微顆粒制備Cu-Ni二元合金及性能研究

李宏偉，張孟珂

(1. 鄭州輕工業(yè)大學(xué), 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 鄭州 450002；2.倫敦瑪麗女王大學(xué)，電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 英里路 倫敦，東 4NS)

高強(qiáng)度、高導(dǎo)電銅合金是一類(lèi)具有特別優(yōu)良的綜合電學(xué)性能和力學(xué)性能的功能材料[1]?？梢詰?yīng)用于大規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路，或者大規(guī)模模擬電路中，作為連接芯片與元件的支撐部件。一方面，其會(huì)起到支撐與固定的作用，這一點(diǎn)很好地利用了銅合金高強(qiáng)度的特點(diǎn)；另一方面，銅合金會(huì)起到傳導(dǎo)電流的作用，這一點(diǎn)又要借助其高導(dǎo)電性的特點(diǎn)[2]。另外，根據(jù)胡德源等人的報(bào)道，銅合金在DNa-100焊機(jī)上也得到了很好的應(yīng)用，這種焊機(jī)的電極所采用的材料是導(dǎo)電性?xún)?yōu)異，并且強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求的的鋁青銅[3]，熱處理工藝的不同也對(duì)鋁青銅的硬度產(chǎn)生影響[4]。無(wú)獨(dú)有偶，在LHL-1500A焊機(jī)上，銅合金也得到了很好的應(yīng)用[4]。除此以外，眾所周知，連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)襯材料要求具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性以及滿(mǎn)足使用要求的強(qiáng)度和硬度。寶山鋼鐵總廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)研究院的龍文正依據(jù)這種使用特性，利用純銅高導(dǎo)電性的特性，在其中加入各種合金元素，力求在不影響銅的導(dǎo)電性的前提下，提高其力學(xué)性能[6]。仔細(xì)研究了Cu-Cr合金[7]、Cu-Cr-Zr合金[8]、Cu-Co[9]合金等銅基合金，結(jié)果表明，上述各類(lèi)銅合金可以很好地應(yīng)用到內(nèi)襯上。本文是利用微顆粒Cu粉末和Ni粉末為原材料，通過(guò)機(jī)械合金化與熱壓燒結(jié)相結(jié)合的工藝研究Cu-Ni二元合金的性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用微顆粒狀的Cu粉、Ni粉作為原材料，具體參數(shù)如表1所示。

表1 銅粉與鎳粉工藝參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)首先將Cu-Ni二元合金粉末機(jī)械合金化，機(jī)械合金化采用行星球磨機(jī)，轉(zhuǎn)速為300 r/min，球磨時(shí)間為6 h，球磨過(guò)程中為了防止粉末氧化，一律用低真空保護(hù)。為了說(shuō)明制備過(guò)程中Ni含量對(duì)熱壓燒結(jié)件性能的影響，燒結(jié)工藝為：以10 ℃/min的速度從室溫升到950 ℃，保溫30 min，熱壓壓力為30 MPa。按照Ni元素的添加量將Cu-Ni二元合金粉末分為五組。其中Ni含量由低到高分別為0%、2%、4%、8%以及10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，分別以Cu、Cu-2Ni、Cu-4Ni、Cu-8Ni、Cu-10Ni表示。每組分別制備40 g。則按照Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每組的Cu、Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 試樣Cu-Ni含量

分別采用X射線(xiàn)衍射儀( XRD)、掃描電鏡(SEM)、硬度儀、導(dǎo)電測(cè)試儀等儀器檢測(cè)試樣。

2 結(jié)果分析

2.1 Cu-Ni粉末的XRD分析

試驗(yàn)中采用不同時(shí)間下的Cu-10Ni作為混合粉末機(jī)械合金化的試樣進(jìn)行不同時(shí)間下的XRD測(cè)試，XRD圖譜如圖1所示。

圖1 不同球磨時(shí)間下Cu-10Ni樣品的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Cu-10Ni samples at different grinding time

圖1說(shuō)明Cu-10Ni樣品的相組成為Cu、Ni。在圖1中0 h的XRD圖譜上觀(guān)察到明顯的Cu峰以及Ni峰。本實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械合金化的目的在于使Ni元素固溶進(jìn)Cu基體當(dāng)中。在圖1中10～30 h的圖譜上，可以明顯地觀(guān)察到Ni峰強(qiáng)度的下降。這表明，Ni峰的強(qiáng)度會(huì)隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。球磨時(shí)間達(dá)到40 h時(shí)，圖譜上已經(jīng)觀(guān)察不到Ni峰，這表明，Ni已完全固溶到Cu基體當(dāng)中，達(dá)到了機(jī)械合金化的目的。同時(shí)，從圖中看出，隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，Cu峰逐漸寬化，沒(méi)有觀(guān)察到其他的衍射峰，說(shuō)明對(duì)Cu、Ni進(jìn)行機(jī)械合金化，只會(huì)形成Cu-Ni固溶體。不會(huì)有其他新相的產(chǎn)生。表明晶粒不斷得到細(xì)化。

