一种Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Cu

【技术实现步骤摘要】
一种Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于铜合金材料
，具体涉及一种Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着国内高新科技的发展，特别是航空、航天、电力、电子行业，急需导电性高且具备优良综合力学性能的铜合金材料。以现代电子信息技术的核心——集成电路为例，其是由IC芯片和引线框架经封装而成。引线框架起到了支撑芯片、连接外部电路以及在工作时散热等作用。随着大规模、超大规模集成电路的不断发展，对于引线框架的导电性能、力学性能、抗软化性能等的要求也越来越高。
[0003]纯铜的导电性能很好，但纯铜的硬度和强度太低，无法作为引线框架材料使用，因此我们需要对铜合金进行强化。铜合金的强化手段主要有固溶强化、析出相强化、形变强化、细晶强化。近年来，电力、电子行业用铜合金材料中，以析出相强化为主要强化手段的铜合金（如Cu-Be、Cu-Fe-P、Cu-Cr-Zr等）的使用量大大增加，逐渐代替Cu-Zn、Cu-Sn-P等为代表的以固溶强化+形变强化为主要强化手段的铜合金材料。析出相强化型铜合金，是指以铜为基体元素，以固溶的方式在铜基体中加入一种或多种其它合金元素，形成过饱和固溶体，然后对过饱和固溶体进行时效处理，在铜基体中形成析出相颗粒，从而提高合金的硬度和强度。同时，由于铜基体中固溶元素的析出，合金的导电性得以提高。
[0004]随着5G等新兴技术的发展，对于铜合金的性能提出了更高的要求。而目现有的析出强化型铜合金存在各自的不足之处。如Cu-Be合金以优异的导电率和力学性能而著称，经过合适的固溶-时效处理之后，可以获得很高的强度、硬度，并具有很好的耐蚀性和冷加工成形性，但其生产成本高，工艺相对复杂，性能对热处理工艺参数比较敏感，高温抗应力松弛能力差，合金性能不稳定，不宜长时间在高温下工作。此外，铍元素及其化合物均具毒性，对人类健康和环境造成了危害，大大限制了其应用、Cu-Fe-P系合金的缺点是耐热剥离性能和钎焊性能比较差，合金强度也难以改善。Cu-Cr-Zr系合金虽然有着诸多优点，例如优异的导电性、导热性和耐腐蚀性能，但是其强度较低，并对生产环境及设备有较高的要求。
[0005]因此，针对以析出相强化为主要强化手段的铜合金材料，急需研究开发出新的铜合金成分和对应的制备工艺，以适应科技的发展。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料及其制备方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料，按质量百分数之和为100%计，其所含各组分的质量百分数为：0.80~1.55 wt%的Ti、0.20~0.49wt%的P、0.10~0.30wt%的Ni、0.02~0.10wt%的Er，其余为Cu。
[0008]进一步地，Ti与P的质量百分数之和为1.05~2.04wt%，且Ti与P的质量比为2.60~
3.70:1。
[0009]所述Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：（1）合金熔铸：按照上述质量百分数，将原材料放入感应炉中熔炼，然后将所得合金熔液浇铸到模具中并冷却到室温，得到合金铸锭；合金熔铸过程在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下进行；所用原材料为纯度≥99.9 wt%的Cu、Ni金属块，块状Cu-M中间合金，M为Ti、P、Er；（2）均匀化处理：在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下，将所得合金铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理温度为900℃~1000℃，保温时间为4~8小时，然后随炉冷却至室温；（3）热轧制：将均匀化后的合金铸锭加热至730℃~850℃进行热轧制，热轧总变形量为55%~85%，终轧温度为650℃~800℃，终轧后的合金材料立刻进行水淬处理；（4）固溶处理：将热轧制后的铜合金材料进行铣面，去除表面氧化皮，在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下，将热轧后的样品进行880℃~930℃、1~5小时的固溶处理，然后将合金铸锭取出空冷至室温；（5）深冷处理：将固溶处理后冷却至室温的铜合金材料放入温度范围为-202
±
