專利名稱：一種高強高導(dǎo)電銅－稀土合金材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬電子材料領(lǐng)域，涉及一種高強高導(dǎo)銅-稀土合金材料及制備工藝，尤其涉及一種高強度高導(dǎo)電銅鉻釹合金及其制備工藝。
背景技術(shù)：
研制、開發(fā)高強度高導(dǎo)電銅基導(dǎo)電材料一直是銅合金研究的熱點之一。許多應(yīng)用領(lǐng)域要求所用材料需高傳導(dǎo)性及高強度兼?zhèn)洹８鶕?jù)不同的結(jié)構(gòu)和性能特點，高強度高導(dǎo)電銅基材料可分為高強高導(dǎo)銅合金和高強高導(dǎo)銅基復(fù)合材料兩大類。兩類材料在強化機制、制備工藝、性能特點乃至應(yīng)用領(lǐng)域等方面都不盡相同。近年來，綜合利用各種強化方法，高強度高導(dǎo)電銅基材料的性能得到了很大的提高。
固溶強化、形變強化、晶界強化、析出強化、復(fù)合強化是在設(shè)計高強高導(dǎo)銅基材料時五種主要的強化手段，其本質(zhì)都是通過阻止位錯的運動以強化材料。前四種強化手段通常運用于銅合金的強化，復(fù)合強化主要用于銅基復(fù)合材料的強化。目前高性能的高強高導(dǎo)銅基材料往往綜合利用各種強化機理以最大限度的提高性能，降低成本。由于合金元素以固溶態(tài)存在時會嚴(yán)重影響銅基體導(dǎo)電性能，在設(shè)計高強高導(dǎo)銅合金時，一般原則或是要求所選用的合金元素室溫時在銅基體中具有非常低的固溶度(Cr，Zr，F(xiàn)e，Ag，Be等)，或是合金元素間能夠形成化合物沉淀(Fe2P，Cu3Zr，MgmPn，Ni2Si等)。此外，可加入一些對合金性能有利的輔助元素，如P(脫氧、防止氫脆)、Zn(防止在金屬基體和鍍層間出現(xiàn)脆性相Cu3Sn，Cu5Sn6)和Mg(提高材料抗應(yīng)力松弛特性)等。
對于高強高導(dǎo)形變銅基材料，不僅要求合金元素和銅在室溫下具有非常低的互溶度，同時第二相組元還要具有良好的塑性，以防止在進行大變形時增強相與基體界面開裂。根據(jù)對大量銅合金二元相圖的分析，只有Cu-Ag、Cu-bcc(Nb，Ta，F(xiàn)e，V，Cr，Mo)系滿足上述要求。
析出強化型銅合金的典型制備工藝是熔煉與鑄造-均勻化處理-熱軋-固溶處理-冷軋-時效。對于高導(dǎo)高強銅合金的熔煉與鑄造，主要注重于熔煉及澆注工藝的優(yōu)化，以獲得鑄造缺陷少、成分均勻、雜質(zhì)含量小的母合金鑄錠，并盡可能降低熔煉成本。采用鑄造法制備出母合金鑄錠后，經(jīng)均勻化處理以消除鑄造過程中造成的成分偏析；隨后對鑄錠進行預(yù)變形熱軋，并通過動態(tài)再結(jié)晶消除鑄造及均勻化過程中形成的粗大、不均勻組織。熱軋試樣在一定的溫度進行固溶處理，經(jīng)過一定程度的冷變形處理后進行時效處理。冷變形能夠在合金基體中引入大量的點、線缺陷，這些缺陷能夠作為時效過程中析出相的形核核心和原子的擴散通道，加速析出過程和細(xì)化析出相顆粒。對析出強化型高強高導(dǎo)銅合金，合金性能取決于析出相的種類、與基體界面結(jié)合類型、數(shù)量、形狀、大小、分布以及合金的變形量等。大預(yù)變形、短時時效能夠獲得最高的硬度和較高的導(dǎo)電率。由于稀土元素所具有的獨特性質(zhì)，經(jīng)常將其作為微合金化元素添加在金屬材料中進行改性，少量稀土的添加能夠改變合金的組織結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)含量、界面狀況等，最終影響合金的性能。這種影響既可能是有益的，也可能有害，取決于合金系種類和各類工藝條件。前人對稀土在金屬材料中作用效果的研究工作主要集中在以下幾個方面稀土的凈化、變質(zhì)、微合金化作用及其對材料導(dǎo)電性、加工及力學(xué)性能、耐磨性、抗氧化性的影響等。目前稀土在鋼鐵、鋁中得到了廣泛的應(yīng)用，掌握了大量的實驗數(shù)據(jù)，對其作用效果及機理進行了深入的研究。對稀土在銅合金中的運用無論在理論還是實踐上都不能和前兩者相比。