同時(shí)，通過(guò)上述的分析也可以說(shuō)明，采用前述的機(jī)械合金化工藝可以成功地制備Cu-Ni二元合金粉末。

2.2 Cu-Ni二元合金的微觀(guān)組織

通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備了不同Ni含量的二元合金試樣，試樣的表面形貌如圖2所示。試樣中所含的相為Cu，而能譜分析的結(jié)果顯示，在A組樣品中，由A2-A10分別含有不同含量的Ni。

表3 試樣的能譜測(cè)定結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(a)A2； (b) A4； (c) A8；(d) A10圖2 試樣的表面形貌Fig.2 The surface morphology of samples

結(jié)合能譜分析Cu粉與Ni粉并不是簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)合，Ni元素已固溶于銅基體當(dāng)中。

同時(shí)，由圖2還可以觀(guān)察到A組樣品表面分布著不規(guī)則的孔洞，并且隨著Ni含量的增加，孔洞的數(shù)目在不斷增加?？锥吹姆植紶顟B(tài)也發(fā)生了一定的變化，A8樣品與A10樣品的孔洞分布密集，但孔洞的尺寸較小，其他的樣品則反之。根據(jù)粉末冶金的一般規(guī)律，樣品表面的孔洞會(huì)極大地影響到粉末冶金樣品的致密度。而致密度又是粉末冶金中的一個(gè)至關(guān)重要的參量。一般而言，可以通過(guò)致密度的數(shù)值來(lái)大概判斷粉末冶金樣品的力學(xué)性能，同時(shí)，還可以借此來(lái)判斷粉末冶金工藝的可行性。

2.3 Cu-Ni二元合金的導(dǎo)電率

分別對(duì)不同含量的熱壓燒結(jié)Ni試樣進(jìn)行導(dǎo)電率測(cè)試。試樣的導(dǎo)電率結(jié)果如圖3所示。試樣的導(dǎo)電率都隨著Ni含量的升高而降低。這是因?yàn)镹i元素固溶入Cu基體中后，會(huì)引起Cu的晶格畸變，這對(duì)于電子的運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)烈的散射作用，會(huì)顯著降低Cu的導(dǎo)電性能，從而引起電導(dǎo)率的下降。加入的Ni元素越多，Cu的晶格畸變?cè)絿?yán)重，電導(dǎo)率的下降越顯著。

2.4 Cu-Ni二元合金的致密度

圖4通過(guò)對(duì)不同含量的試樣進(jìn)行致密度測(cè)試的結(jié)果看出，隨著Ni含量的增多，試樣的致密度都出現(xiàn)了不同程度的下降。呈現(xiàn)這一規(guī)律的原因是隨著固溶于Cu基體的Ni含量的增多，其所形成的固溶體的熔點(diǎn)會(huì)逐漸升高。而在熱壓燒結(jié)過(guò)程中，相同的條件下，粉末的熔點(diǎn)越高，樣品越難于致密化。這一規(guī)律可以很好地與圖3的分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖3 熱壓燒結(jié)樣品的電導(dǎo)率Fig.3 Conductivity of hot pressed sintered samples

圖4 熱壓燒結(jié)樣品的致密度Fig.4 Density of hot pressed sintered samples

2.5 Cu-Ni二元合金的硬度

由圖5可以看到不同試樣的硬度隨著Ni含量的增加而下降。試樣硬度的逐漸下降是由于Ni含量提升所引起的致密度的下降。一般而言，材料的致密度越低，其硬度越低。利用這一規(guī)律可以很好的解釋上述現(xiàn)象。

圖5 熱壓燒結(jié)樣品的硬度Fig.5 Hardness of hot pressed sintered samples

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)Cu-Ni二元合金的機(jī)械合金化和熱壓燒結(jié)，得出以下結(jié)論：

1)Cu-Ni二元粉末機(jī)械合金化后會(huì)形成新相，Ni固溶在Cu基體中。

2)Cu-Ni二元合金熱壓燒結(jié)后，隨著Ni元素的增加，合金的導(dǎo)電率、致密度與硬度都出現(xiàn)了依次降低的趨勢(shì)。