5℃液氮中，深冷时间为1~3小时；（6）一次室温轧制：将热轧制后的铜合金材料进行室温轧制变形，轧制总变形量为70%~90%；（7）一次时效处理：将室温轧制后的铜合金材料在热处理炉中、纯氩气（Ar≥99.99%）保护下进行时效处理，时效温度为450℃～530℃，保温时间为1~3小时，时效结束后，将铜合金材料在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下，以风冷的方式冷却至室温；（8）回归处理：将一次时效处理后的铜合金材料放入热处理炉中，在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下进行回归处理，回归温度为830℃~880℃，保温时间为5~15分钟，随后从热处理中炉取出，立刻进行水淬处理；（9）二次时效处理：将回归处理后的铜合金材料在热处理炉中，在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下进行时效处理，时效温度为420℃~480℃，保温时间为1~3小时，时效结束后，将铜合金材料在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下，以风冷的方式冷却至室温；（10）二次室温轧制：将二次时效处理后的铜合金材料进行室温轧制变形，轧制总变形量为15~40%；（11）三次时效处理：将二次室温轧制后的铜合金材料放入热处理炉中，在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下进行时效处理，时效温度为300℃~380℃，保温时间为1~6小时，时效结束后，将铜合金材料在纯氩气（Ar≥99.99%）保护下，以风冷的方式冷却至室温，得到所述铜合金材料。
[0010]本专利技术的优点（1）本专利技术在Cu中加Ti、P、Ni、Er元素，根据Miedema理论计算可知，Ti、P和Ni元素之间存在较大的混合焓，大于Cu-Ti和Cu-P的混合焓。因此经过时效处理后，过饱和固溶态的Cu基体中可以形成Ti-P和Ti-Ni析出相，从而起到复合弥散强化作用。本专利技术中限定Ti:P质量比为2.60~3.70:1，可以生成TiP、Ti2P、Ti3P、Ti4P3的Ti-P金属间化合物。
[0011]（2）本专利技术在合金成分中加入了Ni元素，它可以和Ti元素形成Ni3Ti等Ni-Ti析出相。这些析出相和Ti-P析出相通过复合弥散强化协同作用，可以有效提高材料的硬度和强度。
[0012]（3）本专利技术通过添加Er元素可细化合金铸态组织，净化基体，从而降低铜合金常见的“热脆性”，还可改善杂质的尺寸大小和形态分布，提高合金力学和电学性能。
[0013]（4）深冷处理+室温冷轧+时效处理+回归处理是一种新的制备工艺。深冷处理可以降低合金中的空位浓度，并抑制溶质原子（Ti、P 、Ni、Er）的扩散。本专利技术采用液氮作为深冷介质，由于液氮熔点为-209.8℃，沸点为-196.56 ℃，所以确定本专利技术的深冷处理温度为-202
±
5℃。实验表明，当深冷处理时间在1~3小时范围时，结合后续的冷轧、时效、回归等相关工艺，可以为Ti-P、Ni-Ti析出相提供更多形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料，其特征在于，按质量百分数之和为100%计，其所含各组分的质量百分数为：0.80~1.55 wt%的Ti、0.20~0.49 wt%的P、0.10~0.30 wt%的Ni、0.02~0.10 wt%的Er，其余为Cu。2.根据权利要求1所述的Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料，其特征在于，Ti与P的质量百分数之和为1.05~2.04wt%，且Ti与P的质量比为2.60~3.70:1。3.一种如权利要求1或2所述的Cu-Ti-P-Ni-Er铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）合金熔铸：在纯氩气保护下，将原材料放入感应炉中熔炼，然后将所得合金熔液浇铸到模具中并冷却到室温，得到合金铸锭；（2）均匀化处理：在纯氩气保护下，将所得合金铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理温度为900℃~1000℃，保温时间为4~8小时，然后随炉冷却至室温；（3）热轧制：将均匀化后的合金铸锭加热至730℃~850℃进行热轧制，热轧总变形量为55%~85%，终轧温度为650℃~800℃，终轧后的合金材料立刻进行水淬处理；（4）固溶处理：将热轧制后的铜合金材料进行铣面，去除表面氧化皮，在纯氩气保护下，将热轧后的样品进行880℃~930℃、1~5小时的固溶处理，然后将合金铸锭取出空冷至室温；（5）深冷处理：将固溶处理后的铜合金材料放入液氮中，深冷温度范围为-202
±
5℃，深冷时间为1~3小时；（6）一次室温轧制：将深冷处...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨，黄海鹏，周建辉，童长青，王成，刘德文，张云昊，
申请(专利权)人：福建紫金铜业有限公司龙岩学院，
类型：发明
国别省市：