專利名稱：一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
純銅和現(xiàn)有牌號(hào)的銅合金材料的導(dǎo)電性、強(qiáng)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(shù)迅速發(fā)展對(duì)其綜合性能的要求，Al2O3彌散強(qiáng)化銅(Cu-Al2O3)復(fù)合材料不僅保持了銅基體高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，而且具有優(yōu)越的高溫性能和抗蝕性能，在電阻焊電極、高強(qiáng)度電力線、計(jì)算機(jī)引線框架、連鑄機(jī)結(jié)晶器、替代銀基觸頭材料、電氣開關(guān)觸橋、焊炬噴嘴等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)SCM公司所開發(fā)研制的Glidcop系列Cu-Al2O3銅基復(fù)合材料，其軟化溫度為900°C，導(dǎo)電率為90-92% IACS，抗拉強(qiáng)度也達(dá)540MPa，并已形成規(guī)模化生產(chǎn)，但是其高溫性能，特別是高溫短時(shí)拉伸性能較低，不能滿足高溫承載性能要求。目前傳統(tǒng)的彌散銅的制造技術(shù)多采用粉末冶金法，最開始以外加Al2O3顆粒混合均勻，壓制成型后進(jìn)行燒結(jié)，制成燒結(jié)體。粉末冶金法生產(chǎn)Al2O3彌散強(qiáng)化銅工藝成熟，生產(chǎn)出的復(fù)合材料性能較好，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)效率低，同時(shí)復(fù)合材料界面易受污染。改進(jìn)后的工藝以粉末內(nèi)氧化粉末冶金法應(yīng)用最為廣泛，其常用技術(shù)流成為合金熔煉—制粉一內(nèi)氧化一還原一壓制一燒結(jié)一熱加工一冷加工，這種制造工藝通過內(nèi)氧化原位生成的納米級(jí)Al2O3顆粒，細(xì)小且在基體分布均勻，有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，但是其高溫性能不佳，同時(shí)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。提高Al2O3彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的高溫性能，特別是高溫拉伸性能是目前迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料，其化學(xué)成分組成為重量百分含量為0.05 I. 5%的a-Al2O3，重量百分含量為0.38 0.94%的Y-Al2O3，余量的銅。一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(I)配料取原料a-Al2O3粉末、Cu2O和Cu-Al合金粉末；按照以下重量配比進(jìn)行配料a -Al2O3粉末的重量百分含量為0. 05 I. 5%,Cu2O的重量百分含量為I. 90 4. 75%，余量的Cu-Al合金粉末；之后將原料充分混合；(2)真空或保護(hù)氣氛下形變燒結(jié)內(nèi)氧化將步驟(I)配制好的原料置于石墨模具內(nèi)，然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)內(nèi)氧化，同時(shí)進(jìn)行塑性變形，燒結(jié)爐氣氛為真空或惰性氣體或氨分解氣體，燒結(jié)內(nèi)氧化溫度為950°C，保溫時(shí)間為2 4小時(shí)，形變壓力30 lOOMPa，保壓時(shí)間I 2小時(shí)，制得燒結(jié)體，燒結(jié)體的直徑為30 IOOmm ；⑶熱擠壓將所述燒結(jié)體加熱至900 1000°C，然后進(jìn)行熱擠壓，擠壓比彡10，熱擠壓后空冷至室溫，得到熱擠壓棒材；(4)冷變形成型將熱擠壓棒材在聯(lián)合拉拔機(jī)上進(jìn)行冷拉拔，冷拉拔變形量控制在80%以上，制得氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料。優(yōu)選的,所述Cu-Al合金粉末為水霧法生產(chǎn)的Cu-Al合金粉末,所述Cu-Al合金粉 末中鋁的重量百分含量為0. 20 0. 50%，所述Cu-Al合金粉末的粒度為37. 0 106. 0微 米。所述a -Al2O3粉末的粒度為0. 5 5. 0微米，a -Al2O3粉末的純度為a -Al2O3的重量百分含量> 99. 5%。所述Cu2O的粒度為37. 0 106. 0微米，所述Cu2O的純度為Cu20的重量百分含量彡 99. 5%。本發(fā)明提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料包含Cu基體和Al2O3增強(qiáng)顆粒，原料Cu-Al合金粉末、a -Al2O3粉末和氧化劑Cu2O粉末經(jīng)混合、真空或保護(hù)氣氛下形變燒結(jié)內(nèi)氧化，制得本發(fā)明提供的多混雜氧化鋁粒子增強(qiáng)彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料。原料a-Al2O3粉末的作用主要是防止高溫承載時(shí)阻礙晶界滑動(dòng)，同時(shí)具有奧羅萬(wàn)強(qiáng)化效果；氧化劑Cu2O作用是高溫分解，提供活性
