CN105039776A - 一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。该点焊电极用弥散强化铜基复合材料由以下质量百分数的组分组成：TiC5～10％，Ce？0.5～1％，La₂O₃？0.5～1％，Al₂O₃？0.1～1％，余量为Cu。其中，TiC具有硬度高、熔点高、热稳定性好的特性，且TiC与Cu互不固溶，所制备的复合材料既有TiC高强度、高硬度、高熔点特性，又有Cu高导电、高导热等特性，TiC还能提高铜的强度、耐磨性及耐高温性能；而轻稀土元素Ce及轻稀土氧化物La₂O₃具有强化晶界和细化晶粒的作用，能够提高复合材料的强度和加工性能。

Description

一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料，以及该复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

高强度高导电铜基复合材料是一类具有优良综合性能的新型功能材料，既具有优良的导电性，又具有高的强度和优越的高温性能。随着电子工业的发展，尤其是上世纪70年代末美国SCM公司开发了Glidcop系列Al₂O₃弥散强化Cu复合材料以后，高强度高导电铜基复合材料在美国、日本等发达国家开发研究异常活跃，并已进入实用化阶段。而我国对这类材料的研究起步较晚，到上世纪80年代末90年代初进行了这类材料的研究，但尚未进入实用化阶段。纯铜和现有牌号的铜合金材料的耐磨性、导电性、强度及高温性能往往难以兼顾，不能全面满足航空、航天、微电子等高技术迅速发展对其综合性能的要求，如微电子器件点焊电极材料要求：硬度≥110HBS，电导率≥85％IACS，抗高温软化温度≥923K。

弥散铜是一种具有高耐磨、高导电、高强度、高抗软化温度的优良电子结构功能材料，广泛应用于大功率电真空管、微电子器件管脚、集成电路引线框架、微波通信、电力输送等领域，在国防工业和电子信息产业具有广泛应用。

传统弥散铜的制造技术多采用粉末冶金法，其中以粉末内氧化粉末冶金法应用最为广泛，其常用技术流程为：合金熔炼→制粉→内氧化→还原→压制→烧结→热加工→冷加工。由于这种制造技术工艺流程复杂，造成材料质量控制困难，成本非常高，极大地限制了其推广应用。我国市场上的弥散铜大多为美国、日本公司产品，国产规模非常小，难以满足国防和社会发展需求。

弥散强化Al₂O₃-Cu复合材料，不仅强度高，导电性和纯铜相近，而且还具有良好的抗电弧烧蚀、抗电磨损能力及较高的常温强度和高温强度，是一种具有广阔应用前景的新型结构与功能材料。随着电子工业的发展，对这类高耐磨、高纯度、高导电复合、材料的需求越来越大。

弥散强化铜的发展主要是制备技术的发展。弥散强化铜制备技术的关键是如何获得超细强化微粒均匀分布在高导电的纯铜基体之上，以获得高弥散强化效果的高导电铜基复合材料。其制备技术主要发展经历了传统的粉末冶金法、改进的粉末冶金法和其它制备新技术。

弥散强化材料的强度不仅取决于基体和弥散相的本性、而且决定于弥散相的含量、粒度和分布、形态以及弥散相与基体的结合情况，同时也与制备工艺(例如加工方式，加工条件)有关。弥散强化材料因有低的延展性，需要加以重视和改进，但是弥散强化材料在性能上的优越性还是占主要的。

中国专利(申请号：201210361535.2)公开了一种高耐磨高强度高导电点焊电极的制备方法，包括以下步骤：(1)分别称取Cu₂O、Cu-Al、TiC粉末，混合后在转速30rpm下球磨12～16h；Cu₂O粉末的粒度为200目，用量为Cu-Al合金质量的2.5～5％；Cu-Al粉末的粒度为200目，Cu-Al中铝含量不大于0.5wt％；TiC粉末的粒度为20～60mm，占混合粉末总质量的12.14～26.56％；(2)将球磨后的混合粉末装入石墨模具，在30MPa条件下预压5min；(3)将步骤(2)中装有混合粉末并经过预压的模具整体置于真空热压烧结炉中，在烧结温度900～1000℃、真空度1.5×10^-2MPa、压制压强20～40MPa条件下热压烧结1～2h，然后撤去压力烧结1～4h，得到完全内氧化的弥散铜；(4)取步骤(3)中弥散铜加工为所需尺寸的产品。该方法制备的弥散铜点焊电极具有高耐磨性、高强度、高导电性、高抗软化温度的特点，其中弥散铜-TiC(30％)导电率82.6％IACS，显微硬度175HV，致密度99.15％，导热系数90.14W·m^-1·K^-1，点焊电极寿命(焊点)为6.8～7.2万次，软化温度高于650℃。然而，该点焊电极材料的电导率低于微电子器件点焊电极材料电导率≥85％IACS的标准，且软化温度、导电性和抗软化性能仍有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料。

