一種高強高導彌散強化銅合金及其製備方法

2023-05-26 09:14:51 1

專利名稱：：一種高強高導彌散強化銅合金及其製備方法
技術領域：
：本發明屬於合金材料
技術領域：
，尤其是製備電阻焊電極材料的彌散銅的製備技術，主要涉及一種高強高導彌散強化銅合金及其製備方法。技術背景A1203彌散強化銅是一類具有優良綜合物理性能和力學性能的新型結構功能材料，在現代電子技術和電工等領域具有廣闊的應用前景，隨著電子工業的發展而成為銅合金材料的研究熱點之一。彌散強化銅基複合材料主要應用於以下幾個方面(l)代替銀基觸頭材料；(2)作導電彈性材料和IC引線框架；(3)用於軍用大功率微波管結構及導電及點焊電極材料。Cu-Al203複合材料的製備工藝較多，其中Cu-Al合金粉末內氧化法是目前規模化製備性能優良的Cu-Al203複合材料的比較成熟的方法。其常用技術流程為熔煉Cu-Al合金一Cu-Al合金粉末(水霧化法或N2霧化)一乾燥的Cu-Al合金粉末與Cu20粉末混合一真空爐內進行內氧化混合粉末一H2中除去殘餘氧一包套、抽真空、等靜壓制坯、燒結一熱擠壓一冷拉拔成型。該工藝中Cu-Al合金經熔煉後，氮氣霧化噴粉，得到Cu-Al合金粉末。合金粉和適量的Cu20氧化劑混合後在密閉容器中進行內氧化，一般需要10-20小時，且要經過製取合金粉(霧化)，壓制、燒結、熱等靜壓等工序，周期長，工藝複雜。由於這種製造技術工藝流程複雜，造成材料質量控制困難，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、日本公司產品，國產規模非常小，難以滿足國防和社會發展需求。因此發展新的技術以簡化工藝、降低成本、提高效率、擴大生產規模，成為一個十分重要的任務，也是目前Cu-Al203複合材料推廣應用中面臨的主要問題。以汽車焊裝生產線用點焊電極為例，目前點焊電極常用的Cr-Zr-Cu棒材成本約為6萬元/噸，採用傳統內氧化工藝製備的01-八1203複合材料的成本約為15萬元/噸，雖然Cu-Al203複合材料電極的使用壽命為傳統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慣，很難進行推廣應用。因此要解決Cu-Al203複合材料推廣應用的問題，在提高性能的同時首先面臨的便是如何改進位備方法。本發明簡化了A1203彌散強化銅製備工藝，是一種取消粉末製取工序，工序簡單、效率高的製備方法。彌散強化銅的發展主要是製備技術的發展。彌散強化銅製備技術的關鍵是如何獲得超細強化微粒均勻分布在高導電的純銅基體之上，以獲得高彌散強化效果的高導電銅基複合材料。其製備技術主要發展經歷了傳統的粉末冶金法、改進的粉末冶金法和其它製備新技術1、傳統粉末冶金法傳統粉末冶金法的主要工藝過程包括(l)製取複合粉末；(2)複合粉末成形；(3)複合粉末燒結。Cu-Al203複合材料製品的性能與Al203的大小、數量及分布關係密切。Al203/Cu複合材料製品的性能與Al203的大小、數量及分布關係密切，傳統的粉末冶金法的粉體製備技術為機械混合法，它是把一定比例的Cu粉與Al203增強顆粒粉末混合均勻，壓製成型後再燒結成燒結體預製件。這種傳統方法工藝成熟，但製品性能，尤其是強度和導電率偏低。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。2、改進的粉末冶金法改進的粉末冶金法與傳統粉末冶金法的最大區別在於粉體製備技術的改進，主要有機械合金化法、共沉澱法、溶膠-凝膠法和原位還原法等。採用機械合金化法雖然無需燒結、熔融鑄造就可得到顆粒細小、分散均勻的複合材料，但球磨的過程中複合粉末容易受到汙染，製品晶粒較大，製品性能低，且由於球磨時間過長而導致生產效率低。共沉澱和溶膠-凝膠法製得的氧化鋁彌散銅複合粉雖然末受還原工藝和原料純度的影響，但燒結製品性能相對較低。3、其它製備新技術近年來湧現出許多彌散強化銅製備新技術，如反應噴射沉積、複合電沉積、真空混合鑄造和放熱彌散法(XD法)等，其主要目的在於保持傳統彌散強化銅製品性能的基礎上簡化製備工藝，降低彌散強化銅的生產成本，以促進彌散強化銅的推廣應用。但是這些新技術在應用中仍有一定的局限性，例如複合電沉積法顆粒在鍍液中的均勻穩定懸浮不易控制，另外製品中Ab03含量和複合材料製品尺寸大小受到限制。彌散強化材料的強度不僅取決於基體和彌散相的本性、而且決定於彌散相的含量、粒度和分布、形態以及彌散相與基體的結合情況，同時也與製備工藝(例如加工方式，加工條件)有關。
發明內容本發明的目的在於提供一種高強高導彌散強化銅合金及其製備方法。使其具有高強度、高導電性、高抗軟化溫度等特點；並有效縮短生產周期，降低成本，使內氧化的時間縮短和效率提高。本發明的製備工藝包括:①合金的熔煉②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)製備薄板③合金薄板的內氧化④內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;內氧化為包埋法，規範為(850。C95(TC)x(315)h;熱壓或熱擠壓的擠壓溫度為900°C950°C。以下對本發明進一步詳細說明①合金的熔煉Ql-Al合金的熔煉為傳統大氣環境下的中頻感應熔煉，也可以在真空或惰性氣體保護下熔煉，然後澆鑄成鑄錠。Cu-Al合金中Al含量(質量分數)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。根據彌散強化理論，彌散強化銅合金強度和硬度的提高，依賴於彌散質點的增加(質點大小不變的情況下)也就是需要Al含量的提高，合金中鋁的含量小於0.10%對銅合金的彌散強化效果不明顯，但含量高於0.30%會增加內氧化很難進行徹底，而且會使後續加工困難，因此選擇A1含量在此範圍能的。