專利名稱：：一種高強高導(dǎo)彌散強化銅合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于合金材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是制備電阻焊電極材料的彌散銅的制備技術(shù)，主要涉及一種高強高導(dǎo)彌散強化銅合金及其制備方法。技術(shù)背景A1203彌散強化銅是一類具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的新型結(jié)構(gòu)功能材料，在現(xiàn)代電子技術(shù)和電工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著電子工業(yè)的發(fā)展而成為銅合金材料的研究熱點之一。彌散強化銅基復(fù)合材料主要應(yīng)用于以下幾個方面(l)代替銀基觸頭材料；(2)作導(dǎo)電彈性材料和IC引線框架；(3)用于軍用大功率微波管結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電及點焊電極材料。Cu-Al203復(fù)合材料的制備工藝較多，其中Cu-Al合金粉末內(nèi)氧化法是目前規(guī)模化制備性能優(yōu)良的Cu-Al203復(fù)合材料的比較成熟的方法。其常用技術(shù)流程為熔煉Cu-Al合金一Cu-Al合金粉末(水霧化法或N2霧化)一干燥的Cu-Al合金粉末與Cu20粉末混合一真空爐內(nèi)進行內(nèi)氧化混合粉末一H2中除去殘余氧一包套、抽真空、等靜壓制坯、燒結(jié)一熱擠壓一冷拉拔成型。該工藝中Cu-Al合金經(jīng)熔煉后，氮氣霧化噴粉，得到Cu-Al合金粉末。合金粉和適量的Cu20氧化劑混合后在密閉容器中進行內(nèi)氧化，一般需要10-20小時，且要經(jīng)過制取合金粉(霧化)，壓制、燒結(jié)、熱等靜壓等工序，周期長，工藝復(fù)雜。由于這種制造技術(shù)工藝流程復(fù)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(yīng)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。因此發(fā)展新的技術(shù)以簡化工藝、降低成本、提高效率、擴大生產(chǎn)規(guī)模，成為一個十分重要的任務(wù)，也是目前Cu-Al203復(fù)合材料推廣應(yīng)用中面臨的主要問題。以汽車焊裝生產(chǎn)線用點焊電極為例，目前點焊電極常用的Cr-Zr-Cu棒材成本約為6萬元/噸，采用傳統(tǒng)內(nèi)氧化工藝制備的01-八1203復(fù)合材料的成本約為15萬元/噸，雖然Cu-Al203復(fù)合材料電極的使用壽命為傳統(tǒng)Cr-Zr-Cu電極的3倍以上，但成本也高達2.5倍，再加上使用廠家的習(xí)慣，很難進行推廣應(yīng)用。因此要解決Cu-Al203復(fù)合材料推廣應(yīng)用的問題，在提高性能的同時首先面臨的便是如何改進制備方法。本發(fā)明簡化了A1203彌散強化銅制備工藝，是一種取消粉末制取工序，工序簡單、效率高的制備方法。彌散強化銅的發(fā)展主要是制備技術(shù)的發(fā)展。彌散強化銅制備技術(shù)的關(guān)鍵是如何獲得超細強化微粒均勻分布在高導(dǎo)電的純銅基體之上，以獲得高彌散強化效果的高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料。其制備技術(shù)主要發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)的粉末冶金法、改進的粉末冶金法和其它制備新技術(shù)1、傳統(tǒng)粉末冶金法傳統(tǒng)粉末冶金法的主要工藝過程包括(l)制取復(fù)合粉末；(2)復(fù)合粉末成形；(3)復(fù)合粉末燒結(jié)。Cu-Al203復(fù)合材料制品的性能與Al203的大小、數(shù)量及分布關(guān)系密切。Al203/Cu復(fù)合材料制品的性能與Al203的大小、數(shù)量及分布關(guān)系密切，傳統(tǒng)的粉末冶金法的粉體制備技術(shù)為機械混合法，它是把一定比例的Cu粉與Al203增強顆粒粉末混合均勻，壓制成型后再燒結(jié)成燒結(jié)體預(yù)制件。