集成電路引線框架材料是高強高導(dǎo)銅合金一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已占引線框架材料用量的80％以上，開發(fā)出100多種牌號的高、中、低檔引線框架用銅合金系列，表1列出了部分銅合金引線框架材料的主要性能。我國在引線框架銅合金材料的科研及生產(chǎn)上都落后于先進國家，生產(chǎn)品種少、產(chǎn)量低，特別是高級引線框架材料基本依賴進口。雖然目前已經(jīng)有一些引線框架材料生產(chǎn)及加工企業(yè)，但基本靠仿制及技術(shù)引進，很少有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。已有一些科研院所、大專院校進行此類材料的研制開發(fā)，如清華大學(xué)、洛陽工學(xué)院、南昌大學(xué)等，但基本處于實驗室階段，根本不能滿足我國微電子行業(yè)迅猛發(fā)展的需要。因此，目前盡快開發(fā)出新型高強高導(dǎo)及高的軟化溫度的銅基引線框架材料已成為當(dāng)務(wù)之急，具有重要的意義。
表1常用的引線框架合金及性能


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種新的高強高導(dǎo)銅合金材料，在足夠高的強度下依然保持高達88-91％IACS的導(dǎo)電率以及12-15％的延伸率，既可用作要求有良好加工性能的引線框架材料，又可適用于要求高強高導(dǎo)的微電子及電力行業(yè)。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的銅-稀土合金技術(shù)方案如下本發(fā)明合金各成分的按質(zhì)量比為銅∶鉻∶釹為97.6-98.8∶0.4-1.1∶0.02-0.08。
本發(fā)明的高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料的制備工藝，包括合金的熔鑄工藝、合金熔鑄后的處理工藝，合金熔鑄后的處理工藝中直接對合金鑄錠冷軋，再進行時效處理。
本發(fā)明所述制備工藝在合金熔鑄時，直接添加純金屬Cr顆粒，澆鑄溫度為1100℃-1250℃。
本發(fā)明所述制備工藝合金熔鑄時，采用Cu-Nd中間合金，中間合金中的Nd含量為7-18wt％，并加入熔融態(tài)的Cu-Cr合金。
本發(fā)明所述制備工藝在冷軋后，進行時效處理的溫度為380℃-600℃。
本發(fā)明所述制備工藝在添加的金屬Cr顆粒純度為99.7-99.9wt％，顆粒大小為0.5-3.0mm。
本發(fā)明所述制備工藝熔鑄時保持爐內(nèi)真空度為2×10-1Pa-1×10-2Pa。
本發(fā)明合金技術(shù)方案的具體說明如下1.合金的熔鑄工藝
a).Cu-Nd(Nd7-18wt％)中間合金熔鑄在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后加入比例成分的稀土金屬Nd碎塊，于1100℃～1300℃澆鑄成棒料備用。
b).Cu-Cr-Nd合金熔鑄在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后直接加入Cr顆粒，待熔融后加入Cu-Nd中間合金，保溫溫度為1200℃-1350℃，澆鑄溫度為1100℃-1250℃，保持爐內(nèi)真空度為2×10-1Pa-1×10-2Pa。
2.合金熔鑄后的處理工藝澆鑄后的合金鑄錠經(jīng)表面去皮后，不經(jīng)過固溶處理而直接進行冷軋，然后在380℃-600℃進行時效處理，保溫時間30min-60min，隨爐冷卻后取出。
本發(fā)明合金材料具有以下特點抗拉強度為470-510MPa，延伸率為12-15％，導(dǎo)電率為88-91％IACS，軟化溫度為510-540℃。本發(fā)明合金的熔鑄技術(shù)不僅簡化工藝，減少偏析，而且有利于合金成分的精確控制。合金熔鑄后的處理和加工工藝進一步縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了成本。本發(fā)明合金制備工藝簡單，性能優(yōu)異，可廣泛適用于電子工業(yè)和機械行業(yè)等要求高導(dǎo)高強以及較高工作溫度下使用的場合，尤其適用于要求高強高導(dǎo)及良好加工性能的微電子行業(yè)。


圖1Cr元素沿Cu-Cr-Nd鑄錠縱向分布2不同工藝流程對合金硬度的影響圖3不同工藝流程對合金電導(dǎo)率的影響具體實施方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
