一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法

1.本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法。


背景技术：

2.随着集成电路向着轻量化、小型化以及高集成度的方向发展，引线框架单位面积上的引脚数目增加且节距变小，这就对引线框架材料提出了更高的要求，如高强度、高导电率及良好的加工性。目前主流的引线框架材料为铜合金薄板，其厚度通常在0.1mm，而传统的制造方法是进行热机械加工如熔铸和锻造相结合的工艺，其中一系列复杂的过程会导致设备投资成本增加和生产周期长等问题，这一特性极大的限制了铜合金薄板的发展和应用。
3.直接粉末轧制法可以在不添加粘结剂的情况下，获得近净成形坯料，但由于影响轧制过程的影响因素很多，其中一类因素是粉末的物理性质，如形状、尺寸、松装密度、流动性、硬度和压缩性能。另一个是设备的几何参数，包括轧辊直径、轧制速度、间隙、咬入角和轧辊表面粗糙度。轧制参数的选择始终基于经验方法导致成型质量难以得到稳定保证。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，解决了现有技术中存在的合金薄板制备流程中工艺复杂和生坯质量不稳定的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，具体按照以下步骤实施：
6.步骤1、称取粒径为150μm-74μm电解cu粉末和氧化锆球，将电解cu粉末、氧化锆球放入三维震动混粉机的混料瓶中混合2h，混合时混粉机的震动频率为40hz，得到混合粉末a；
7.步骤2、将混合粉末a放入模具中，调试多种压强分别进行压制，形成多种压强下对应的坯体b；
8.步骤3、分别将坯体b分割成多个圆柱试样，采用万能实验机对圆柱试样分别进行单轴压缩，对坯体b进行径向压缩，并分别计算两种断裂强度；
9.步骤4、将步骤3得到的断裂强度进行计算分析，输入到有限元软件中进行模拟计算，并输出模拟密度云图；
10.步骤5、调整参数，根据模拟密度云图确定指导直接粉末轧制参数。
11.本发明的特点还在于：
12.步骤1中电解cu粉末与氧化锆球的质量之比为1:1，大球和小球之比为4:1，大球直径为9-11mm，小球直径为5-6mm。
13.步骤2具体过程为：选用多个直径为25mm的yg8硬质合金钢模具，将混合粉末a分别放入模具中，设置100-400mpa范围内的多个压强值，相邻两个压强差为50mpa，分别对每个
模具施加不同的压强，压制过程中保持均匀加压，保压时间为1min，得到多个压强下的坯体b。
14.步骤3圆柱试样的高径比为2:1，高度为6mm，直径为3mm，单轴压缩时保持恒定的压缩速率0.25mm/min。
15.步骤3径向压缩时采用的径向压缩模具的圆弧加载角为20
°
，实验恒定压缩速率为0.25mm/min。
16.步骤4具体过程为：
17.步骤4.1、通过断裂强度计算drucker-prager/cap模型中的内聚力d，摩擦角β和与体积塑性相关的硬化曲线pb；
18.步骤4.2、内聚力d，摩擦角β和与体积塑性相关的硬化曲线pb输入有限元软件drucker-prager/cap模型中，并以实际轧机为原型，在有限元软件中建立刚性轧辊；
19.步骤4.3、在有限元软件中使用两个刚性轧辊模拟轧制过程三个阶段，第一个阶段为自由流动区，第二个阶段为咬入区，第三个阶段为形变和硬化区；在第二阶段咬入区建立可变形体曲边梯形模型且咬入角范围在7-9
°
，将drucker-prager/cap模型参数赋予给可变形体曲边梯形模型，其网格类型为8节点六面体线性减缩积分单元；并设置刚性轧辊的轧制速度35-50rpm，轧制间隙为0.1-0.25mm，输出密度云图。
