專利名稱：一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬基復合材料科學技術領域，具體的說是涉及一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法。
背景技術：
高強度高導電銅基復合材料是一類具有優(yōu)良綜合性能的新型功能材料，既具有優(yōu)良的導電性，又具有高的強度和優(yōu)越的高溫性能。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，尤其是上世紀70年代末美國SCM公司開發(fā)了 Glidcop系列Al2O3彌散強化Cu復合材料以后，高強度高導電銅基復合材料在美國、日本等發(fā)達國家開發(fā)研究異?；钴S，并已進入實用化階段。而我國對這類材料的研究起步較晚，到上世紀80年代末90年代初進行了這類材料的研究,但尚未進入實用化階段。純銅和現(xiàn)有牌號的銅合金材料的導電性、強度及高溫性能往往難以兼顧，不能全面滿足航空、航天、微電子等高技術迅速發(fā)展對其綜合性能的要求，如微電子器件點焊 電極材料要求硬度大于等于110 HBS,電導率大于等于85%IACS，抗高溫軟化溫度大于等于 923 K。彌散銅是一種具有高導電、高強度、高抗軟化溫度的優(yōu)良電子結構功能材料，廣泛應用于大功率電真空管、集成電路引線框架、微波通信、微電子器件管腳、電力輸送等領域，在國防工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)具有廣泛應用。傳統(tǒng)彌散銅的制造技術多采用粉末冶金法，其中以粉末內(nèi)氧化粉末冶金法應用最為廣泛，其常用技術流程為合金熔煉一制粉一內(nèi)氧化一還原一壓制一燒結一熱加工一冷加工。由于這種制造技術工藝流程復雜，造成材料質(zhì)量控制困難，成本非常高，極大地限制了其推廣應用。我國市場上的彌散銅大多為美國、日本公司產(chǎn)品，國產(chǎn)規(guī)模非常小，難以滿足國防和社會發(fā)展需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述導電性差、成本高、材料質(zhì)量控制困難以及強度低等技術問題的不足，提供一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，該工藝方法制備的彌散銅點焊電極不僅具有高耐磨、高強度、高導電性、高抗軟化溫度，而且具有內(nèi)氧化時間短、成本低、效率高的優(yōu)點。本發(fā)明為了解決上述技術問題的不足，所采用的技術方案是
一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，其制備方法包括以下步驟(O分別稱取粒度為-200目的工業(yè)級Cu20、粒度為-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度小于10 μ m的TiC粉末，其中，Cu2O作為氧化劑，其用量為Cu-Al合金質(zhì)量的2. 5°/Γ5%，TiC粉末的用量為氧化劑、Cu-Al合金和TiC粉末三者總質(zhì)量的5. 79Γ19. 22%，所述的Cu-Al合金中的鋁含量不大于O. 50wt%，將氧化劑、Cu-Al合金和TiC粉末混合后置于球磨機內(nèi)進行球磨，采用的轉(zhuǎn)速為30rpm，球磨時間為12 16h ；
(2)將球磨好的混合粉末裝入石墨模具內(nèi)，在30MPa的條件下預壓5min，取出備用；(3)將步驟(2)中裝有混合粉末，并經(jīng)過預壓的模具整體置于真空熱壓燒結爐中，在燒結溫度為90(Tl00(TC、真空度為I. 5X10—2 MPa、壓制壓強為2(T40MPa的條件下熱壓燒結llh，然后撤去壓力燒結llh，所述的燒結與內(nèi)氧化同步進行，獲得完全內(nèi)氧化的彌散銅，備用;
(4)取步驟(3)制取的彌散銅加工為所需要的尺寸即得到產(chǎn)品。本發(fā)明，步驟(4)中，所述的加工操作為冷擠壓、熱擠壓或軋制變形。本發(fā)明，所述的擠壓變形采用一次擠壓成形，所述的軋制采用多道次軋制成形。本發(fā)明，步驟(3)中，所述的真空熱壓燒結爐為VDBF-250真空熱壓燒結爐。點焊電極材料中主要包括Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化鋁第二相的 形式存在。本發(fā)明的有益效果