，與固溶態(tài)Al發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)，原料微米級(jí)a-Al2O3顆粒和原料Cu-Al合金粉末中的Al被Cu2O氧化劑氧化原位生成納米級(jí)的Y -Al2O3,形成的不同結(jié)構(gòu)及不同尺寸的Al2O3均勻分布在銅基體上，具有彌散強(qiáng)化效果。本發(fā)明提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料采用多混雜Al2O3制備技術(shù)制得，所謂的多混雜，包括Al2O3來源、結(jié)構(gòu)、尺寸三方面。在本發(fā)明提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料中Al2O3來源有兩個(gè)，一是原料微米級(jí)剛玉結(jié)構(gòu)a -Al2O3，通過釘扎銅基體晶界和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)阻礙晶界的高溫滑動(dòng)來提高氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度；另外一種是通過Cu-Al合金內(nèi)氧化生成的納米級(jí)面心立方結(jié)構(gòu)Y-Al2O3釘扎亞晶界，提高形變基體的再結(jié)晶抗力，改善氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的高溫軟化抗力，同時(shí)由于固溶于銅晶格中的鋁原子以Y-Al2O3的形式析出，因此銅基體的導(dǎo)電性顯著提高。采用本發(fā)明提供的制備方法制得的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的性能指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度500-610MPa，導(dǎo)電率80-90% IACS，600°C短時(shí)拉伸強(qiáng)度彡150MPa。本發(fā)明提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法具有內(nèi)氧化時(shí)間短、成本低、效率聞的優(yōu)點(diǎn)，制得的氧化招粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料具有聞強(qiáng)度、聞導(dǎo)電性、聞抗軟化溫度、高的高溫強(qiáng)度，可滿足微電子行業(yè)和電子信息行業(yè)對(duì)高導(dǎo)高強(qiáng)耐高溫銅合金的要求，可用于電阻焊電極、高強(qiáng)度電力線、計(jì)算機(jī)引線框架、連鑄機(jī)結(jié)晶器、替代銀基觸頭材料、電氣開關(guān)觸橋、焊炬噴嘴等領(lǐng)域，在機(jī)械工業(yè)、國(guó)防工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)具有廣泛應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
本實(shí)施例提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的化學(xué)成分組成為重量百分含量為0.05%的a-Al2O3，重量百分含量為0.38%的Y-Al2O3，余量的銅。本實(shí)施例提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(I)配料取以下原料水霧法生產(chǎn)的Cu-Al合金粉，其鋁含量為0. 20wt%，粒度37. 0-106. 0微米；a -Al2O3粉末，粒度0. 5-5. 0微米，純度彡99. 5wt % ;氧化劑Cu2O粉末，粒度37. 0-106. 0 微米，純度彡 99. 5wt% ；按照以下重量配比進(jìn)行配料a -Al2O3粉末的重量百分含量為0. 05%，Cu2O的重量百分含量為I. 90%，余量的Cu-Al合金粉末；之后采用V型混粉機(jī)將原料充分混合3小時(shí)；

