CN115522096A

CN115522096A - 一种异质片层结构铜铬合金的制备方法

Info

Publication number: CN115522096A
Application number: CN202211240969.7A
Authority: CN
Inventors: 李韶雨; 罗兴蕊; 周华瑞; 熊诗宇; 洪年; 曾龙飞; 杨斌
Original assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Current assignee: Jiangxi University of Science and Technology
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2042-10-11
Also published as: CN115522096B

Abstract

本发明公开了一种异质片层结构铜铬合金及其制备方法，异质片层结构铜铬合金由完全再结晶的纯铜和大变形纳米晶的铜铬合金呈层状交替排列组成，该材料兼具高强高导高弹性能。本发明公开了一种异质片层结构铜铬合金的制备方法，通过将铜铬雾化合金粉与纯铜粉球磨成片层粉末后混合均匀，通过热压烧结来构造异质片层结构，再通过固溶、轧制变形、时效等手段制备出纳米晶增强、粗细晶交替层状分布的异质片层铜铬合金材料，并能通过调控变形量、时效工艺，制备适应不同需要的合金材料。该工艺易于控制和实施，生产效率高、流程短、便于大规模生产。

Description

一种异质片层结构铜铬合金的制备方法

技术领域

本发明涉及合金制备领域，具体而言，涉及一种异质片层结构铜铬合金的制备方法。

背景技术

集成电路是现代电子、计算机和信息工业发展的核心基础，它主要由芯片、引线框架和塑封三部分组成。作为制造集成电路主要材料的引线框架，起着支撑芯片、保护内部元件、连接外部电路和散热的作用，因而引线框架材料在集成电路器件和各组装程序中占有极其重要的地位。随着集成电路向大规模和超大规模以及线路高集成化、高密度化发展，引线框架材料不断更新换代，除了规格上要求短、小、轻、薄，还要求材料具有更优良的综合性能。如：良好的导热、导电、耐磨性能，较高的强度、硬度和高的软化温度等。在这些特性中，强度、导电和导热性是最重要的，引线框架材料在注重合金的机械性能和导电性能的同时，趋向于机械性能和导电性能的平衡。

但传统金属结构材料往往难以同时兼具高强度和优异的延展性，高强和其他性能大多难以共存，甚至相互排斥，这也被称为材料性能悖论。以超大规模集成电路引线框架的理想材料Cu-Cr为例，传统熔炼方法制备的Cu-Cr合金极易出现析出相快速粗化或轧制变形加工后变形晶粒再结晶导致无法起到强化作用的现象。因此，在保证高强度的基础上，提高Cu-Cr合金的导电性能和延展性具有重要意义。

目前改善Cu-Cr合金的性能通常采用成分设计的方法，在二元Cu-Cr合金中添加其他合金元素以获得良好的性能匹配，例如Zr、Ag、In、Y和Ti等。但Ag和In是高成本的合金元素，生产成本高；Y和Ti会显著降低Cu-Cr合金的电导率；添加Zr的Cu-Cr合金具有优良的力学和抗软化性能，但塑性和导电性也会有一定下降。在引线框架材料中有一定应用前景的高性能的Cu-Cr-Zr合金强度可达到600MPa，导电性能仅能达到78％IACS，且制备难度很大，在大气熔炼过程中难以精确控制Zr元素的含量稳定，造成批次性能很不稳定，尚未实现规模化应用。

发明内容

基于此，为了解决现有技术中Cu-Cr合金存在的强度、塑性与导电性难以协同优化的问题。通过构造一种粗细晶交替层状分布的异质片层结构，突破材料性能悖论，实现合金强度、塑性与导电协同提升的问题，本发明提供了一种异质片层结构铜铬合金的制备方法，具体技术方案如下：

