实施例铜镍硅铬合金的化学成分(wt％)

Ni	Si	Cr	Ce	Pr	Nb	余量
							3.2	2.75	1.85	0.75	0.40	0.40	Cu和不可避免的杂志

按照表3成分先将稀土和镍硅铬合金粉末置于高能球磨机中，进行球磨混粉，球磨时间为200min，转速为250r/min，真空度达到20Pa以下；再将混合粉末投入熔有纯铜的电磁搅拌真空熔炼炉中，进行真空冶炼和浇铸，接着锻造成厚度约为18mm的铜合金板，将锻坯加热到945℃，并保温2.5小时，进行高温固溶处理，随后水冷处理至室温；第一次冷轧总压下量为46％，采用5道次轧制，前3道次压下量约为10％，后2道次压下量约为8％，去应力退火温度为280℃，保温时间为180min；第二次冷轧总压下量为26％，采用4道次轧制，前2道次压下量约为8％，后2道次压下量约为5％，去应力退火温度为250℃，保温时间为150min；第三次冷轧总压下量为20％，采用3道次轧制，前2道次压下量约为7.5％，后1道次压下量约为5％，去应力退火温度为180℃，保温时间为150min；第四次冷轧总压下量为10％，采用2道次轧制，每道次压下量约为5％，去应力退火温度为120℃，保温时间为150min。最终得到的铜镍硅铬合金板材的力学和电学性能如表4所示。

表4本发明具体实施例铜镍硅合金板材的力学和电学性能结果

屈服强度/MPa	弹性模量/GPa	导电率
			970	168	78％IACS

实施例3

本发明实施的一种高强高导铜镍硅铬合金的化学成分如表5所示。

表5本发明具体实施例铜镍硅铬合金的化学成分(wt％)

Ni	Si	Cr	Ce	Pr	Nb	余量
							2.8	2.3	1.6	0.80	0.45	0.45	Cu和不可避免的杂志

按照表5成分先将稀土和镍硅铬合金粉末置于高能球磨机中，进行球磨混粉，球磨时间为240min，转速为300r/min，真空度达到20Pa以下；再将混合粉末投入熔有纯铜的电磁搅拌真空熔炼炉中，进行真空冶炼和浇铸，接着锻造成厚度约为24mm的铜合金板，将锻坯加热到937℃，并保温3小时，进行高温固溶处理，随后冷却到室温；第一次冷轧总压下量为50％，采用6道次轧制，前2道次压下量约为10％，中间2道次压下量约为8％，后2道次压下量约为7％，去应力退火温度为280℃，保温时间为180min；第二次冷轧总压下量为42％，采用6道次轧制，前2道次压下量约为10％，中间2道次压下量约为6％，后2道次压下量约为5％，去应力退火温度为250℃，保温时间为180min；第三次冷轧总压下量为34％，采用5道次轧制，第1道次压下量约为8％，中间3道次压下量约为7％，后1道次压下量约为5％，去应力退火温度为200℃，保温时间为160min；第四次冷轧总压下量为27％，采用3道次轧制，每道次压下量约为9％，去应力退火温度为180℃，保温时间为160min；第五次冷轧总压下量为14％，采用2道次轧制，首道次压下量约为9％，末道次压下量约为5％，去应力退火温度为150℃，保温时间为150min；第六次冷轧总压下量为10％，采用2道次轧制，每道次压下量约为5％，去应力退火温度为100℃，保温时间为150min。最终得到的铜镍硅铬合金板材的力学和电学性能如表6所示。

表6本发明具体实施例铜镍硅合金板材的力学和电学性能结果

屈服强度/MPa	弹性模量/GPa	导电率
			1020	190	86％IACS

Claims (4)

1.一种高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法，其特征在于在铜镍硅合金中添加了稀土元素Ce、Pr和Nb，加工步骤如下：

1)球磨混粉：将稀土粉末和镍硅铬合金粉末置于高能球磨机中，进行球磨混粉，对球磨罐做抽真空处理，要求其真空度小于29Pa；

2)真空熔炼铸造：将混合粉末投入熔有纯铜的真空熔炼炉中，熔炼过程中运用电磁搅拌技术，使混合粉末在铜液中分布均匀，熔炼温度为1200～1300℃，浇铸并锻造成方坯；

3)高温固溶处理过程：固溶温度为930～960℃，固溶时间为2～4h；

4)冷轧：分为多次冷轧工序，每一次冷轧工序的总压下量都介于5～50％之间，且每一次冷轧工序皆采用多道次轧制，各道次轧制压下量之和等于每一次冷轧工序的总压下量；

5)去应力退火工艺：保温温度为80～280℃，保温时间为60～180min；

6)循环“多道次冷轧+去应力退火”工艺，要求总循环次数不少于3次，且每一次的冷轧总压下量和退火温度大小，随循环次数的增加而平滑减小，以保证铜合金板材具有理想的高密度孪晶结构。

2.根据权利要求1所述的高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法，其特征在于所述铜镍硅铬合金成分为：2.5～3.5％Ni，2.0～3.0％Si，1.5～2.0％Cr，稀土元素：0.1～1.0％Ce，0.1～0.6％Pr和0.1～0.6％Nb，其余为Cu和不可避免的杂质；稀土元素的添加有助于降低层错能和高密度孪晶结构的制备。

3.根据权利要求1所述的高强高导稀土铜镍硅铬合金的制备方法，其特征在于所述步骤4)中，第一次冷轧工序中，冷轧过程中总压下量为45～50％，且多道次冷轧过程中每道次的压下量介于5～10％之间。

4.根据权利要求1所述的高强高导铜镍硅铬合金生产工艺，其特征在于所述步骤6)中，首次去应力退火温度为200～280℃，保温时间为150～180min，之后退火温度和保温时间逐渐降低，且最低不小于80℃和60min。