(2)真空形變燒結(jié)內(nèi)氧化將步驟(I)混配好的原料粉末置于石墨模具內(nèi)，然后放入真空高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)內(nèi)氧化，同時(shí)進(jìn)行塑性變形，燒結(jié)內(nèi)氧化溫度為950°C，保溫時(shí)間4小時(shí)，形變壓力35MPa，保壓時(shí)間I小時(shí)，此階段同步完成固溶Al的內(nèi)氧化和粉末混合體的致密化，制得燒結(jié)體，燒結(jié)體直徑為50mm ；(3)熱擠壓將所述燒結(jié)體加熱至1000°C，在壓力機(jī)上進(jìn)行熱擠壓，擠壓比為10，得到直徑15. 8mm的棒材,之后空冷至室溫；(4)冷變形成型將直徑15. 8mm的熱擠壓棒材在LLB型10噸聯(lián)合拉拔機(jī)上進(jìn)行多道次冷拉拔,冷拉拔至直徑為7. 0mm，冷拉拔變形量為80%，制得氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料。本發(fā)明制得的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的性能指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度550MPa，導(dǎo)電率89% IACS，600°C短時(shí)拉伸強(qiáng)度170MPa。實(shí)施例2本實(shí)施例提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的化學(xué)成分組成為重量百分含量為0.75%的a-Al2O3，重量百分含量為0.66%的Y-Al2O3，余量的銅。本實(shí)施例提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟⑴配料取以下原料水霧法生產(chǎn)的Cu-Al合金粉，其鋁含量為0. 35wt%，粒度37. 0-106. 0微米；a -Al2O3粉末，粒度0. 5-5. 0微米，純度彡99. 5wt % ;氧化劑Cu2O粉末，粒度37. 0-106. 0 微米，純度彡 99. 5wt% ；按照以下重量配比進(jìn)行配料a -Al2O3粉末的重量百分含量為0. 75%，Cu2O的重量百分含量為3. 30%，余量的Cu-Al合金粉末；之后采用V型混粉機(jī)將原料充分混合3小時(shí)；(2)氮?dú)獗Ｗo(hù)形變燒結(jié)內(nèi)氧化將步驟(I)混配好的原料粉末置于石墨模具內(nèi)，然后放入氣氛保護(hù)高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)內(nèi)氧化，同時(shí)進(jìn)行塑性變形，保護(hù)氣氛為氮?dú)猓瑹Y(jié)內(nèi)氧化溫度為950°C，保溫時(shí)間2小時(shí)，形變壓力60MPa，保壓時(shí)間2小時(shí)，此階段同步完成固溶Al的內(nèi)氧化和粉末混合體的致密化，制得燒結(jié)體，燒結(jié)體直徑為80mm ；
(3)熱擠壓將所述燒結(jié)體加熱至950°C，在壓力機(jī)上進(jìn)行熱擠壓，擠壓比為14，得到直徑21. 4mm的棒材,之后空冷至室溫；(4)冷變形成型將直徑21. 4mm的熱擠壓棒材在LLB型10噸聯(lián)合拉拔機(jī)上進(jìn)行多道次冷拉拔，冷拉拔至直徑為9. 3mm，冷拉拔變形量為81 %，制得氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料。本發(fā)明制得的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的性能指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度590MPa，導(dǎo)電率82% IACS，600°C短時(shí)拉伸強(qiáng)度190MPa。實(shí)施例3 本實(shí)施例提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的化學(xué)成分組成為重量百分含量為I. 5%的a-Al2O3，重量百分含量為0.94%的Y-Al2O3，余量的銅。本實(shí)施例提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟(I)配料取以下原料水霧法生產(chǎn)的Cu-Al合金粉，其鋁含量為0. 50wt%，粒度37. 0-106. 0微米；a -Al2O3粉末，粒度0. 5-5. 0微米，純度彡99. 5wt % ;氧化劑Cu2O粉末，粒度37. 0-106. 0 微米，純度彡 99. 5wt% ；按照以下重量配比進(jìn)行配料a -Al2O3粉末的重量百分含量為I. 5%,Cu2O的重量百分含量為4. 75%，余量的Cu-Al合金粉末；之后采用V型混粉機(jī)將原料充分混合3小時(shí)；(2)氮?dú)獗Ｗo(hù)形變燒結(jié)內(nèi)氧化將步驟(I)混配好的原料粉末置于石墨模具內(nèi)，然后放入氣氛保護(hù)高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)內(nèi)氧化，同時(shí)進(jìn)行塑性變形，保護(hù)氣氛為氨分解氣，燒結(jié)內(nèi)氧化溫度為950°C，保溫時(shí)間4小時(shí)，形變壓力35MPa，保壓時(shí)間2小時(shí)，此階段同步完成固溶Al的內(nèi)氧化和粉末混合體的致密化，制得燒結(jié)體，燒結(jié)體直徑為IOOmm ；⑶熱擠壓將所述燒結(jié)體加熱至1000°C，在壓力機(jī)上進(jìn)行熱擠壓，擠壓比為18，得到直徑23. 