專利名稱：一種氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及電子材料技術領域，具體涉及一種氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料及其制備方法。
背景技術：
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，Al2O3彌散強化銅(Cu-Al2O3)復合材料不僅保持了銅基體高的導電、導熱性能，而且具有優越的高溫性能和抗蝕性能，在電阻焊電極、高強度電力線、計算機引線框架、連鑄機結晶器、替代銀基觸頭材料、電氣開關觸橋、焊炬噴嘴等方面有著廣闊的應用前景。美國SCM公司所開發研制的Glidcop系列Cu-Al2O3銅基復合材料，其軟化溫度為900°C，導電率為90-92% IACS，抗拉強度也達540MPa，并已形成規模化生產，但是其高溫性能，特別是高溫短時拉伸性能較低，不能滿足高溫承載性能要求。目前傳統的彌散銅的制造技術多采用粉末冶金法，最開始以外加Al2O3顆粒混合均勻，壓制成型后進行燒結，制成燒結體。粉末冶金法生產Al2O3彌散強化銅工藝成熟，生產出的復合材料性能較好，但生產工藝復雜、成本高、生產效率低，同時復合材料界面易受污染。改進后的工藝以粉末內氧化粉末冶金法應用最為廣泛，其常用技術流成為合金熔煉—制粉一內氧化一還原一壓制一燒結一熱加工一冷加工，這種制造工藝通過內氧化原位生成的納米級Al2O3顆粒，細小且在基體分布均勻，有較高的熱力學穩定性，但是其高溫性能不佳，同時流程復雜，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。提高Al2O3彌散強化銅復合材料的高溫性能，特別是高溫拉伸性能是目前迫切需要解決的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料。本發明的另一目的是提供一種氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法。為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是一種氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料，其化學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化銅復合材料的制備方法，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)真空或保護氣氛下形變燒結內氧化將步驟(I)配制好的原料置于石墨模具內，然后放入高溫燒結爐中進行燒結內氧化，同時進行塑性變形，燒結爐氣氛為真空或惰性氣體或氨分解氣體，燒結內氧化溫度為950°C，保溫時間為2 4小時，形變壓力30 lOOMPa，保壓時間I 2小時，制得燒結體，燒結體的直徑為30 IOOmm ；⑶熱擠壓將所述燒結體加熱至900 1000°C，然后進行熱擠壓，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合拉拔機上進行冷拉拔，冷拉拔變形量控制在80%以上，制得氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料。優選的,所述Cu-Al合金粉末為水霧法生產的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%。本發明提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料包含Cu基體和Al2O3增強顆粒，原料Cu-Al合金粉末、a -Al2O3粉末和氧化劑Cu2O粉末經混合、真空或保護氣氛下形變燒結內氧化，制得本發明提供的多混雜氧化鋁粒子增強彌散強化銅復合材料。原料a-Al2O3粉末的作用主要是防止高溫承載時阻礙晶界滑動，同時具有奧羅萬強化效果；氧化劑Cu2O作用是高溫分解，提供活性
，與固溶態Al發生原位化學反應，原料微米級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的Y -Al2O3,形成的不同結構及不同尺寸的Al2O3均勻分布在銅基體上，具有彌散強化效果。本發明提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料采用多混雜Al2O3制備技術制得，所謂的多混雜，包括Al2O3來源、結構、尺寸三方面。在本發明提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料中Al2O3來源有兩個，一是原料微米級剛玉結構a -Al2O3，通過釘扎銅基體晶界和阻礙位錯運動，同時阻礙晶界的高溫滑動來提高氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的高溫強度；另外一種是通過Cu-Al合金內氧化生成的納米級面心立方結構Y-Al2O3釘扎亞晶界，提高形變基體的再結晶抗力，改善氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的高溫軟化抗力，同時由于固溶于銅晶格中的鋁原子以Y-Al2O3的形式析出，因此銅基體的導電性顯著提高。采用本發明提供的制備方法制得的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的性能指標為抗拉強度500-610MPa，導電率80-90% IACS，600°C短時拉伸強度彡150MPa。本發明提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法具有內氧化時間短、成本低、效率聞的優點，制得的氧化招粒子彌散強化銅復合材料具有聞強度、聞導電性、聞抗軟化溫度、高的高溫強度，可滿足微電子行業和電子信息行業對高導高強耐高溫銅合金的要求，可用于電阻焊電極、高強度電力線、計算機引線框架、連鑄機結晶器、替代銀基觸頭材料、電氣開關觸橋、焊炬噴嘴等領域，在機械工業、國防工業和電子信息產業具有廣泛應用。
具體實施例方式實施例I
本實施例提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的化學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。本實施例提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法，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型混粉機將原料充分混合3小時；