②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)製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)，隨後在(850。C95(TC)x(510)h氬氣保護下加熱進行均勻化退火。退火後的坯料用軋制或線切割製取內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氧化溫度和氧化時間的關係，厚度大於2.0mm會使完全內氧化比較困難，增加氧化時間；厚度小於0.3mm會增加加工及處理難度，增加擠壓薄板的結合界面，影響材料的性能。所以確定的較適合的厚度，可以節省內氧化時間，且在後續加工中比較容易。將試樣表面進行清理乾淨(銑削、打磨、酸洗)。③合金薄板的內氧化將表面清理乾淨的薄板試樣進行內氧化，即將合金薄板埋入裝有質量百分比為Cu20:Al203:CU=5:3:2的混合粉末的紫銅管或鋼管中，然後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內氧化，空冷後取樣。Cu-Al合金平板內氧化後，Cu-Al203內氧平板表層和內部的晶粒大小明顯不同，表層晶粒比內部的晶粒細小，具有納米級A1203增強顆粒彌散分布於微米尺寸晶粒基體的良好組織特徵。納米級彌散分布的Al203顆粒提高了材料的硬度和導電率，而且使高溫退火後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合金內氧化過程中，固溶在Cu基體內部的Al內氧化以八1203形態從基體析出，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，因此內氧化後導電率和硬度升高。並且八1203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內氧化，通過熱壓或熱擠壓獲得完全內氧化透的較大型材。內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，提高內氧化溫度可以縮短內氧化時間，但溫度過高會使晶粒長大，後續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氧化，可以節省內氧化時間，提高效率。④內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氧化的的合金薄板，在表面清潔處理後，薄板多層疊合放入包套真空封焊，然後進行熱壓和熱擠壓處理，其熱壓和熱擠壓溫度為90(TC950。C。由於熱壓和熱擠壓製備的Cu-Al203複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，因此板層界面結合較好。⑤合金的加工熱壓和熱擠壓製備的型材可經切削加工製備所需零件，也可經軋制或拉拔製備所需板材或線材。表1是Cu-Al合金粉末與Cu-Al合金平板性能的比較，可以看出該發明方法在縮短生產周期，提高生產效率的同時又保證了材料有良好的性能。表1本發明工藝與傳統工藝製備的Cu-Al203複合材料的性能對比tableseeoriginaldocumentpage7採用本發明用CU-A1合金薄板材料經內氧化製備高導電、高強度、高抗軟化的彌散銅，省略了傳統工藝的合金熔煉、霧化法制合金粉、燒結、壓制等工序，大大縮短了彌散銅的生產周期，降低了成本，提高了生產效率。經熱壓後合金的顯微硬度達到115HV和導電率達到78。/。IACS;抗拉強度達到240MPa。熱擠壓製備的01-八1203合金的顯微硬度達到135HV和導電率達到85%IACS以上；抗拉強度達到450MPa。合金經熱擠壓及60%冷軋形後表現出優良的導電性和抗高溫軟化能力，其軟化溫度達到90(TC以上。使用該方法製備的彌散銅具有高強度、高導電性、高抗軟化溫度等特點。圖1是本發明焊封包套蓋的結構示意圖。圖2是圖1裝入合金薄板後焊封包套蓋的剖視圖。圖3是本發明焊封包套的銅管的結構示意圖。圖4是圖1的焊封的包套結構示意圖。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。製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)製備薄板(D合金薄板的內氧化④內氧化薄板疊合熱壓(D合金的加工。其中合金的熔煉是在大氣環境下採用中頻感應爐進行熔煉，CU-A1合金是以高純陰極銅(Q^99.90wt。/。)及電解鋁(A&99.90wt。/。)為原料，鑄錠規格為鵬0mmxl50mm。合金的熱軋或冷軋制(或線切割)製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)，隨後在90(TCxl0h氬氣保護下加熱進行均勻化退火。退火後的坯料用線切割加工切取厚度為0.5mmx045mm的內氧化用薄平板試樣。金相砂紙對切取試樣表面進行打磨並清洗。合金薄板的內氧化是將表面清理過的合金薄板埋入裝有質量百分比為Cii20:Al203:Cu-5:3:2的混合粉末的紫銅管中，然後紫銅管封焊。密封后的試樣90(TCx3h內氧化，空冷後取樣。內氧化薄板疊合熱壓和熱擠壓是對內氧化透的合金薄板，在表面清潔處理後，多層疊合放入包套中。