同时，本发明还提供一种上述弥散强化铜基复合材料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的组分组成：TiC5～10％，Ce0.5～1％，La₂O₃0.5～1％，Al₂O₃0.1～1％，余量为Cu。该复合材料可采用如背景技术中所述方法制备，不同之处仅在于步骤(1)中多添加了Ce粉末和La₂O₃粉末。

一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的原料制成：TiC粉末5～10％、Ce粉末0.5～1％、La₂O₃粉末0.5～1％、反应量的Cu₂O粉末，余量为Cu-Al合金粉末，Cu-Al合金粉末中Al含量不大于0.5wt％。

所述TiC粉末的粒度为5～15μm，中位粒度为10μm。

所述Ce(用作促界面结合剂)粉末的粒度为0.5～3μm。

所述La₂O₃(用作活化剂)粉末的粒度为0.2～1μm。

所述Cu-Al合金粉末中Al含量优选为0.1～0.5wt％，相应的，原料中Cu₂O粉末的质量百分数为0.5～4％。

所述Cu₂O粉末的粒度为20～60μm，中位粒度为30μm，主要为内氧化提供氧源。

所述Cu-Al合金(低固溶度合金)粉末的粒度低于200目。Cu-Al合金粉末可采用常规的水雾法制备。

一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照质量百分数取各原料，将五种粉末混合球磨至粒度低于200目但不过400目；

(2)将球磨后的混合粉末装入模具中，进行真空热压烧结，烧结温度为980～1030℃，内氧化时间为1～3h，压制压强为35～55MPa，总加压时间为0.5～1h，得到弥散铜基复合材料。

步骤(1)中所述球磨可采用QM-3SP20行星式球磨机，在35～45rpm转速下球磨1.5～3小时。

步骤(2)中混合粉末装入模具后，先进行预压，再进行真空热压烧结。预压的压强为50～100MPa，时间为10～20min。预压的目的是保证混合粉末完全压实。

步骤(2)中真空热压烧结采用VPF-350真空热压炉，将装有混合粉末并经过预压的模具整体置于真空热压炉中进行真空热压烧结内氧化。

步骤(2)中真空热压烧结的真空度为1.0×10^-2～1.0×10^-4Pa。

步骤(2)中真空热压烧结的过程中有加压-卸压操作，总加压时间即几段压制时间的总和，其不包含预压的时间。

步骤(2)中得到弥散铜基复合材料后，加工变形即得点焊电极。所述加工变形为冷挤压变形、热挤压变形或轧制变形。对于形状复杂的微电子器件或点焊电极零部件，在满足尺寸要求的同时，通过冷变形可以进一步提高弥散铜的强度，并且由于纳米氧化铝颗粒和微粒碳化钛的弥散分布，可以将这种形变强化效果保留到较高温度。冷(热)挤压变形可采用一次挤压成形或多道次轧制成形。

本发明的有益效果：

本发明中弥散铜基复合材料采用TiC、轻稀土Ce及轻稀土氧化物La₂O₃粉末，其中TiC具有硬度高、熔点高、热稳定性好的特性，在金属铜中添加TiC颗粒(或纤维)，TiC与Cu互不固溶，所制备的复合材料既有TiC高强度、高硬度、高熔点特性，又有Cu高导电、高导热等特性，另外TiC还能提高铜的强度、耐磨性及耐高温性能。轻稀土元素Ce及轻稀土氧化物La₂O₃具有强化晶界和细化晶粒的作用，能够提高复合材料的强度和加工性能。

采用本发明弥散铜基复合材料制备的点焊电极具有高强度、高耐磨性、高导电性、高抗软化温度、高抗电弧侵蚀等特性，电导率在85％IACS以上，致密度高于98％，使用寿命比常规的铜合金点焊电极提高9～10倍，软化温度达到690℃以上，可用于大功率电真空管、微电子器件管脚、集成电路引线框架、微波通信、电力输送等领域，在国防工业和电子信息产业也具有广泛应用。