20.步骤5调整参数是指调整电解cu粉末粒径、刚性轧辊的轧制速度、轧制间隙。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，利用drucker-prager/cap模型，通过有限元模拟研究了金属粉末在直接轧制过程中的变形行为，得到各工艺因素对生坯成形质量的影响顺序为粉末级配》轧制速度》轧制间隙。在直接粉末轧制模拟结果的指导下，通过直接粉末轧制实验得到的生坯的平均相对密度在7.5～8.0g/cm3，高于理论密度的80％，其强度满足烧结工艺的转移过程，薄板不会发生断裂。该建模方法、物理参数获取方法以及数值模拟结果可用于指导直接粉末轧制工艺快速成形。本发明为金属粉末的直接轧制工艺提供基础知识，为低成本、高效率的ic引线框架的制备提供理论指导。
附图说明
23.图1a是本发明使用直接粉末轧制过程示意图；
24.图1b是本发明使用直接粉末轧制有限元模型网格图；
25.图2a是本发明实施例1得到的铜薄板的模拟密度分布云图；
26.图2b是本发明实施例1得到的铜薄板的宏观形貌图；
27.图2c是本发明实施例1得到的铜薄板的实验密度分布云图；
28.图3a是本发明实施例2得到的铜薄板的模拟密度分布云图；
29.图3b是本发明实施例2得到的铜薄板的宏观形貌图；
30.图3c是本发明实施例2得到的铜薄板的实验密度分布云图；
31.图4a是本发明实施例3得到的铜薄板的模拟密度分布云图；
32.图4b是本发明实施例3得到的铜薄板的宏观形貌图；
33.图4c是本发明实施例3得到的铜薄板的实验密度分布云图；
34.图5a是本发明实施例4得到的铜薄板的模拟密度分布云图；
35.图5b是本发明实施例4得到的铜薄板的宏观形貌图；
36.图5c是本发明实施例4得到的铜薄板的实验密度分布云图。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
38.本发明一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，具体按照以下步骤实施：
39.步骤1、称取粒径为150μm-74μm电解cu粉末和氧化锆球，电解cu粉末与氧化锆球的质量之比为1:1，大球和小球之比为4:1，大球直径为9-11mm，小球直径为5-6mm；将电解cu粉末、氧化锆球放入三维震动混粉机的混料瓶中混合2h，混合时混粉机的震动频率为40hz，得到混合粉末a；
40.步骤2、选用多个直径为25mm的yg8硬质合金钢模具，将混合粉末a分别放入模具中，设置100-400mpa范围内的多个压强值，相邻两个压强差为50mpa，压强越大，坯体b越致密，在不同的压强下可反应不同的粉末颗粒变形特性，分别对每个模具施加不同的压强，压制过程中保持均匀加压，保压时间为1min，保压时间不宜过短，过短会导致粉末颗粒之间没有形成良好的机械结合，得到多个压强下的坯体b。
41.步骤3、分别将坯体b分割成多个圆柱试样，圆柱试样的高径比为2:1，高度为6mm，直径为3mm，采用万能实验机对圆柱试样分别进行单轴压缩，对坯体b进行径向压缩，单轴压缩时保持恒定的压缩速率0.25mm/min，径向压缩时采用的径向压缩模具的圆弧加载角为20
°
，实验恒定压缩速率为0.25mm/min，并分别计算两种断裂强度；
42.步骤4、将步骤3得到的数据进行计算分析，输入到有限元软件中进行模拟计算，并输出模拟密度云图；具体过程为：
43.步骤4.1、通过断裂强度计算drucker-prager/cap模型中的内聚力d，摩擦角β和与体积塑性相关的硬化曲线pb；
44.步骤4.2、内聚力d，摩擦角β和与体积塑性相关的硬化曲线pb输入有限元软件drucker-prager/cap模型中，并以实际轧机为原型，在有限元软件中建立刚性轧辊；