1、本發(fā)明使用低固溶度Cu-Al合金材料，不僅強度高，導電性和純銅相近，而且還具有良好的抗電弧侵蝕、抗電磨損能力及較高的常溫強度和高溫強度，在Cu-Al合金材料材料中加入TiC粉末，不僅可以使材料的強度、導電率明顯提高，而且可以提高銅的強度、耐磨及耐高溫性能，對彌散銅進行冷熱擠壓會軋制變形，在滿足尺寸要求的同時，通過冷變形可以進一步提高彌散銅的強度，并且由于納米氧化鋁顆粒和微粒碳化鈦的彌散分布，可以將這種形變強化效果保留到較高溫度。本發(fā)明采用真空熱壓燒結爐使燒結內(nèi)氧化同時進行，在真空條件下由氧化亞銅提供氧源從而使內(nèi)氧化時間明顯縮短；
2、為了解決材料在高溫下直接加壓會導致的以下不足點(I)、增加凸模的壓縮行程、對凹模側(cè)壁壓力增加，由于銅的熔點是1083°C，在高溫時顆粒受熱膨脹會使顆粒堆軸向、徑向增加；(2)、增加模具之間的摩擦力，從而不能使壓力完全作用于顆粒；(3)增加了顆粒間的空隙率，不利于材料致密化；(4)影響內(nèi)氧化反應，顆粒在高溫膨脹使顆粒之間中心距增力口，顆粒中的氧化亞銅釋放氧源與鋁結合的行程將增加，這將影響材料的整體性能，本發(fā)明采用預壓操作，本發(fā)明的預壓采用真空預壓，在室溫、真空的條件下，由于顆粒處于真空、未加熱的環(huán)境中使顆粒之間潤滑流動性好，能夠使顆粒接近于最緊密堆積，顆粒之間更為緊密，有效的減小顆粒之間的空隙率，能夠更加有效的提高材料的致密度；
3、目前，國內(nèi)彌散銅-Mo(30%)導電率48. 6%IACS，顯微硬度146HV，致密度96. 90%，國內(nèi)彌散銅-WC (30%)導電率49. 1%IACS,顯微硬度153HV，致密度95. 52%，國內(nèi)彌散銅-W (50%)導電率46%IACS，顯微硬度135HV，致密度95. 52%，傳統(tǒng)CrZrCu制備的點焊電極使用總壽命(焊點)為I. 5-1. 8萬次，軟化溫度500°C，0. 6A1203/Cu制備的點焊電極使用總壽命(焊點)為5-5. 5萬次；
本方法制備的彌散銅-TiC (30%)導電率82. 6%IACS，顯微硬度175 HV，致密度99. 15%，導熱系數(shù)90. HWXnr1Xr1,約為純銅的3倍，本發(fā)明制備點焊電極壽命(焊點)為6. 8-7. 2萬次，軟化溫度聞于650 C ；
實驗表明，利用本發(fā)明工藝方法制備的彌散銅點焊電極與現(xiàn)有技術相比不僅具有高耐磨、高強度、高導電性、高抗軟化溫度，而且具有內(nèi)氧化時間短、成本低、效率高的優(yōu)點。
具體實施例方式一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，其制備方法包括以下步驟
(O分別稱取粒度為-200目的工業(yè)級Cu20、粒度為-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度小于10 μ m的TiC粉末，其中，Cu2O作為氧化劑，其用量為Cu-Al合金質(zhì)量的2. 5°/Γ5%，TiC粉末的用量為氧化劑、Cu-Al合金和TiC粉末三者總質(zhì)量的5. 79Γ19. 22%，所述的Cu-Al合金中的鋁含量不大于O. 50wt%，將氧化劑、Cu-Al合金和TiC粉末混合后置于球磨機內(nèi)進行球磨，采用的轉(zhuǎn)速為30rpm，球磨時間為12 16h ；
(2)將球磨好的混合粉末裝入石墨模具內(nèi)，在30MPa的條件下預壓5min，取出備用；
(3)將步驟(2)中裝有混合粉末，并經(jīng)過預壓的模具整體置于真空熱壓燒結爐中，在燒結溫度為90(Tl00(TC、真空度為I. 5X10—2 MPa、壓制壓強為2(T40MPa的條件下熱壓燒結llh，然后撤去壓力燒結llh，所述的燒結與內(nèi)氧化同步進行，獲得完全內(nèi)氧化的彌散銅，備用;
(4)取步驟(3)制取的彌散銅加工為所需要的尺寸即得到產(chǎn)品；
步驟(4)中，所述的加工操作為冷擠壓、熱擠壓或軋制變形；
所述的擠壓變形采用一次擠壓成形，所述的軋制采用多道次軋制成形；
步驟(3)中，所述的真空熱壓燒結爐為VDBF-250真空熱壓燒結爐。下面結合實施例對本發(fā)明做詳細說明。實施例I
本實施例整體點焊電極材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化鋁第二相的形式存在，其含量A1203，0. 84wt% ；Ti和C以碳化鈦增強相的形式存在，其含量TiC, 5. 7wt% ;余量為 Cu。制備工藝方法包括以下幾個步驟