實施例1原材料采用純度為99.9％的電解銅、純度為99.9％的電解鉻、純度為99.5％的稀土金屬釹。先進行Cu-Nd(Nd8wt％)中間合金熔煉，方法是在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后加入比例成分的稀土金屬Nd碎塊，于1150℃澆鑄成棒料備用。然后按Cu∶Cr∶Nd的質(zhì)量比為98.20∶0.70∶0.03進行Cu-Cr-Nd合金熔煉，在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后直接加入粉碎后純Cr顆粒，顆粒大小為0.5-1.0mm，待熔融后加入Cu-Nd中間合金，保溫溫度為1300℃，澆鑄溫度為1180℃，保持爐內(nèi)真空度為1.5×10-2Pa，澆鑄成的鑄棒。切去澆鑄棒的頭尾，將表面打磨光滑，直接冷軋，累積壓下量約為95％。在真空下進行時效處理，時效溫度430℃，保溫時間35min，隨爐冷卻后取出。經(jīng)上述工藝得到的98.20Cu-0.70Cr-0.05Nd合金導(dǎo)電率達90％IACS，拉伸強度達510MPa，軟化溫度達540℃。
實施例2原材料采用純度為99.9％的電解銅、純度為99.9％的電解鉻、純度為99.5％的稀土金屬釹。先進行Cu-Nd(Nd9wt％)中間合金熔煉，方法是在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后加入比例成分的稀土金屬Nd碎塊，于1100℃澆鑄成棒料備用。然后按Cu∶Cr∶Nd的質(zhì)量比為98.20∶0.90∶0.04進行Cu-Cr-Nd合金熔煉，在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后直接加入粉碎后的純Cr顆粒，顆粒大小為1.8-2.5mm，待熔融后加入Cu-Nd中間合金，保溫溫度為1250℃，澆鑄溫度為1100℃，保持爐內(nèi)真空度為1×10-2Pa，澆鑄成的鑄棒。切去澆鑄棒的頭尾，將表面打磨光滑，直接冷軋，累積壓下量約為95％。在真空下進行時效處理，時效溫度500℃，保溫時間30min，隨爐冷卻后取出。經(jīng)上述工藝得到的98.20Cu-0.90Cr-0.04Nd合金導(dǎo)電率達91％IACS，拉伸強度達500MPa，軟化溫度達530℃。
實施例3原材料采用純度為99.9％的電解銅、純度為99.9％的電解鉻、純度為99.5％的稀土金屬釹。先進行Cu-Nd(Nd12wt％)中間合金熔煉，方法是在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后加入比例成分的稀土金屬Nd碎塊，于1200℃澆鑄成棒料備用。然后按Cu∶Cr∶Nd的質(zhì)量比為98.2∶0.9∶0.06進行Cu-Cr-Nd合金熔煉，在真空中頻感應(yīng)爐中先熔化銅，而后直接加入粉碎后純Cr顆粒，顆粒大小為2.0-3.0mm，待熔融后加入Cu-Nd中間合金，保溫溫度為1200℃，澆鑄溫度為1100℃，保持爐內(nèi)真空度為2×10-2Pa，澆鑄成的鑄棒。切去澆鑄棒的頭尾，將表面打磨光滑，直接冷軋，累積壓下量約為95％。在真空下進行時效處理，時效溫度380℃，保溫時間40min，隨爐冷卻后取出。經(jīng)上述工藝得到的98.2Cu-0.9Cr-0.06Nd合金導(dǎo)電率達88％IACS，拉伸強度達490MPa，軟化溫度達520℃。
本發(fā)明的技術(shù)原理涉及a).低鉻銅鉻合金(含鉻0.4-1.2wt％)熔鑄根據(jù)銅鉻二元相圖可知，銅鉻合金共晶成分在1.28wt％左右。過共晶合金冷卻過程由液相區(qū)進入液固兩相區(qū)時，首先析出初生Cr，由于Cr比重小于Cu，易上浮造成比重偏析，鉻含量越高，偏析越嚴(yán)重，所制得的中間合金成分不均勻，造成以后的合金熔鑄時無法準(zhǔn)確控制成分。但本發(fā)明的合金成分含鉻小于1.28wt％，是亞共晶合金，其溫度間隔和成分間隔都遠(yuǎn)小于過共晶合金，因此凝固時的流動性更好，凝固后的偏析也會更小。為此本發(fā)明采用直接添加純鉻的熔煉技術(shù)，熔鑄后可得到接近名義成分且無宏觀偏析的Cu-Cr-Nd合金鑄件。圖1是經(jīng)輝光放電光譜儀成分分析得到的Cr元素沿鑄錠縱向的分布圖，表明用該工藝澆鑄的鑄錠幾乎無宏觀偏析。