這種傳統(tǒng)方法工藝成熟，但制品性能，尤其是強度和導(dǎo)電率偏低。這與八1203粉末的粒徑較大(微米量級)，彌散強化效果較低有關(guān)。2、改進的粉末冶金法改進的粉末冶金法與傳統(tǒng)粉末冶金法的最大區(qū)別在于粉體制備技術(shù)的改進，主要有機械合金化法、共沉淀法、溶膠-凝膠法和原位還原法等。采用機械合金化法雖然無需燒結(jié)、熔融鑄造就可得到顆粒細小、分散均勻的復(fù)合材料，但球磨的過程中復(fù)合粉末容易受到污染，制品晶粒較大，制品性能低，且由于球磨時間過長而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。共沉淀和溶膠-凝膠法制得的氧化鋁彌散銅復(fù)合粉雖然末受還原工藝和原料純度的影響，但燒結(jié)制品性能相對較低。3、其它制備新技術(shù)近年來涌現(xiàn)出許多彌散強化銅制備新技術(shù)，如反應(yīng)噴射沉積、復(fù)合電沉積、真空混合鑄造和放熱彌散法(XD法)等，其主要目的在于保持傳統(tǒng)彌散強化銅制品性能的基礎(chǔ)上簡化制備工藝，降低彌散強化銅的生產(chǎn)成本，以促進彌散強化銅的推廣應(yīng)用。但是這些新技術(shù)在應(yīng)用中仍有一定的局限性，例如復(fù)合電沉積法顆粒在鍍液中的均勻穩(wěn)定懸浮不易控制，另外制品中Ab03含量和復(fù)合材料制品尺寸大小受到限制。彌散強化材料的強度不僅取決于基體和彌散相的本性、而且決定于彌散相的含量、粒度和分布、形態(tài)以及彌散相與基體的結(jié)合情況，同時也與制備工藝(例如加工方式，加工條件)有關(guān)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高強高導(dǎo)彌散強化銅合金及其制備方法。使其具有高強度、高導(dǎo)電性、高抗軟化溫度等特點；并有效縮短生產(chǎn)周期，降低成本，使內(nèi)氧化的時間縮短和效率提高。本發(fā)明的制備工藝包括:①合金的熔煉②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板③合金薄板的內(nèi)氧化④內(nèi)氧化薄板疊合熱壓和熱擠壓⑤合金的加工，其中合金薄板材厚度為0.3mm2.0mm;內(nèi)氧化為包埋法，規(guī)范為(850。C95(TC)x(315)h;熱壓或熱擠壓的擠壓溫度為900°C950°C。以下對本發(fā)明進一步詳細說明①合金的熔煉Ql-Al合金的熔煉為傳統(tǒng)大氣環(huán)境下的中頻感應(yīng)熔煉，也可以在真空或惰性氣體保護下熔煉，然后澆鑄成鑄錠。Cu-Al合金中Al含量(質(zhì)量分數(shù))為0.10%0.30%。Cu-Al合金是以高純陰極銅(C論99.90wt。/。)及電解鋁(A1^99.90wt。/。)為原料。根據(jù)彌散強化理論，彌散強化銅合金強度和硬度的提高，依賴于彌散質(zhì)點的增加(質(zhì)點大小不變的情況下)也就是需要Al含量的提高，合金中鋁的含量小于0.10%對銅合金的彌散強化效果不明顯，但含量高于0.30%會增加內(nèi)氧化很難進行徹底，而且會使后續(xù)加工困難，因此選擇A1含量在此范圍能的。②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板鑄錠去除表面和兩端缺陷，熱鍛造成軋坯(鍛造溫度為700°C900°C)，隨后在(850。C95(TC)x(510)h氬氣保護下加熱進行均勻化退火。退火后的坯料用軋制或線切割制取內(nèi)氧化用的薄平板試樣，厚度為0.3mm2.0mm。該厚度的選擇主要是考慮了內(nèi)氧化溫度和氧化時間的關(guān)系，厚度大于2.0mm會使完全內(nèi)氧化比較困難，增加氧化時間；厚度小于0.3mm會增加加工及處理難度，增加擠壓薄板的結(jié)合界面，影響材料的性能。所以確定的較適合的厚度，可以節(jié)省內(nèi)氧化時間，且在后續(xù)加工中比較容易。將試樣表面進行清理干凈(銑削、打磨、酸洗)。③合金薄板的內(nèi)氧化將表面清理干凈的薄板試樣進行內(nèi)氧化，即將合金薄板埋入裝有質(zhì)量百分比為Cu20:Al203:CU=5:3:2的混合粉末的紫銅管或鋼管中，然后紫銅管或鋼管封焊或耐火泥漿密封。