一种均热板用高强耐热铜合金及其制备方法与流程

本发明属于有色金属加工，具体涉及一种均热板用高强耐热铜合金及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g/3c电子朝智能化、多功能、轻薄化发展，手机、笔记本及平板电脑等电子产品的性能越来越强大，集成度和组装密度不断提高，导致其工作功耗和发热量的急剧增大，例如5g芯片处理能力是常规芯片的5倍；5g手机总功率约9.6w，是4g的2倍；高速处理大量数据的同时手机视频内容、游戏内容等的高清化，芯片处理能力、射频功耗、机壳材质和轻薄化的设计是影响手机散热的主要因素。传统的石墨/石墨烯板散热已经不足以满足当前发展需求，均热板成为主流，高效地散失芯片运行所产生的大量热量，以保证其稳定运行。现有均热板制备方式基本为上、下两块均热板片，通过内部烧结灯芯毛细结构后再焊接密封为仅有一个孔的腔体，焊接温度约为800℃,对铜合金材料提出了更高的要求，除了具备足够强度以满足厚度减薄后的强度支撑需求外，还需要有高的导热性能，且能承受均热板制备过程中短时高温加热，不发生强度的大幅度降低。因此市场急需要屈服强度达到约600mpa，同时导电率大于60％iacs，确保导热率大于240w/(m·k)，兼顾高强耐热、且具有较好蚀刻性能的铜合金材料。

2、均热板目前大量采用耐蚀性能较好的sus316l、c10200、c51900等材料，锡磷青铜(导电率低，约为13％iacs)和纯铜(强度低，约为300mpa)已难以满足要求，材料向高强、高导铜合金化方向发展。专利cn111304489b提供一种均热板用铜合金板带材的制备及加工方法，屈服强度为620-680mpa，延伸率为6-12％，导电率为61-67％iacs，导热率为240-270w/(m·k)，但该专利未提及合金的耐热性能。专利cn 108368566 b提供一种散热元件用铜合金板，以850℃加热30分钟后进行水冷，接着进行以500℃加热2小时的时效处理之后的0.2％屈服强度为120mpa以上，导电率为40％iacs以上，该合金在850℃发生软化，需要进一步在500℃时效以恢复。专利cn102191402b高强度高耐热性铜合金材料，兼具抗拉强度为750mpa以上和硬度为hv220以上的高强度，耐热性可以实现加热到450℃一分钟后的硬度保持率为90％以上。随着焊接工艺的发展，扩散焊接可在800℃30秒内完成焊接，需要材料在焊接过程中强度降低尽可能少的材料。

技术实现思路

1、针对上述已有技术存在的不足和应用需求，本发明提供一种同时兼具有高强度、高导电导热、高耐热性能和蚀刻性能优异的均热板用铜合金及其制备方法，产品可用于5g手机、电脑、服务器、显卡等散热用均热板，或者其他集成电路和小型化电子通讯的电子元件、散热部件等。本发明具体包括以下内容：

2、一种均热板用高强耐热铜合金，所述铜合金的成分和含量为：ni 0.5wt％-1.5wt％，si 0.1wt％-0.4wt％，zn 0.1wt％-0.5wt％，cr 0.1wt％-0.3wt％，fe 0.1wt％-0.5wt％，ti 0.05wt％-0.15wt％，余量为cu及不可避免的杂质元素；所述ni和cr元素含量的和与si元素含量的比[ni+cr]/[si]为4-6，fe元素与ti元素含量的比[fe]/[ti]为1.5-3。具体的，ni含量可以是0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、1.0wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％等；si可以为0.11wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％、0.3wt％、0.35wt％等；zn可以为0.11wt％、0.12wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％、0.3wt％、0.35wt％、0.4wt％、0.45wt％等；cr可以为0.11wt％、0.12wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％、0.28wt％等；fe可以为0.12wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％、0.3wt％、0.35wt％、0.4wt％、0.45wt％等；ti可以为0.06wt％、0.08wt％、0.1wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％等；[ni+cr]/[si]可以为4.2、4.5、4.8、5、5.2、5.5、5.8等；[fe]/[ti]可以为1.6、1.8、1.9、2.0、2.4、2.5、2.8、2.9等。

3、优选的，所述铜合金的成分还包括x元素，所述x元素为mg、sn、ag、zr、co中的一种或几种，所述x元素总含量＜0.5wt％，例如x元素总含量可以为0，也可以小于等于0.10wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.45wt％等。

4、优选的，所述铜合金的屈服强度为600mpa-700mpa，延伸率大于2％，电导率为60-70％iacs，所述铜合金在800℃下保温30s硬度保持在初始硬度的70％以上。