一种异质片层结构铜铬合金，所述异质片层结构铜铬合金由完全再结晶的纯Cu相与大变形呈纳米晶的Cu-Cr合金相组成；所述的完全再结晶的纯Cu相晶粒大小为3～5μm；

所述的大变形呈纳米晶的Cu-Cr合金相晶粒大小为100nm～0.5μm；

所述的异质片层结构是粗细晶呈一定规律的交替层状排列。

另外，本申请提供一种异质片层结构铜铬合金的制备方法，包括以下步骤：

将金属粉末放置球磨机中进行球磨处理，得到片状的粉末混合物；

将所述粉末混合物放置于纯氢气中进行还原退火处理，然后装入模具中，再放置烧结炉中进行真空热压烧结处理，得到异质片层结构的铜铬合金锭坯；

将所述异质片层结构的铜铬合金锭坯进行固溶处理以及冷轧处理，根据使用需求状态进行热处理，得到异质片层结构铜铬合金。

进一步地，所述金属粉末为铜铬雾化合金粉与纯铜粉。

进一步地，所述铜铬雾化合金粉的平均粒径为100～200μm。

进一步地，所述铜铬雾化合金粉中Cr的质量分数为0.8～1.2％。

进一步地，所述纯铜粉选用树枝状的电解铜粉，平均粒径为50～100μm。

进一步地，所述球磨处理的转速为200～300r/min，时间为10～15h。

进一步地，所述粉末混合物的平均厚度为0.5～1μm。

进一步地，所述还原退火处理的温度为350℃400℃，时间为3h-4h，在纯氩气条件下随炉冷却。

进一步地，所述真空热压烧结处理的压力为50～100MPa，保压时间为10～20min，温度为850～950℃。

本申请的制备方法简单，可大规模生产；通过优化工艺后，能获得内部组织是由再结晶的铜与大变形的铜铬合金交替层状排列，形成纳米晶增强、粗细晶交替层状分布的异质片层铜铬合金组织，且本发明技术制备的异质片层结构Cu-Cr板带材具有兼具高强高导性能，异质片层材料的层与层之间界面结合良好，加工过程中不开裂，材料经过加工变形和时效处理后，材料整体强度、延伸率以及导电性能优异。能有效解决现有技术中金属材料难以同时兼具高强度和优异的延展性，高强和其他性能大多难以共存，甚至相互排斥，存在材料性能悖论的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的异质片层结构铜铬合金的EBSD示意图。

图2为本发明实施例1制备的异质片层结构铜铬合金的TEM示意图。

具体实施方式

本发明一实施例中的一种异质片层结构铜铬合金，所述异质片层结构铜铬合金由完全再结晶的纯Cu相与大变形呈纳米晶的Cu-Cr合金相组成；所述的完全再结晶的纯Cu相晶粒大小为3～5μm；

所述的大变形呈纳米晶的Cu-Cr合金相晶粒大小为100nm～0.5μm；

所述的异质片层结构是粗细晶呈一定规律的交替层状排列。

在其中一个实施例中，所述异质片层结构铜铬合金，纯铜粉相晶粒和铜铬合金构成一个片层状的交替周期，交替周期的厚度为10～20μm。

在其中一个实施例中，所述异质片层结构铜铬合金的抗拉强度为450～850Mpa，延伸率为10～36％，导电为70～98％IACS。

在其中一个实施例中，所述金属粉末为铜铬雾化合金粉与纯铜粉。

在其中一个实施例中，所述铜铬雾化合金粉与所述纯铜粉的质量比为1-5:1-6。

在其中一个实施例中，所述铜铬雾化合金粉的平均粒径为100～200μm。

在其中一个实施例中，所述铜铬雾化合金粉中Cr的质量分数为0.8～1.2％，且Cr过饱和固溶在铜粉中。

在其中一个实施例中，所述纯铜粉选用树枝状的电解铜粉，平均粒径为50～100μm。

在其中一个实施例中，所述球磨处理的转速为200～300r/min，时间为10～15h，球磨介质为无水酒精。能有效延缓粉末冷焊破碎。

在其中一个实施例中，所述粉末混合物的平均厚度为0.5～1μm。

在其中一个实施例中，所述还原退火处理的温度为350℃-400℃，时间为3h-4h，在纯氩气条件下随炉冷却。

在其中一个实施例中，所述真空热压烧结处理的压力为50～100MPa，保压时间为10～20min，温度为850～950℃。

在其中一个实施例中，所述的固溶处理的温度为940～980℃，固溶处理的时间为1h。

在其中一个实施例中，冷轧变形量为≥80％。

在其中一个实施例中，热处理份温度为400～500℃，热处理时间为20～90min。

在其中一个实施例中，所述异质片层结构铜铬合金中晶粒尺寸分布为100nm～5μm。

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述。

实施例1：

一种异质片层结构铜铬合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将Cr的质量分数为1.2％的铜铬雾化合金粉与电解纯铜粉按质量比1:1的配比放入球磨机中进行球磨处理，在无水酒精作为球磨介质的保护下球磨处理，其中球磨处理的参数为：250r/min球磨15h，再200r/min球磨6h，在纯氢气气氛下，制备出厚度为0.5～1μm的片状均匀粉末混合物；

步骤2：将所述粉末混合物放入纯氢气中进行还原退火处理，还原退火处理的温度为400℃，得到呈金属光泽，XRD未见其他杂峰的粉末；

步骤3：将所述步骤2得到的粉末装入合金模具中，放入热压烧结炉中进行真空热压烧结处理，热压烧结的温度为900℃，压力为50MPa，保压时间为20min，得到Φ30mm大小的异质片层结构的铜铬合金锭坯；

