专利名称：一种高强高导电铜－稀土合金材料及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属电子材料领域，涉及一种高强高导铜-稀土合金材料及制备工艺，尤其涉及一种高强度高导电铜铬钕合金及其制备工艺。
背景技术：
研制、开发高强度高导电铜基导电材料一直是铜合金研究的热点之一。许多应用领域要求所用材料需高传导性及高强度兼备。根据不同的结构和性能特点，高强度高导电铜基材料可分为高强高导铜合金和高强高导铜基复合材料两大类。两类材料在强化机制、制备工艺、性能特点乃至应用领域等方面都不尽相同。近年来，综合利用各种强化方法，高强度高导电铜基材料的性能得到了很大的提高。
固溶强化、形变强化、晶界强化、析出强化、复合强化是在设计高强高导铜基材料时五种主要的强化手段，其本质都是通过阻止位错的运动以强化材料。前四种强化手段通常运用于铜合金的强化，复合强化主要用于铜基复合材料的强化。目前高性能的高强高导铜基材料往往综合利用各种强化机理以最大限度的提高性能，降低成本。由于合金元素以固溶态存在时会严重影响铜基体导电性能，在设计高强高导铜合金时，一般原则或是要求所选用的合金元素室温时在铜基体中具有非常低的固溶度(Cr，Zr，Fe，Ag，Be等)，或是合金元素间能够形成化合物沉淀(Fe2P，Cu3Zr，MgmPn，Ni2Si等)。此外，可加入一些对合金性能有利的辅助元素，如P(脱氧、防止氢脆)、Zn(防止在金属基体和镀层间出现脆性相Cu3Sn，Cu5Sn6)和Mg(提高材料抗应力松弛特性)等。
对于高强高导形变铜基材料，不仅要求合金元素和铜在室温下具有非常低的互溶度，同时第二相组元还要具有良好的塑性，以防止在进行大变形时增强相与基体界面开裂。根据对大量铜合金二元相图的分析，只有Cu-Ag、Cu-bcc(Nb，Ta，Fe，V，Cr，Mo)系满足上述要求。
析出强化型铜合金的典型制备工艺是熔炼与铸造-均匀化处理-热轧-固溶处理-冷轧-时效。对于高导高强铜合金的熔炼与铸造，主要注重于熔炼及浇注工艺的优化，以获得铸造缺陷少、成分均匀、杂质含量小的母合金铸锭，并尽可能降低熔炼成本。采用铸造法制备出母合金铸锭后，经均匀化处理以消除铸造过程中造成的成分偏析；随后对铸锭进行预变形热轧，并通过动态再结晶消除铸造及均匀化过程中形成的粗大、不均匀组织。热轧试样在一定的温度进行固溶处理，经过一定程度的冷变形处理后进行时效处理。冷变形能够在合金基体中引入大量的点、线缺陷，这些缺陷能够作为时效过程中析出相的形核核心和原子的扩散通道，加速析出过程和细化析出相颗粒。对析出强化型高强高导铜合金，合金性能取决于析出相的种类、与基体界面结合类型、数量、形状、大小、分布以及合金的变形量等。大预变形、短时时效能够获得最高的硬度和较高的导电率。由于稀土元素所具有的独特性质，经常将其作为微合金化元素添加在金属材料中进行改性，少量稀土的添加能够改变合金的组织结构、杂质含量、界面状况等，最终影响合金的性能。这种影响既可能是有益的，也可能有害，取决于合金系种类和各类工艺条件。前人对稀土在金属材料中作用效果的研究工作主要集中在以下几个方面稀土的净化、变质、微合金化作用及其对材料导电性、加工及力学性能、耐磨性、抗氧化性的影响等。目前稀土在钢铁、铝中得到了广泛的应用，掌握了大量的实验数据，对其作用效果及机理进行了深入的研究。对稀土在铜合金中的运用无论在理论还是实践上都不能和前两者相比。