b).冷變形及時效處理冷變形能夠在合金基體中引入大量的點、線缺陷，這些缺陷一方面能夠提高合金的強度，另一方面能夠作為時效過程中析出相的形核核心和原子的擴散通道，加速析出過程和細(xì)化析出相顆粒。有色金屬材料在熔鑄后通常要施行均勻化處理，冷變形前通常要經(jīng)過固溶處理，以達到固溶強化和提高冷變形后時效處理時析出強化效果的目的。本發(fā)明合金由于在熔鑄時已可以得到無偏析合金，固無需均勻化處理；又考慮到本發(fā)明合金熔鑄時并非平衡凝固，合金化元素已有效溶入基體，因此也可省去固溶處理工藝，直接進行冷變形和時效處理。從圖2可見經(jīng)過95％冷軋后的合金并沒有像其它合金那樣在時效過程中硬度明顯下降，說明其回復(fù)和再結(jié)晶速度低于固溶+冷軋+時效合金，這可能是由于合金在澆鑄成鑄錠的過程中冷卻速度低于固溶處理時的淬火冷卻速度，這種相對較低的冷卻速度在基體中保留的過飽和空位較少，而這些空位的存在會促進回復(fù)和再結(jié)晶的進行。另一方面回復(fù)和再結(jié)晶又減少了點缺陷密度，使得合金的電導(dǎo)率有所增加，且效果比采用固溶+冷軋+時效方式處理的合金更明顯(見圖3)。
權(quán)利要求
1.一種高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料，其特征在于合金各成分的按質(zhì)量比為銅∶鉻∶釹為97.6-98.8∶0.4-1.1∶0.02-0.08。
2.一種按權(quán)利要求1所述高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料的制備工藝，包括合金的熔鑄工藝、合金熔鑄后的處理工藝，其特征在于合金熔鑄后的處理工藝中直接對合金鑄錠冷軋，再進行時效處理。
3.一種按權(quán)利要求2所述的高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料的制備工藝，其特征在于合金熔鑄時，直接添加純金屬Cr顆粒，澆鑄溫度為1100℃-1250℃。
4.按權(quán)利要求2和權(quán)利要求3所述的高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料的制備工藝，其特征在于合金熔鑄時，采用Cu-Nd中間合金，中間合金中的Nd含量為7-18wt％，并加入熔融態(tài)的Cu-Cr合金。
5.按權(quán)利要求2和權(quán)利要求3所述的高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料的制備工藝，其特征在于冷軋后，進行時效處理的溫度為380℃-600℃。
6.按權(quán)利要求3所述的高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料的制備工藝，其特征在于添加的金屬Cr顆粒純度為99.7-99.9wt％，顆粒大小為0.5-3.0mm。
7.按權(quán)利要求2和權(quán)利要求3所述的高強高導(dǎo)電銅-稀土合金材料的制備工藝，其特征在于熔鑄時保持爐內(nèi)真空度為2×10-1Pa-1×10-2Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高強高導(dǎo)電銅－稀土合金材料及其制備工藝，合金各成分的按質(zhì)量比為銅∶鉻∶釹為97.6－98.8∶0.4－1.1∶0.02－0.08。本發(fā)明制備工藝包括合金的熔鑄工藝、合金熔鑄后的處理工藝，合金熔鑄后的處理工藝中直接對合金鑄錠冷軋，再進行時效處理。本發(fā)明所述制備工藝在合金熔鑄時，直接添加純金屬Cr顆粒，澆鑄溫度為1100℃－1250℃。本發(fā)明合金材料具有以下特點抗拉強度為470－510MPa，延伸率為12－15％，導(dǎo)電率為88－91％IACS，軟化溫度為510－540℃。本發(fā)明合金的熔鑄技術(shù)不僅簡化工藝，減少偏析，而且有利于合金成分的精確控制。本發(fā)明合金制備工藝簡單，性能優(yōu)異，可廣泛適用于電子工業(yè)和機械行業(yè)等要求高導(dǎo)高強以及較高工作溫度下使用的場合，尤其適用于要求高強高導(dǎo)及良好加工性能的微電子行業(yè)。
文檔編號B21B1/00GK1905082SQ200610019238
公開日2007年1月31日 申請日期2006年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者張萌, 帥歌旺, 丁巖, 郭守暉 申請人:南昌大學(xué)