6mm的棒材,之后空冷至室溫；(4)冷變形成型將直徑23. 6mm的熱擠壓棒材在LLB型10噸聯(lián)合拉拔機(jī)上進(jìn)行多道次冷拉拔,冷拉拔至直徑為10. 0mm，冷拉拔變形量為82%，制得氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料。本發(fā)明制得的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的性能指標(biāo)為抗拉強(qiáng)度610MPa，導(dǎo)電率80% IACS，600°C短時(shí)拉伸強(qiáng)度200MPa。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料，其特征在于，所述氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的化學(xué)成分組成為重量百分含量為0.05 I. 5%的a-Al2O3，重量百分含量為0.38 0.94%的Y-Al2O3，余量的銅。
2.—種權(quán)利要求I所述的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)配料 取原料a -Al2O3粉末、Cu2O和Cu-Al合金粉末；按照以下重量配比進(jìn)行配料a -Al2O3粉末的重量百分含量為0. 05 1.5%，Cu2O的重量百分含量為I. 90 4. 75%，余量的Cu-Al合金粉末；之后將原料充分混合； (2)真空或保護(hù)氣氛下形變燒結(jié)內(nèi)氧化 將步驟(I)配制好的原料置于石墨模具內(nèi)，然后放入高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)內(nèi)氧化，同時(shí)進(jìn)行塑性變形，燒結(jié)爐氣氛為真空或惰性氣體或氨分解氣體，燒結(jié)內(nèi)氧化溫度為950°C，保溫時(shí)間為2 4小時(shí)，形變壓力30 lOOMPa，保壓時(shí)間I 2小時(shí)，制得燒結(jié)體，燒結(jié)體的直徑為30 IOOmm ； (3)熱擠壓 將所述燒結(jié)體加熱至900 1000°C，然后進(jìn)行熱擠壓，擠壓比> 10，熱擠壓后空冷至室溫，得到熱擠壓棒材； (4)冷變形成型 將熱擠壓棒材在聯(lián)合拉拔機(jī)上進(jìn)行冷拉拔，冷拉拔變形量控制在80 %以上，制得氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述Cu-Al合金粉末為水霧法生產(chǎn)的Cu-Al合金粉末，所述Cu-Al合金粉末中鋁的重量百分含量為0. 20 0. 50%，所述Cu-Al合金粉末的粒度為37. 0 106. 0微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述a -Al2O3粉末的粒度為0. 5 5. 0微米，a -Al2O3粉末的純度為a -Al2O3的重量百分含量彡99. 5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述Cu2O的粒度為37. 0 106. 0微米，所述Cu2O的純度為=Cu2O的重量百分含量彡 99. 5%。
全文摘要
本發(fā)明涉及電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料及其制備方法。所述氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的化學(xué)成分組成為重量百分含量為0.05～1.5％的α-Al2O3，重量百分含量為0.38～0.94％的γ-Al2O3，余量的銅。本發(fā)明提供的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料的制備方法具有內(nèi)氧化時(shí)間短、成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，制得的氧化鋁粒子彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、高抗軟化溫度、高的高溫強(qiáng)度，可滿足微電子行業(yè)和電子信息行業(yè)對(duì)高導(dǎo)高強(qiáng)耐高溫銅合金的要求，在機(jī)械工業(yè)、國(guó)防工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)具有廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102676867SQ20121000617
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者任鳳章, 劉勇, 宋克興, 張毅, 楊雪瑞, 田保紅, 賈淑果, 龍永強(qiáng) 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)