密封后的試樣(850°C~950°C)x(315)h內(nèi)氧化，空冷后取樣。Cu-Al合金平板內(nèi)氧化后，Cu-Al203內(nèi)氧平板表層和內(nèi)部的晶粒大小明顯不同，表層晶粒比內(nèi)部的晶粒細小，具有納米級A1203增強顆粒彌散分布于微米尺寸晶粒基體的良好組織特征。納米級彌散分布的Al203顆粒提高了材料的硬度和導(dǎo)電率，而且使高溫退火后的硬度得到了較好的保持，其軟化溫度達到90(TC以上。這主要是Cu-Al合金內(nèi)氧化過程中，固溶在Cu基體內(nèi)部的Al內(nèi)氧化以八1203形態(tài)從基體析出，彌散分布的八1203顆粒強化了銅基體，顯微硬度提高。且與A1的固溶相比，A1203對電子的散射要小的多，因此內(nèi)氧化后導(dǎo)電率和硬度升高。并且八1203顆粒的充分生成提高了材料的強度。該方法可以將合金薄板材在高溫下較短的時間內(nèi)內(nèi)氧化，通過熱壓或熱擠壓獲得完全內(nèi)氧化透的較大型材。內(nèi)氧化是在密封的容器中進行，氧分壓一定的情況下，選擇較高的溫度，提高內(nèi)氧化溫度可以縮短內(nèi)氧化時間，但溫度過高會使晶粒長大，后續(xù)加工過程中合金薄板脆斷；選擇厚度適中的合金薄板進行內(nèi)氧化，可以節(jié)省內(nèi)氧化時間，提高效率。④內(nèi)氧化薄板疊合熱壓和熱擠壓合金的熱壓和熱擠壓是對完全內(nèi)氧化的的合金薄板，在表面清潔處理后，薄板多層疊合放入包套真空封焊，然后進行熱壓和熱擠壓處理，其熱壓和熱擠壓溫度為90(TC950。C。由于熱壓和熱擠壓制備的Cu-Al203復(fù)合材料的晶粒被拉長、細化、晶粒細小、組織均勻；納米八1203粒子釘扎位錯，位錯在彌散分布的納米Al203粒子周圍纏結(jié)，因此板層界面結(jié)合較好。⑤合金的加工熱壓和熱擠壓制備的型材可經(jīng)切削加工制備所需零件，也可經(jīng)軋制或拉拔制備所需板材或線材。表1是Cu-Al合金粉末與Cu-Al合金平板性能的比較，可以看出該發(fā)明方法在縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率的同時又保證了材料有良好的性能。表1本發(fā)明工藝與傳統(tǒng)工藝制備的Cu-Al203復(fù)合材料的性能對比<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>采用本發(fā)明用CU-A1合金薄板材料經(jīng)內(nèi)氧化制備高導(dǎo)電、高強度、高抗軟化的彌散銅，省略了傳統(tǒng)工藝的合金熔煉、霧化法制合金粉、燒結(jié)、壓制等工序，大大縮短了彌散銅的生產(chǎn)周期，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)熱壓后合金的顯微硬度達到115HV和導(dǎo)電率達到78。/。IACS;抗拉強度達到240MPa。熱擠壓制備的01-八1203合金的顯微硬度達到135HV和導(dǎo)電率達到85%IACS以上；抗拉強度達到450MPa。合金經(jīng)熱擠壓及60%冷軋形后表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性和抗高溫軟化能力，其軟化溫度達到90(TC以上。使用該方法制備的彌散銅具有高強度、高導(dǎo)電性、高抗軟化溫度等特點。圖1是本發(fā)明焊封包套蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1裝入合金薄板后焊封包套蓋的剖視圖。圖3是本發(fā)明焊封包套的銅管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖1的焊封的包套結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、充氣管，2、銅管，3、焊封包套，4、包套，5、真空泵管，6、控制閥，7、合金平板，8、氬氣管具體實施方式以下給出的實施例將對本發(fā)明進一步詳細說明。實施例l本實施例是在Cu銅合金基料加入含量為0.14wtM的Al。制備上述銅合金材料的工藝包括①合金的熔煉②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板(D合金薄板的內(nèi)氧化④內(nèi)氧化薄板疊合熱壓(D合金的加工。