(2)真空形變燒結內氧化將步驟(I)混配好的原料粉末置于石墨模具內，然后放入真空高溫燒結爐內進行燒結內氧化，同時進行塑性變形，燒結內氧化溫度為950°C，保溫時間4小時，形變壓力35MPa，保壓時間I小時，此階段同步完成固溶Al的內氧化和粉末混合體的致密化，制得燒結體，燒結體直徑為50mm ；(3)熱擠壓將所述燒結體加熱至1000°C，在壓力機上進行熱擠壓，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噸聯合拉拔機上進行多道次冷拉拔,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化銅復合材料。本發明制得的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的性能指標為抗拉強度550MPa，導電率89% IACS，600°C短時拉伸強度170MPa。實施例2本實施例提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的化學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。本實施例提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法，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型混粉機將原料充分混合3小時；(2)氮氣保護形變燒結內氧化將步驟(I)混配好的原料粉末置于石墨模具內，然后放入氣氛保護高溫燒結爐內進行燒結內氧化，同時進行塑性變形，保護氣氛為氮氣，燒結內氧化溫度為950°C，保溫時間2小時，形變壓力60MPa，保壓時間2小時，此階段同步完成固溶Al的內氧化和粉末混合體的致密化，制得燒結體，燒結體直徑為80mm ；
(3)熱擠壓將所述燒結體加熱至950°C，在壓力機上進行熱擠壓，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噸聯合拉拔機上進行多道次冷拉拔，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化銅復合材料。本發明制得的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的性能指標為抗拉強度590MPa，導電率82% IACS，600°C短時拉伸強度190MPa。實施例3 本實施例提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的化學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。本實施例提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法，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型混粉機將原料充分混合3小時；(2)氮氣保護形變燒結內氧化將步驟(I)混配好的原料粉末置于石墨模具內，然后放入氣氛保護高溫燒結爐內進行燒結內氧化，同時進行塑性變形，保護氣氛為氨分解氣，燒結內氧化溫度為950°C，保溫時間4小時，形變壓力35MPa，保壓時間2小時，此階段同步完成固溶Al的內氧化和粉末混合體的致密化，制得燒結體，燒結體直徑為IOOmm ；⑶熱擠壓將所述燒結體加熱至1000°C，在壓力機上進行熱擠壓，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噸聯合拉拔機上進行多道次冷拉拔,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化銅復合材料。本發明制得的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的性能指標為抗拉強度610MPa，導電率80% IACS，600°C短時拉伸強度200MPa。
權利要求
1.一種氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料，其特征在于，所述氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的化學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.—種權利要求I所述的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法，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)真空或保護氣氛下形變燒結內氧化 將步驟(I)配制好的原料置于石墨模具內，然后放入高溫燒結爐中進行燒結內氧化，同時進行塑性變形，燒結爐氣氛為真空或惰性氣體或氨分解氣體，燒結內氧化溫度為950°C，保溫時間為2 4小時，形變壓力30 lOOMPa，保壓時間I 2小時，制得燒結體，燒結體的直徑為30 IOOmm ； (3)熱擠壓 將所述燒結體加熱至900 1000°C，然后進行熱擠壓，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 將熱擠壓棒材在聯合拉拔機上進行冷拉拔，冷拉拔變形量控制在80 %以上，制得氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料。
3.根據權利要求2所述的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法，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.根據權利要求2所述的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法，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.根據權利要求2所述的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法，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
本發明涉及電子材料技術領域，具體公開了一種氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料及其制備方法。所述氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的化學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。本發明提供的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料的制備方法具有內氧化時間短、成本低、效率高的優點，制得的氧化鋁粒子彌散強化銅復合材料具有高強度、高導電性、高抗軟化溫度、高的高溫強度，可滿足微電子行業和電子信息行業對高導高強耐高溫銅合金的要求，在機械工業、國防工業和電子信息產業具有廣泛應用。
文檔編號C22C1/05GK102676867SQ20121000617
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者任鳳章, 劉勇, 宋克興, 張毅, 楊雪瑞, 田保紅, 賈淑果, 龍永強 申請人:河南科技大學