本发明中弥散铜基复合材料的制备方法具有内氧化时间短、成本低、效率高的优点，适于大规模工业化生产。

具体实施方式

下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

本实施例中的点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的组分组成：TiC8％，Ce0.7％，La₂O₃0.8％，Al₂O₃0.1％，余量为Cu。该复合材料参照背景技术中所述方法制备，不同之处仅在于步骤(1)中多添加了Ce粉末和La₂O₃粉末。

实施例2

本实施例中的点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的组分组成：TiC5％，Ce0.5％，La₂O₃0.5％，Al₂O₃0.5％，余量为Cu。制备方法同实施例1。

实施例3

本实施例中的点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的组分组成：TiC10％，Ce1％，La₂O₃1％，Al₂O₃1％，余量为Cu。制备方法同实施例1。

实施例4

本实施例中的点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的原料制成：TiC粉末(粒度10μm)8％、Ce粉末(粒度1μm)0.7％、La₂O₃粉末(粒度0.5μm)0.8％、Cu₂O粉末(粒度30μm)0.8％，余量为Cu-Al合金粉末(粒度200目)，Cu-Al合金粉末中Al含量为0.09％。

点焊电极用弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照上述质量百分数取各原料，将五种粉末混合后置于QM-3SP20行星式球磨机上，在30rpm转速下球磨2h，得到粒度为300目的混合粉末；

(2)将球磨后的粉末装入石墨模具中(模腔尺寸为φ50mm×30mm)，在50MPa压力下预压20min，再连同模具整体置于VPF-350真空热压炉中进行真空热压烧结，真空度为1.5×10^-3Pa，烧结温度为1000℃，内氧化时间为2h，内氧化30min后加压20min，压制压强为45MPa，再卸压30min，然后再加压40min，总加压时间为1h，得到内氧化完全、致密度为99.3％的整体TiC/Ce/La₂O₃/Cu-Al₂O₃块。

上述制备的弥散强化铜基复合材料包含Cu、Al、Ti、C、Ce、La和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在，Al₂O₃的含量为0.17wt％，Ti和C以TiC增强相的形式存在(含量8wt％)，Ce为促界面结合剂(含量0.7wt％)，La和O以La₂O₃存在作为活化剂和界面结合增强剂(含量0.8wt％)，余量为Cu。

将整体TiC/Ce/La₂O₃/Cu-Al₂O₃块用锯床切割成直径7mm、长30mm的小段，在SXL-1200型箱式电阻炉中加热至900℃，保温30min，再在YT32-400型四柱液压机上热挤压成直径4mm的微电子器件点焊电极。制得电焊电极材料具有的导电率为86.8％，硬度为185HV，电焊电极寿命为7.2～7.5万次，软化温度高于698℃。

实施例5

本实施例中的点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的原料制成：TiC粉末(粒度10μm)5％、Ce粉末(粒度0.5μm)0.5％、La₂O₃粉末(粒度0.2μm)0.5％、Cu₂O粉末(粒度30μm)2.5％，余量为Cu-Al合金粉末(粒度200目)，Cu-Al合金粉末中Al含量为0.3％。

点焊电极用弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照上述质量百分数取各原料，将五种粉末混合后置于QM-3SP20行星式球磨机上，在30rpm转速下球磨2h，得到粒度为300目的混合粉末；

(2)将球磨后的粉末装入石墨模具中(模腔尺寸为φ50mm×30mm)，在50MPa压力下预压20min，再连同模具整体置于VPF-350真空热压炉中进行真空热压烧结，真空度为1.5×10^-3Pa，烧结温度为980℃，内氧化时间为2h，内氧化30min后加压20min，压制压强为35MPa，再卸压30min，然后再加压40min，总加压时间为1h，得到内氧化完全、致密度为99.0％的整体TiC/Ce/La₂O₃/Cu-Al₂O₃块。

上述制备的弥散强化铜基复合材料包含Cu、Al、Ti、C、Ce、La和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在，Al₂O₃的含量为0.52wt％，Ti和C以TiC增强相的形式存在(含量5wt％)，Ce为促界面结合剂(含量0.5wt％)，La和O以La₂O₃存在作为活化剂和界面结合增强剂(含量0.5wt％)，余量为Cu。

将整体TiC/Ce/La₂O₃/Cu-Al₂O₃块用锯床切割成直径7mm、长30mm的小段，在SXL-1200型箱式电阻炉中加热至900℃，保温30min，再在YT32-400型四柱液压机上热挤压成直径4mm的微电子器件点焊电极。制得电焊电极材料具有的导电率为86.5％，硬度为182HV，电焊电极寿命为6.9～7.3万次，软化温度高于694℃。