如圖所示，圖1是在包套4衝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於與真空泵管5和氬氣管8連接，在充氣管1內的真空泵管5和氬氣管8均設置有控制閥6，合金平板7放置在包套內後；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。然後真空封焊，最後進行熱壓處理，熱壓溫度為900°C，經熱壓後的Cu-Al2Cb材料，其硬度和導電率分別達到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製備的型材可經切削加工製備所需零件，也可經軋制或拉拔製備所需板材或線材。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%製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)製備薄板(D合金薄板的內氧化④內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大氣環境下採用中頻感應爐進行熔煉，Cu-Al合金是採用高純陰極銅(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)製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)，隨後在90(TCxl0h氬氣保護下加熱進行均勻化退火。退火後的坯料用線切割加工切取厚度為0.10mmx(D42mm的內氧化用薄平板試樣。金相砂紙對切取試樣表面進行打磨並清洗。合金薄板的內氧化同實施例1。其密封后的試樣93(T03h內氧化，空冷後取樣。內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後放入銅管並保溫3小時空冷銅管後取樣。然後真空封焊，最後進行熱壓處理，熱擠壓溫度為93(TC，01-八1203平板經熱擠壓後製備的0141203複合材料，其硬度和導電率分別達到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製備的合金塊材進行熱軋、冷軋或拉伸等。對熱擠壓製備的合金進行冷軋變形60%後硬度和導電率分別達到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。權利要求1、一種高強高導彌散強化銅合金，其特徵在於，其是在Cu銅合金基料加入0.10wt。/。0.30wt。/。的Al。2、一種製備權利要求1所述的高強高導彌散強化銅合金的製備方法，其特徵在於本發明的製備工藝包括①合金的熔煉②合金的熱軋或冷軋制(或線切割)製備薄板③合金薄板的內氧化④內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;內氧化為包埋法，規範為(850°C950°C)x(315)h;熱壓或熱擠壓的擠壓溫度為900°C~950°C。3、根據權利要求1所述的高強高導彌散強化銅合金，其特徵在於，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、根據權利要求2所述的高強高導彌散強化銅合金的製備方法，其特徵在於所述的合金薄板內氧化是將厚度0.3mm2.0mm的Cu-Al合金薄板包埋在紫銅管內(外徑050mmx200mm)，管內裝有質量百分比為Cu20:Al203:Cu=5:3:2的合金粉末，製備Cu-Al203合金。5、根據權利要求2所述的高強高導彌散強化銅合金的製備方法，其特徵在於所述的合金薄板的內氧化是將內氧化後的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、根據權利要求2所述的高強高導彌散強化銅合金的製備方法，其特徵在於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，將預擠壓坯料放入，保溫時間為0.5h，然後快速將其放入預熱溫度為40(TC的擠壓模具內擠壓得到棒材，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、根據權利要求2所述的高強高導彌散強化銅合金的製備方法，其特徵在於.-所述的合金熱壓和熱擠壓為合金內氧化薄板在真空包套內，在液壓機上進行。8、根據權利要求2所述的製備的彌散銅合金材料的製備工藝，其特徵在於所述的熱壓和熱擠壓製備的型材可經切削加工製備所需零件，也可經軋制或拉拔製備所需板材或線材。9、根據權利要求5或7所述的高強高導彌散強化銅合金的製備方法，其特徵在於所述的內氧化裝置是在包套(4)上通過銅管(2)連接有充氣管(0，該充氣管為三通管用於與真空泵管(5)和氬氣管(8)連接，在充氣管(1)內設置有控制閥(6)。全文摘要本發明公開的一種高強高導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)製備薄板③合金薄板的內氧化④內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；內氧化為包埋法，規範為(850℃～950℃)×(3～15)h；熱壓或熱擠壓的擠壓溫度為900℃～950℃。採用本發明用Cu-Al合金內氧化薄板材料，經熱壓後合金的顯微硬度達到120HV和導電率達到78％IACS；抗拉強度達到260MPa。經熱擠壓後的Cu-Al2O3合金的顯微硬度達到135HV和導電率達到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日優先權日2007年9月19日發明者任鳳章,鵑孫,張旦聞,張曉楠,趙冬梅,趙秀婷申請人:洛陽理工學院