(1)分別稱取粒度為-200目的工業(yè)級Cu2O作為氧化劑、粒度為-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度為5 μ m的TiC粉末，氧化劑按Cu-Al粉質(zhì)量百分數(shù)為2. 5%進行稱重，TiC粉末按照總質(zhì)量的5. 7wt%稱重，將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內(nèi)進行球磨，采用的轉(zhuǎn)速為30rpm，充分混合14h，使之混合均勻；
(2)將混合好的粉體裝入石墨模具，壓制至三種混合均勻的粉體完全壓實；
(3)將裝入粉末的模具整體置于VDBF-250真空熱壓燒結爐中，在燒結溫度為900°C、壓制壓強為40MPa、總加壓時間為2h、真空度為I. 5X10—2 MPa、內(nèi)氧化時間為6h的條件下進行真空熱壓燒結內(nèi)氧化，獲得完全內(nèi)氧化的彌散銅；
(4)取步驟(3)制取的彌散銅進行熱擠壓變形將上述彌散銅-TiC塊用鋸床切割成長為直徑5mm、40 mm長的小段，在箱式電阻爐RX3-15-9型箱式電阻爐中加熱至850 °C，保溫20 min，在YB32-100B型四柱液壓機上熱擠壓成直徑3mm的微電子器件點焊電極。實施例2
本實施例整體點焊電極材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化鋁第二相的形式存在，其含量:A1203，0. 95wt% ；Ti和C以碳化鈦增強相的形式存在，其含量TiC, 19. 22wt% ;余量為 Cu。制備工藝方法包括以下幾個步驟
(I)分別稱取粒度為-200目的工業(yè)級Cu2O作為氧化劑、粒度為-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度為3. 2 μ m的TiC粉末，氧化劑按Cu-Al粉質(zhì)量百分數(shù)為3. 7%進行稱重，TiC粉末按照總質(zhì)量的19. 22wt%稱重，將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內(nèi)進行球磨，采用的轉(zhuǎn)速為30rpm，充分混合12h，使之混合均勻；
(2)將混合好的粉體裝入石墨模具，壓制至三種混合均勻的粉體完全壓實；
(3)將裝入粉末的模具整體置于VDBF-250真空熱壓燒結爐中，在燒結溫度為950°C、壓制壓強為20MPa、總加壓時間為I. 5h、真空度為I. 5X 10_2 MPa、內(nèi)氧化時間為4h的條件下進行真空熱壓燒結內(nèi)氧化，獲得完全內(nèi)氧化的彌散銅；
(4)將步驟(3)制取的彌散銅冷卻至室溫后進行冷軋制變形將步驟(3)制取的彌散銅板用小型四棍冷軋機軋制成寬50mmX厚2mm的板材。實施例3
本實施例整體點焊電極材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化鋁第二相的形式存在，其含量A1203，0. 79wt% ；Ti和C以碳化鈦增強相的形式存在，其含量 TiC, 12. 14wt% ;余量為 Cu。制備工藝方法包括以下幾個步驟
(1)分別稱取粒度為-200目的工業(yè)級Cu2O作為氧化劑、粒度為-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度為9 μ m的TiC粉末，氧化劑按Cu-Al粉質(zhì)量百分數(shù)為5%進行稱重，TiC粉末按照總質(zhì)量的12. 14wt%稱重,將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內(nèi)進行球磨,米用的轉(zhuǎn)速為30rpm,充分混合16h,使之混合均勻；
(2)將混合好的粉體裝入石墨模具，壓制至三種混合均勻的粉體完全壓實；
(3)將裝入粉末的模具整體置于VDBF-250真空熱壓燒結爐中，在燒結溫度為1000°C、壓制壓強為30MPa、總加壓時間為lh、真空度為I. 5X10—2 MPa、內(nèi)氧化時間為2h的條件下進行真空熱壓燒結內(nèi)氧化，獲得完全內(nèi)氧化的彌散銅；
(4)取步驟(3)制取的彌散銅進行熱擠壓變形將上述彌散銅-TiC塊用鋸床切割成長為直徑5mm、40 mm長的小段，在箱式電阻爐RX3-15-9型箱式電阻爐中加熱至850 °C，保溫20 min，在YB32-100B型四柱液壓機上熱擠壓成直徑3mm的微電子器件點焊電極。實施例4