集成电路引线框架材料是高强高导铜合金一个重要的应用领域，目前已占引线框架材料用量的80％以上，开发出100多种牌号的高、中、低档引线框架用铜合金系列，表1列出了部分铜合金引线框架材料的主要性能。我国在引线框架铜合金材料的科研及生产上都落后于先进国家，生产品种少、产量低，特别是高级引线框架材料基本依赖进口。虽然目前已经有一些引线框架材料生产及加工企业，但基本靠仿制及技术引进，很少有具有自主知识产权的产品。已有一些科研院所、大专院校进行此类材料的研制开发，如清华大学、洛阳工学院、南昌大学等，但基本处于实验室阶段，根本不能满足我国微电子行业迅猛发展的需要。因此，目前尽快开发出新型高强高导及高的软化温度的铜基引线框架材料已成为当务之急，具有重要的意义。
表1常用的引线框架合金及性能
发明内容
本发明目的在于提供一种新的高强高导铜合金材料，在足够高的强度下依然保持高达88-91％IACS的导电率以及12-15％的延伸率，既可用作要求有良好加工性能的引线框架材料，又可适用于要求高强高导的微电子及电力行业。
为实现上述目的，本发明提供的铜-稀土合金技术方案如下本发明合金各成分的按质量比为铜∶铬∶钕为97.6-98.8∶0.4-1.1∶0.02-0.08。
本发明的高强高导电铜-稀土合金材料的制备工艺，包括合金的熔铸工艺、合金熔铸后的处理工艺，合金熔铸后的处理工艺中直接对合金铸锭冷轧，再进行时效处理。
本发明所述制备工艺在合金熔铸时，直接添加纯金属Cr颗粒，浇铸温度为1100℃-1250℃。
本发明所述制备工艺合金熔铸时，采用Cu-Nd中间合金，中间合金中的Nd含量为7-18wt％，并加入熔融态的Cu-Cr合金。
本发明所述制备工艺在冷轧后，进行时效处理的温度为380℃-600℃。
本发明所述制备工艺在添加的金属Cr颗粒纯度为99.7-99.9wt％，颗粒大小为0.5-3.0mm。
本发明所述制备工艺熔铸时保持炉内真空度为2×10-1Pa-1×10-2Pa。
本发明合金技术方案的具体说明如下1.合金的熔铸工艺
a).Cu-Nd(Nd7-18wt％)中间合金熔铸在真空中频感应炉中先熔化铜，而后加入比例成分的稀土金属Nd碎块，于1100℃～1300℃浇铸成棒料备用。
b).Cu-Cr-Nd合金熔铸在真空中频感应炉中先熔化铜，而后直接加入Cr颗粒，待熔融后加入Cu-Nd中间合金，保温温度为1200℃-1350℃，浇铸温度为1100℃-1250℃，保持炉内真空度为2×10-1Pa-1×10-2Pa。
2.合金熔铸后的处理工艺浇铸后的合金铸锭经表面去皮后，不经过固溶处理而直接进行冷轧，然后在380℃-600℃进行时效处理，保温时间30min-60min，随炉冷却后取出。
本发明合金材料具有以下特点抗拉强度为470-510MPa，延伸率为12-15％，导电率为88-91％IACS，软化温度为510-540℃。本发明合金的熔铸技术不仅简化工艺，减少偏析，而且有利于合金成分的精确控制。合金熔铸后的处理和加工工艺进一步缩短了生产周期，节约了成本。本发明合金制备工艺简单，性能优异，可广泛适用于电子工业和机械行业等要求高导高强以及较高工作温度下使用的场合，尤其适用于要求高强高导及良好加工性能的微电子行业。