步骤4：将所述步骤3得到的铜铬合金锭坯在980℃下固溶1h，在冷水中淬火，使烧结过程中析出的Cr重新固溶进铜基体中后急速冷却来不及析出；

步骤5：将所述步骤4得到的铜铬合金锭坯进行形变，通过轧制的方式，将锭坯沿同一方向反复变形，直到形变量大于80％，得到板材；

步骤6：将所述步骤5得到的板材进行热处理，且热处理的温度为450℃，热处理的时间为60min，通过调控不同的热处理参数，得到适用于不同场景的异质片层结构铜铬合金。

实施例1中制备的铜铬合金固溶后的材料延展性优异，轧制加工过程中不开裂。如图1、2所示，从其微观组织可以看到，材料的内部组织是由再结晶的铜与大变形的铜铬合金交替层状排列，形成纳米晶增强、粗细晶交替层状分布的异质片层铜铬合金组织，层与层之间界面结合良好。

实施例2：

与实施例1相比，实施例2的真空热压烧结处理为：热压烧结的温度为950℃，压力为60MPa，保压时间为20min。其它与实施例1相同。其它与实施例1相同。

实施例3：

与实施例1相比，实施例3板材进行热处理为：热处理的温度为450℃，热处理的时间为40min。其它与实施例1相同。

实施例4：

与实施例1相比，实施例4板材进行热处理为：热处理的温度为450℃，热处理的时间为30min。其它与实施例1相同。

实施例5：

与实施例1相比，实施例5板材进行热处理为：热处理的温度为450℃，热处理的时间为20min。其它与实施例1相同。

对比例1：

与实施例1相比，对比例1中板材为进行热处理。其它与实施例1相同。

对比例2：

与实施例1相比，对比例2中的粉末混合物与实施例1不同，对比例2中的为：将Cr的质量分数为1.2％的铜铬雾化合金粉与电解纯铜粉按质量比1:1混合，得到粉末混合物(即未经过球磨处理)，其它与实施例1相同。

对比例3：

一种异质片层结构铜铬合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤2：将所述粉末混合物装入合金模具中，于900℃的熔炼炉中进行熔融处理，后得到铜铬合金锭坯；

步骤3：将所述步骤2得到的铜铬合金锭坯在980℃下固溶1h，在冷水中淬火，使烧结过程中析出的Cr重新固溶进铜基体中后急速冷却来不及析出；

步骤4：将所述步骤4得到的铜铬合金锭坯进行形变，通过轧制的方式，将锭坯沿同一方向反复变形，直到形变量大于80％，得到板材。

步骤5：将所述步骤4得到的板材进行热处理，且热处理的温度为450℃，热处理的时间为60min，得到铜铬合金。

对实施例1-5得到的铜铬合金以及对比例1-2得到的铜铬合金进行性能分析，结果如下表1所示。

表1：

由表1中的数据分析可知，本申请中通过优化工艺后，能获得兼具高强高导性能，异质片层材料的层与层之间界面结合良好，加工过程中不开裂，材料整体强度、延伸率以及导电性能优异。能有效解决现有技术中金属材料难以同时兼具高强度和优异的延展性，高强和其他性能大多难以共存，甚至相互排斥，存在材料性能悖论的问题。

Claims

1.一种异质片层结构铜铬合金，其特征在于，所述异质片层结构铜铬合金由完全再结晶的纯Cu相与大变形呈纳米晶的Cu-Cr合金相组成；所述的完全再结晶的纯Cu相晶粒大小为3～5μm；

所述的大变形呈纳米晶的Cu-Cr合金相晶粒大小为100nm～0.5μm；

所述的异质片层结构是粗细晶呈一定规律的交替层状排列。

2.一种异质片层结构铜铬合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备如权利要求1所述的异质片层结构铜铬合金，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉末为铜铬雾化合金粉与纯铜粉。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铜铬雾化合金粉的平均粒径为100～200μm。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述铜铬雾化合金粉中Cr的质量分数为0.8～1.2％。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述纯铜粉选用树枝状的电解铜粉，平均粒径为50～100μm。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨处理的转速为200～300r/min，时间为10～15h。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述粉末混合物的平均厚度为0.5～1μm。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述还原退火处理的温度为350℃400℃，时间为3h-4h，在纯氩气条件下随炉冷却。

10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结处理的压力为50～100MPa，保压时间为10～20min，温度为850～950℃。