其中合金的熔煉是在大氣環(huán)境下采用中頻感應(yīng)爐進行熔煉，CU-A1合金是以高純陰極銅(Q^99.90wt。/。)及電解鋁(A&99.90wt。/。)為原料，鑄錠規(guī)格為鵬0mmxl50mm。合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板是去除鑄錠表面和兩端缺陷，鍛造成矩形截面尺寸為15mmxl00mm的坯料(鍛造溫度為800°C)，隨后在90(TCxl0h氬氣保護下加熱進行均勻化退火。退火后的坯料用線切割加工切取厚度為0.5mmx045mm的內(nèi)氧化用薄平板試樣。金相砂紙對切取試樣表面進行打磨并清洗。合金薄板的內(nèi)氧化是將表面清理過的合金薄板埋入裝有質(zhì)量百分比為Cii20:Al203:Cu-5:3:2的混合粉末的紫銅管中，然后紫銅管封焊。密封后的試樣90(TCx3h內(nèi)氧化，空冷后取樣。內(nèi)氧化薄板疊合熱壓和熱擠壓是對內(nèi)氧化透的合金薄板，在表面清潔處理后，多層疊合放入包套中。如圖所示，圖1是在包套4沖入氮氣的情況下焊封包套的一個蓋，其上通過銅管2連接有充氣管1;圖2把完全內(nèi)氧化的合金平板7裝入包套焊封包套的另一個蓋，在包套上通過銅管2連接有充氣管1，該充氣管為三通管用于與真空泵管5和氬氣管8連接，在充氣管1內(nèi)的真空泵管5和氬氣管8均設(shè)置有控制閥6，合金平板7放置在包套內(nèi)后；圖3在抽真空的情況下，高溫夾緊焊封連接在包套上的充氣管2銅管；圖4是焊封好的整個包套示意圖。然后真空封焊，最后進行熱壓處理，熱壓溫度為900°C，經(jīng)熱壓后的Cu-Al2Cb材料，其硬度和導(dǎo)電率分別達到115HV和78y。IACS。其室溫抗拉強度為240MPa。其軟化溫度達到80(TC以上。合金的加工是在熱壓和熱擠壓制備的型材可經(jīng)切削加工制備所需零件，也可經(jīng)軋制或拉拔制備所需板材或線材。本實施例的熱壓試驗，熱壓試驗是在200噸的液壓機上進行的，模具預(yù)熱400°C，試樣加熱溫度是90(TC，保溫30分鐘。壓力約為410MPa。實施例2本實施例是在Cu銅合金基料加入含量為0.30wt%制備上述銅合金材料的工藝包括①合金的熔煉②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板(D合金薄板的內(nèi)氧化④內(nèi)氧化薄板疊合熱擠壓(D合金的加工。其中合金的熔煉是指合金在傳統(tǒng)大氣環(huán)境下采用中頻感應(yīng)爐進行熔煉，Cu-Al合金是采用高純陰極銅(C論99.90wty。)及電解鋁(A&99.90wty。)為原料熔煉澆注，鑄錠規(guī)格為080mmxl50mm。Al含量為0.30wt%。其中合金的熔煉同實施例l。合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板是去除鑄錠表面和兩端缺陷，鍛造成矩形截面尺寸為15mmxl00mm的坯料(鍛造溫度為750~850°C)，隨后在90(TCxl0h氬氣保護下加熱進行均勻化退火。退火后的坯料用線切割加工切取厚度為0.10mmx(D42mm的內(nèi)氧化用薄平板試樣。金相砂紙對切取試樣表面進行打磨并清洗。合金薄板的內(nèi)氧化同實施例1。其密封后的試樣93(T03h內(nèi)氧化，空冷后取樣。內(nèi)氧化薄板疊合熱壓和熱擠壓其方法及使用的裝置同實施例1，在爐升溫到93(TC后放入銅管并保溫3小時空冷銅管后取樣。然后真空封焊，最后進行熱壓處理，熱擠壓溫度為93(TC，01-八1203平板經(jīng)熱擠壓后制備的0141203復(fù)合材料，其硬度和導(dǎo)電率分別達到129HV和90.5%IACS。室溫抗拉強度為450MPa，其軟化溫度達到90(TC以上。合金的加工同是指對熱擠壓制備的合金塊材進行熱軋、冷軋或拉伸等。對熱擠壓制備的合金進行冷軋變形60%后硬度和導(dǎo)電率分別達到135HV和88%IACS。本實施例熱擠壓試驗，熱擠壓試驗是在315噸壓力的液壓機上進行，模具預(yù)熱40(TC，包套試樣加熱溫度是93(TC，保溫30分鐘，擠壓力約為780MPa，熱擠壓溫度為93(TC，擠壓比為9:1。權(quán)利要求1、一種高強高導(dǎo)彌散強化銅合金，其特征在于，其是在Cu銅合金基料加入0.10wt。/。0.30wt。/。的Al。