图1Cr元素沿Cu-Cr-Nd铸锭纵向分布2不同工艺流程对合金硬度的影响图3不同工艺流程对合金电导率的影响具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1原材料采用纯度为99.9％的电解铜、纯度为99.9％的电解铬、纯度为99.5％的稀土金属钕。先进行Cu-Nd(Nd8wt％)中间合金熔炼，方法是在真空中频感应炉中先熔化铜，而后加入比例成分的稀土金属Nd碎块，于1150℃浇铸成棒料备用。然后按Cu∶Cr∶Nd的质量比为98.20∶0.70∶0.03进行Cu-Cr-Nd合金熔炼，在真空中频感应炉中先熔化铜，而后直接加入粉碎后纯Cr颗粒，颗粒大小为0.5-1.0mm，待熔融后加入Cu-Nd中间合金，保温温度为1300℃，浇铸温度为1180℃，保持炉内真空度为1.5×10-2Pa，浇铸成的铸棒。切去浇铸棒的头尾，将表面打磨光滑，直接冷轧，累积压下量约为95％。在真空下进行时效处理，时效温度430℃，保温时间35min，随炉冷却后取出。经上述工艺得到的98.20Cu-0.70Cr-0.05Nd合金导电率达90％IACS，拉伸强度达510MPa，软化温度达540℃。
实施例2原材料采用纯度为99.9％的电解铜、纯度为99.9％的电解铬、纯度为99.5％的稀土金属钕。先进行Cu-Nd(Nd9wt％)中间合金熔炼，方法是在真空中频感应炉中先熔化铜，而后加入比例成分的稀土金属Nd碎块，于1100℃浇铸成棒料备用。然后按Cu∶Cr∶Nd的质量比为98.20∶0.90∶0.04进行Cu-Cr-Nd合金熔炼，在真空中频感应炉中先熔化铜，而后直接加入粉碎后的纯Cr颗粒，颗粒大小为1.8-2.5mm，待熔融后加入Cu-Nd中间合金，保温温度为1250℃，浇铸温度为1100℃，保持炉内真空度为1×10-2Pa，浇铸成的铸棒。切去浇铸棒的头尾，将表面打磨光滑，直接冷轧，累积压下量约为95％。在真空下进行时效处理，时效温度500℃，保温时间30min，随炉冷却后取出。经上述工艺得到的98.20Cu-0.90Cr-0.04Nd合金导电率达91％IACS，拉伸强度达500MPa，软化温度达530℃。
实施例3原材料采用纯度为99.9％的电解铜、纯度为99.9％的电解铬、纯度为99.5％的稀土金属钕。先进行Cu-Nd(Nd12wt％)中间合金熔炼，方法是在真空中频感应炉中先熔化铜，而后加入比例成分的稀土金属Nd碎块，于1200℃浇铸成棒料备用。然后按Cu∶Cr∶Nd的质量比为98.2∶0.9∶0.06进行Cu-Cr-Nd合金熔炼，在真空中频感应炉中先熔化铜，而后直接加入粉碎后纯Cr颗粒，颗粒大小为2.0-3.0mm，待熔融后加入Cu-Nd中间合金，保温温度为1200℃，浇铸温度为1100℃，保持炉内真空度为2×10-2Pa，浇铸成的铸棒。切去浇铸棒的头尾，将表面打磨光滑，直接冷轧，累积压下量约为95％。在真空下进行时效处理，时效温度380℃，保温时间40min，随炉冷却后取出。经上述工艺得到的98.2Cu-0.9Cr-0.06Nd合金导电率达88％IACS，拉伸强度达490MPa，软化温度达520℃。
本发明的技术原理涉及a).低铬铜铬合金(含铬0.4-1.2wt％)熔铸根据铜铬二元相图可知，铜铬合金共晶成分在1.28wt％左右。过共晶合金冷却过程由液相区进入液固两相区时，首先析出初生Cr，由于Cr比重小于Cu，易上浮造成比重偏析，铬含量越高，偏析越严重，所制得的中间合金成分不均匀，造成以后的合金熔铸时无法准确控制成分。但本发明的合金成分含铬小于1.28wt％，是亚共晶合金，其温度间隔和成分间隔都远小于过共晶合金，因此凝固时的流动性更好，凝固后的偏析也会更小。为此本发明采用直接添加纯铬的熔炼技术，熔铸后可得到接近名义成分且无宏观偏析的Cu-Cr-Nd合金铸件。图1是经辉光放电光谱仪成分分析得到的Cr元素沿铸锭纵向的分布图，表明用该工艺浇铸的铸锭几乎无宏观偏析。