实施例6

本实施例中的点焊电极用弥散强化铜基复合材料，由以下质量百分数的原料制成：TiC粉末(粒度10μm)10％、Ce粉末(粒度3μm)1.0％、La₂O₃粉末(粒度1μm)1.0％、Cu₂O粉末(粒度30μm)3.7％，余量为Cu-Al合金粉末(粒度200目)，Cu-Al合金粉末中Al含量为0.42％。

点焊电极用弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照上述质量百分数取各原料，将五种粉末混合后置于QM-3SP20行星式球磨机上，在30rpm转速下球磨2h，得到粒度为300目的混合粉末；

(2)将球磨后的粉末装入石墨模具中(模腔尺寸为φ50mm×30mm)，在50MPa压力下预压20min，再连同模具整体置于VPF-350真空热压炉中进行真空热压烧结，真空度为1.5×10^-3Pa，烧结温度为1030℃，内氧化时间为2h，内氧化30min后加压20min，压制压强为55MPa，再卸压30min，然后再加压40min，总加压时间为1h，得到内氧化完全、致密度为98.7％的整体TiC/Ce/La₂O₃/Cu-Al₂O₃块。

上述制备的弥散强化铜基复合材料包含Cu、Al、Ti、C、Ce、La和O元素，其中Al和O以氧化铝第二相的形式存在，Al₂O₃的含量为0.8wt％，Ti和C以TiC增强相的形式存在(含量10wt％)，Ce为促界面结合剂(含量1.0wt％)，La和O以La₂O₃存在作为活化剂和界面结合增强剂(含量1.0wt％)，余量为Cu。

将整体TiC/Ce/La₂O₃/Cu-Al₂O₃块用锯床切割成直径7mm、长30mm的小段，在SXL-1200型箱式电阻炉中加热至900℃，保温30min，再在YT32-400型四柱液压机上热挤压成直径4mm的微电子器件点焊电极。制得电焊电极材料具有的导电率为85.7％，硬度为178HV，电焊电极寿命为6.5～7.1万次，软化温度高于692℃。

上述实例中QM-3SP20星式球磨机购自河南兄弟仪器设备有限公司；VPF-350真空热压烧结炉购自宜兴市经纬电炉有限公司；SXL-1200箱式电阻炉购自郑州宏朗仪器设备有限公司；四柱液压机YT32-400购自滕州市方滕机械厂。

Claims (10)

1.一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料，其特征在于：由以下质量百分数的组分组成：TiC5～10％，Ce0.5～1％，La₂O₃0.5～1％，Al₂O₃0.1～1％，余量为Cu。

2.一种点焊电极用弥散强化铜基复合材料，其特征在于：由以下质量百分数的原料制成：TiC粉末5～10％、Ce粉末0.5～1％、La₂O₃粉末0.5～1％、Cu₂O粉末0.5～4％，余量为Cu-Al合金粉末，Cu-Al合金粉末中Al含量为0.1～0.5wt％。

3.根据权利要求2所述的弥散强化铜基复合材料，其特征在于：所述TiC粉末的粒度为5～15μm。

4.根据权利要求2所述的弥散强化铜基复合材料，其特征在于：所述Ce粉末的粒度为0.5～3μm。

5.根据权利要求2所述的弥散强化铜基复合材料，其特征在于：所述La₂O₃粉末的粒度为0.2～1μm。

6.根据权利要求2所述的弥散强化铜基复合材料，其特征在于：所述Cu₂O粉末的粒度为20～60μm。

7.根据权利要求2所述的弥散强化铜基复合材料，其特征在于：所述Cu-Al合金粉末的粒度低于200目。

8.如权利要求2～7中任一项所述的点焊电极用弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)按照质量百分数取各原料，将五种粉末混合球磨至粒度低于200目但不过400目；

(2)将球磨后的混合粉末装入模具中，进行真空热压烧结，烧结温度为980～1030℃，内氧化时间为1～3h，压制压强为35～55MPa，总加压时间为0.5～1h，得到弥散铜基复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中混合粉末装入模具后，先进行预压，再进行真空热压烧结，预压的压强为50～100MPa，时间为10～20min。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中真空热压烧结的真空度为1.0×10^-2～1.0×10^-4Pa。