2、一種制備權(quán)利要求1所述的高強高導(dǎo)彌散強化銅合金的制備方法，其特征在于本發(fā)明的制備工藝包括①合金的熔煉②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板③合金薄板的內(nèi)氧化④內(nèi)氧化薄板疊合熱壓和熱擠壓⑤合金的加工，其中合金薄板材厚度為0.3mm2.0mm;內(nèi)氧化為包埋法，規(guī)范為(850°C950°C)x(315)h;熱壓或熱擠壓的擠壓溫度為900°C~950°C。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強高導(dǎo)彌散強化銅合金，其特征在于，所述的Cu銅合金基料為高純陰極銅299.90%，所述的Al為電解鋁A&99.90wt%。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強高導(dǎo)彌散強化銅合金的制備方法，其特征在于所述的合金薄板內(nèi)氧化是將厚度0.3mm2.0mm的Cu-Al合金薄板包埋在紫銅管內(nèi)(外徑050mmx200mm)，管內(nèi)裝有質(zhì)量百分比為Cu20:Al203:Cu=5:3:2的合金粉末，制備Cu-Al203合金。5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強高導(dǎo)彌散強化銅合金的制備方法，其特征在于所述的合金薄板的內(nèi)氧化是將內(nèi)氧化后的Cu-Al203薄板多層疊合放入包套裝置中，在氬氣保護下對CU-Al203合金進行包套、抽真空。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強高導(dǎo)彌散強化銅合金的制備方法，其特征在于所述的熱壓和熱擠壓是在SiC棒加熱的箱式電阻爐加熱到90(TC95(TC，將預(yù)擠壓坯料放入，保溫時間為0.5h，然后快速將其放入預(yù)熱溫度為40(TC的擠壓模具內(nèi)擠壓得到棒材，擠壓比為9:120:1，擠壓溫度900°C~950°C，熱壓壓力約為410MPa。熱擠壓壓力約為780MPa，擠壓比為9:1，擠壓速率約為0.035m-s"。7、根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強高導(dǎo)彌散強化銅合金的制備方法，其特征在于.-所述的合金熱壓和熱擠壓為合金內(nèi)氧化薄板在真空包套內(nèi)，在液壓機上進行。8、根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備的彌散銅合金材料的制備工藝，其特征在于所述的熱壓和熱擠壓制備的型材可經(jīng)切削加工制備所需零件，也可經(jīng)軋制或拉拔制備所需板材或線材。9、根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的高強高導(dǎo)彌散強化銅合金的制備方法，其特征在于所述的內(nèi)氧化裝置是在包套(4)上通過銅管(2)連接有充氣管(0，該充氣管為三通管用于與真空泵管(5)和氬氣管(8)連接，在充氣管(1)內(nèi)設(shè)置有控制閥(6)。全文摘要本發(fā)明公開的一種高強高導(dǎo)彌散強化銅合金是在Cu銅合金基料加入0.10wt％～0.30wt％的Al。其工藝包括①合金的熔煉②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)制備薄板③合金薄板的內(nèi)氧化④內(nèi)氧化薄板疊合熱壓和熱擠壓⑤合金的加工。其中合金薄板材厚度為0.3mm～2.0mm；內(nèi)氧化為包埋法，規(guī)范為(850℃～950℃)×(3～15)h；熱壓或熱擠壓的擠壓溫度為900℃～950℃。采用本發(fā)明用Cu-Al合金內(nèi)氧化薄板材料，經(jīng)熱壓后合金的顯微硬度達到120HV和導(dǎo)電率達到78％IACS；抗拉強度達到260MPa。經(jīng)熱擠壓后的Cu-Al₂O₃合金的顯微硬度達到135HV和導(dǎo)電率達到85％IACS以上；抗拉強度達到450MPa。其軟化溫度達到900℃以上。文檔編號B21B37/00GK101121974SQ20071018960公開日2008年2月13日申請日期2007年9月19日優(yōu)先權(quán)日2007年9月19日發(fā)明者任鳳章,鵑孫,張旦聞,張曉楠,趙冬梅,趙秀婷申請人:洛陽理工學(xué)院