5、优选的，所述铜合金中析出相以50-500nm尺寸为主，其中大于500nm尺寸的粗大析出相数量少于1×104个/mm2。

6、一种均热板用高强耐热铜合金的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)熔炼：将原料cu装入感应熔炼装置进行熔化后，再添加其他原料，其中ni、si、zn元素分别以电解镍、多晶硅和纯锌形式加入，cr、fe和ti元素以cu-cr、cu-fe、cu-ti中间合金形式添加，添加前对各原料进行干燥和去除异物处理，熔炼后得到铜合金熔体；

8、(2)铸造：将铜合金熔体在1200℃-1280℃温度下进行铸造，获得铜合金铸坯；具体的铸造温度可以为1210℃、1220℃、1240℃、1250℃、1260℃、1280℃等。

9、(3)热轧：将铜合金铸坯进行加热热轧和在线淬火，得到铜合金热轧带坯；

10、(4)冷轧：将铜合金热轧带坯进行铣面和冷轧，冷轧总变形量≥85％，得到铜合金冷轧带坯；

11、(5)再结晶处理：将铜合金冷轧带坯进行在线再结晶退火处理，得到晶粒细化的铜合金带坯；

12、(6)形变-热处理：将晶粒细化的铜合金带坯进行冷轧、时效及其组合处理，得到满足成品性能和厚度规格要求的铜合金带坯；

13、(7)去应力处理：将铜合金带坯进行低温退火和拉弯矫直处理，得到均热板用高强耐热铜合金。

14、优选的，步骤(3)所述加热热轧的加热温度为880℃-940℃(例如890℃、900℃、910℃、925℃、930℃、935℃等)、保温时间为2h-5h(例如2.1h、2.5h、3.0h、3.5h、4.0h、4.5h等)，在线淬火的温度为680℃-800℃(例如690℃、700℃、720℃、750℃、770℃、790℃等)。

15、优选的，步骤(5)所述在线再结晶退火处理的温度为800℃-920℃(例如810℃、825℃、835℃、850℃、880℃、900℃、910℃等)、时间为0.5min-6min(例如0.6min、1.0min、1.5min、2min、3min、4min、5min、5.5min等)，所述晶粒细化的铜合金带坯在纵截面的平均晶粒尺寸≤20μm。

16、优选的，步骤(6)所述冷轧、时效处理的具体方法为：首先将晶粒细化的铜合金带坯进行一次冷轧，得到一次冷轧后的带坯，所述一次冷轧的变形量为40％-70％(此处的具体变形量可以为42％、45％、50％、55％、60％、65％、68％等)；然后将一次冷轧后的带坯进行一级时效处理，得到一级时效处理后的带材，所述一级时效处理的温度为350℃-500℃、时间为4h-10h(此处具体温度可以为360℃、380℃、400℃、425℃、450℃、475℃、485℃、490℃等，时间具体可以为4.2h、4.5h、5h、6h、7h、8h、9h、9.5h等)；再将一级时效处理后的带材依次进行二次冷轧、二级时效处理、三次冷轧，得到铜合金带坯，所述二次冷轧的变形量为30％-60％(具体可以为32％、35％、40％、45％、50％、55％、58％等)，所述二级时效处理的温度为350℃-450℃(具体可以为360℃、380℃、400℃、410℃、420℃、430℃、440℃等)、时间为1h-4h(具体时间可以为1.2h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、3.8h等)，所述三次冷轧的变形量为20％-60％(具体可以为22％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％等)。

17、优选的，步骤(7)所述退火的工艺条件为：将铜合金带坯在300℃-450℃下进行0.5min-120min的低温退火，此处具体退火温度可以为310℃、320℃、350℃、375℃、400℃、420℃、440℃等，退火时间可以为1min、10min、20min、50min、60min、80min、90min、100min等。

18、本发明公开的兼具有高强度、高导电导热、高耐热和蚀刻性能的均热板用铜合金及其制备方法与现有技术相比，其显著的有益效果体现在以下几点：

19、(1)本发明公开的铜合金中，通过添加cr、ti、fe等元素，显著提高合金的耐热性能，使低含量ni、si的cunisi合金在保持60％iacs以上导电率的情况下，具有较高的强度和耐热性能，兼具有高强度、高导电导热、高耐热性能与一体。

20、(2)本发明公开的铜合金中，降低了ni、si元素含量，添加cr、ti、fe等元素均为微量元素，避免了产生粗大相，结合对带坯的再结晶退火，控制纵截面(td方向)的平均晶粒尺寸≤20μm，有助于提高合金的蚀刻性能及蚀刻后表面光滑性。

21、(3)本发明公开的铜合金的制备方法基于再结晶处理和形变-热处理，使得合金成品基体中析出相主要以50-500nm尺寸为主，大于500nm尺寸粗大析出相数量应少于1×104个/mm2，这使得合金同时兼备高强度、高导电导热、高耐热性能和蚀刻性能，成品带材性能达到屈服强度600mpa-700mpa，延伸率大于2％，电导率60-70％iacs，导热率大于240w/(m·k)，合金在800℃下保温30s硬度保持在初始硬度的70％以上。