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良綜合性能的新型功能材料，既具有優良的導電性，又具有高的強度和優越的高溫性能。隨著電子工業的發展，尤其是上世紀70年代末美國SCM公司開發了 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、日本等發達國家開發研究異常活躍，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，在國防工業和電子信息產業具有廣泛應用。傳統彌散銅的制造技術多采用粉末冶金法，其中以粉末內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。

發明內容
本發明為了解決上述導電性差、成本高、材料質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，而且具有內氧化時間短、成本低、效率高的優點。本發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進行球磨，采用的轉速為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，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，所述的燒結與內氧化同步進行，獲得完全內氧化的彌散銅，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品。本發明，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。本發明的有益效果
1、本發明使用低固溶度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。本發明采用真空熱壓燒結爐使燒結內氧化同時進行，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，本發明采用預壓操作，本發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，國內彌散銅-Mo(30%)導電率48. 6%IACS，顯微硬度146HV，致密度96. 90%，國內彌散銅-WC (30%)導電率49. 1%IACS,顯微硬度153HV，致密度95. 52%，國內彌散銅-W (50%)導電率46%IACS，顯微硬度135HV，致密度95. 52%，傳統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90. HWXnr1Xr1,約為純銅的3倍，本發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，利用本發明工藝方法制備的彌散銅點焊電極與現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，而且具有內氧化時間短、成本低、效率高的優點。
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進行球磨，采用的轉速為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，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，所述的燒結與內氧化同步進行，獲得完全內氧化的彌散銅，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粉質量百分數為2. 5%進行稱重，TiC粉末按照總質量的5. 7wt%稱重，將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內進行球磨，采用的轉速為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、內氧化時間為6h的條件下進行真空熱壓燒結內氧化，獲得完全內氧化的彌散銅；
(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粉質量百分數為3. 7%進行稱重，TiC粉末按照總質量的19. 22wt%稱重，將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內進行球磨，采用的轉速為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、內氧化時間為4h的條件下進行真空熱壓燒結內氧化，獲得完全內氧化的彌散銅；
(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粉質量百分數為5%進行稱重，TiC粉末按照總質量的12. 14wt%稱重,將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內進行球磨,米用的轉速為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、內氧化時間為2h的條件下進行真空熱壓燒結內氧化，獲得完全內氧化的彌散銅；
(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粉質量百分數為3. 7%進行稱重，TiC粉末按照總質量的19. 22wt%稱重,將三種粉末混合后置于QQM/B球磨機內進行球磨,采用的轉速為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、內氧化時間為2h的條件下進行真空熱壓燒結內氧化，獲得完全內氧化的彌散銅；
(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進行球磨，采用的轉速為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，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，所述的燒結與內氧化同步進行，獲得完全內氧化的彌散銅，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品。
2.根據權利要求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，含量在占總質量的5.7wt%~19.22wt%，氧化劑按質量百分比占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；內氧化；冷(熱)擠壓(軋制)變形；其中氧化劑為工業Cu2O，燒結內氧化同步進行，燒結溫為900~1000℃，內氧化時間2~6h；本發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，而且具有內氧化時間短、成本低、效率高的優點。
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 優先權日2012年9月26日
發明者劉勇, 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