b).冷变形及时效处理冷变形能够在合金基体中引入大量的点、线缺陷，这些缺陷一方面能够提高合金的强度，另一方面能够作为时效过程中析出相的形核核心和原子的扩散通道，加速析出过程和细化析出相颗粒。有色金属材料在熔铸后通常要施行均匀化处理，冷变形前通常要经过固溶处理，以达到固溶强化和提高冷变形后时效处理时析出强化效果的目的。本发明合金由于在熔铸时已可以得到无偏析合金，固无需均匀化处理；又考虑到本发明合金熔铸时并非平衡凝固，合金化元素已有效溶入基体，因此也可省去固溶处理工艺，直接进行冷变形和时效处理。从图2可见经过95％冷轧后的合金并没有像其它合金那样在时效过程中硬度明显下降，说明其回复和再结晶速度低于固溶+冷轧+时效合金，这可能是由于合金在浇铸成铸锭的过程中冷却速度低于固溶处理时的淬火冷却速度，这种相对较低的冷却速度在基体中保留的过饱和空位较少，而这些空位的存在会促进回复和再结晶的进行。另一方面回复和再结晶又减少了点缺陷密度，使得合金的电导率有所增加，且效果比采用固溶+冷轧+时效方式处理的合金更明显(见图3)。
权利要求
1.一种高强高导电铜-稀土合金材料，其特征在于合金各成分的按质量比为铜∶铬∶钕为97.6-98.8∶0.4-1.1∶0.02-0.08。
2.一种按权利要求1所述高强高导电铜-稀土合金材料的制备工艺，包括合金的熔铸工艺、合金熔铸后的处理工艺，其特征在于合金熔铸后的处理工艺中直接对合金铸锭冷轧，再进行时效处理。
3.一种按权利要求2所述的高强高导电铜-稀土合金材料的制备工艺，其特征在于合金熔铸时，直接添加纯金属Cr颗粒，浇铸温度为1100℃-1250℃。
4.按权利要求2和权利要求3所述的高强高导电铜-稀土合金材料的制备工艺，其特征在于合金熔铸时，采用Cu-Nd中间合金，中间合金中的Nd含量为7-18wt％，并加入熔融态的Cu-Cr合金。
5.按权利要求2和权利要求3所述的高强高导电铜-稀土合金材料的制备工艺，其特征在于冷轧后，进行时效处理的温度为380℃-600℃。
6.按权利要求3所述的高强高导电铜-稀土合金材料的制备工艺，其特征在于添加的金属Cr颗粒纯度为99.7-99.9wt％，颗粒大小为0.5-3.0mm。
7.按权利要求2和权利要求3所述的高强高导电铜-稀土合金材料的制备工艺，其特征在于熔铸时保持炉内真空度为2×10-1Pa-1×10-2Pa。
全文摘要
本发明公开了一种高强高导电铜－稀土合金材料及其制备工艺，合金各成分的按质量比为铜∶铬∶钕为97.6－98.8∶0.4－1.1∶0.02－0.08。本发明制备工艺包括合金的熔铸工艺、合金熔铸后的处理工艺，合金熔铸后的处理工艺中直接对合金铸锭冷轧，再进行时效处理。本发明所述制备工艺在合金熔铸时，直接添加纯金属Cr颗粒，浇铸温度为1100℃－1250℃。本发明合金材料具有以下特点抗拉强度为470－510MPa，延伸率为12－15％，导电率为88－91％IACS，软化温度为510－540℃。本发明合金的熔铸技术不仅简化工艺，减少偏析，而且有利于合金成分的精确控制。本发明合金制备工艺简单，性能优异，可广泛适用于电子工业和机械行业等要求高导高强以及较高工作温度下使用的场合，尤其适用于要求高强高导及良好加工性能的微电子行业。
文档编号B21B1/00GK1905082SQ200610019238
公开日2007年1月31日 申请日期2006年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者张萌, 帅歌旺, 丁岩, 郭守晖 申请人:南昌大学