本實施例整體點焊電極材料主要包含有Cu、Al、Ti、C和O元素，其中Al和O以氧化鋁第二相的形式存在，其含量A1203，0. 89wt% ；Ti和C以碳化鈦增強相的形式存在，其含量TiC, 19. 22wt% ;余量為 Cu。制備工藝方法包括以下幾個步驟
(1)分別稱取粒度為-200目的工業(yè)級Cu2O作為氧化劑、粒度為-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度為7 μ m的TiC粉末，氧化劑按Cu-Al粉質(zhì)量百分數(shù)為3. 7%進行稱重，TiC粉末按照總質(zhì)量的19. 22wt%稱重,將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內(nèi)進行球磨,采用的轉(zhuǎn)速為30rpm，充分混合14h，使之混合均勻；
(2)將混合好的粉體裝入石墨模具，壓制至三種混合均勻的粉體完全壓實；
(3)將裝入粉末的模具整體置于VDBF-250真空熱壓燒結爐中，在燒結溫度為1000°C、壓制壓強為30MPa、總加壓時間為lh、真空度為I. 5X10—2 MPa、內(nèi)氧化時間為2h的條件下進行真空熱壓燒結內(nèi)氧化，獲得完全內(nèi)氧化的彌散銅；
(4)取步驟(3)制取的彌散銅進行熱擠壓變形將上述彌散銅-TiC塊用鋸床切割成長為直徑5mm、40 mm長的小段，在箱式電阻爐RX3-15-9型箱式電阻爐中加熱至850 °C，保溫20 min，在YB32-100B型四柱液壓機上熱擠壓成直徑3mm的微電子器件點焊 電極。
權利要求
1.一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，其特征在于，其制備方法包括以下步驟 (O分別稱取粒度為-200目的工業(yè)級Cu20、粒度為-200目的低固溶度Cu-Al合金和粒度小于10 μ m的TiC粉末，其中，Cu2O作為氧化劑，其用量為Cu-Al合金質(zhì)量的2. 5°/Γ5%，TiC粉末的用量為氧化劑、Cu-Al合金和TiC粉末三者總質(zhì)量的5. 79Γ19. 22%，所述的Cu-Al合金中的鋁含量不大于O. 50wt%，將氧化劑、Cu-Al合金和TiC粉末混合后置于球磨機內(nèi)進行球磨，采用的轉(zhuǎn)速為30rpm，球磨時間為12 16h ； (2)將球磨好的混合粉末裝入石墨模具內(nèi)，在30MPa的條件下預壓5min，取出備用； (3)將步驟(2)中裝有混合粉末，并經(jīng)過預壓的模具整體置于真空熱壓燒結爐中，在燒結溫度為90(Tl00(TC、真空度為I. 5X10—2 MPa、壓制壓強為2(T40MPa的條件下熱壓燒結llh，然后撤去壓力燒結llh，所述的燒結與內(nèi)氧化同步進行，獲得完全內(nèi)氧化的彌散銅，備用; (4)取步驟(3)制取的彌散銅加工為所需要的尺寸即得到產(chǎn)品。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，其特征在于步驟(4)中，所述的加工操作為冷擠壓、熱擠壓或軋制變形。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，其特征在于所述的擠壓變形采用一次擠壓成形，所述的軋制采用多道次軋制成形。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，其特征在于步驟(3)中，所述的真空熱壓燒結爐為VDBF-250真空熱壓燒結爐。
全文摘要
一種顆粒增強銅-TiC高強度高導電點焊電極的制備方法，采用低固溶Cu-Al合金，其鋁含量不大于0.50wt%，TiC粉末，粒度小于10mm，含量在占總質(zhì)量的5.7wt%~19.22wt%，氧化劑按質(zhì)量百分比占Cu-Al粉的2.5%~5%；余量為Cu；其制備工藝包括氧化劑、TiC粉末和Cu-Al合金粉的混合；內(nèi)氧化；冷(熱)擠壓(軋制)變形；其中氧化劑為工業(yè)Cu2O，燒結內(nèi)氧化同步進行，燒結溫為900~1000℃，內(nèi)氧化時間2~6h；本發(fā)明工藝方法制備的彌散銅點焊電極不僅具有高耐磨、高強度、高導電性、高抗軟化溫度，而且具有內(nèi)氧化時間短、成本低、效率高的優(yōu)點。
文檔編號C22C32/00GK102909375SQ20121036156
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權日2012年9月26日
發(fā)明者劉勇, 田保紅, 楊志強, 孫永偉, 楊雪瑞, 龍永強, 張毅, 賈淑果, 任鳳章, 宋克興 申請人:河南科技大學