45.步骤4.3、在有限元软件中使用两个刚性轧辊模拟轧制过程三个阶段，如图1a所示，第一个阶段为自由流动区，第二个阶段为咬入区，第三个阶段为形变和硬化区；在第二阶段咬入区建立可变形体曲边梯形模型(如图1a中的cfgb形成的区域)且咬入角范围在7-9
°
，将drucker-prager/cap模型参数赋予给可变形体曲边梯形模型，其网格类型为8节点六面体线性减缩积分单元(如图1b中所示)；并设置刚性轧辊的轧制速度35-50rpm，轧制间隙为0.1-0.25mm，输出模拟密度云图。步骤5、调整参数，根据模拟密度云图确定指导直接粉末轧制参数。
46.调整参数是指调整电解cu粉末粒径、刚性轧辊的轧制速度、轧制间隙。
47.实施例1
48.本发明一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，具体按照以下步骤实施：
49.步骤1、称取粒径为150μm电解cu粉末和氧化锆球，电解cu粉末与氧化锆球的质量之比为1:1，大球和小球之比为4:1，大球直径为11mm，小球直径为5mm；将电解cu粉末、氧化
锆球放入三维震动混粉机的混料瓶中混合2h，混合时混粉机的震动频率为40hz，得到混合粉末a；
50.步骤2、选用多个直径为25mm的yg8硬质合金钢模具，将混合粉末a分别放入模具中，设置压强值分别为100mpa、150mpa、200mpa、250mpa、300mpa、350mpa、400mpa，分别对每个模具施加不同的压强，压制过程中保持均匀加压，保压时间为1min，得到7个压强下的坯体b。
51.步骤3、分别将7个压强下的坯体b分割成多个圆柱试样，圆柱试样的高径比为2:1，高度为6mm，直径为3mm，采用万能实验机对圆柱试样分别进行单轴压缩，对单轴压缩时保持恒定的压缩速率0.25mm/min，对坯体b进行径向压缩，径向压缩时采用的径向压缩模具的圆弧加载角为20
°
，实验恒定压缩速率为0.25mm/min，并分别计算7个压强下的两种断裂强度；
52.步骤4、将步骤3得到的数据进行计算分析，输入到有限元软件中进行模拟计算，并输出模拟密度云图；具体过程为：
53.步骤4.1、通过断裂强度计算drucker-prager/cap模型中的如内聚力d＝10，摩擦角β＝1.172rad和与体积塑性相关的硬化曲线其中代表体积塑性应变；以及与模型相关的几何形状参数r和过渡区的形状参数α分别为0.6和0.03，cu粉的杨氏模量、泊松比和摩擦系数分别为129.8gpa，0.343和0.329；
54.步骤4.2、内聚力d，摩擦角β和与体积塑性相关的硬化曲线pb输入有限元软件drucker-prager/cap模型中，并以实际轧机为原型，在有限元软件中建立刚性轧辊，其直径为114mm；
55.步骤4.3、在有限元软件中使用两个刚性轧辊模拟轧制过程三个阶段，第一个阶段为自由流动区，第二个阶段为咬入区，第三个阶段为形变和硬化区；在第二阶段咬入区建立可变形体曲边梯形模型且咬入角为7
°
，将drucker-prager/cap模型参数赋予给可变形体曲边梯形模型，其网格类型为8节点六面体线性减缩积分单元；调整刚性轧辊的轧制速度，轧制间隙，输出接近理想的密度云图的模拟密度云图。
56.步骤5、根据步骤4中输出的模拟密度云图所对应的电解cu粉末粒径、轧制速度和轧制间隙指导直接粉末轧制参数。
57.将步骤1中的混合粉末a称取25g备用，将粉末从轧机上方配备的漏斗中倒入，在直接粉末轧制实验开始之前，依靠塞尺测定轧制间隙0.1mm，设置轧制速度为35rpm。本发明实施例1制备的铜薄板的密度分布云图和宏观形貌如图2a-2c所示，通过有限元软件的后处理功能输出直接粉末轧制工艺得到的生坯密度分布云图如图2a所示，可以看出整体呈“舌”形分布。通过直接粉末轧制实验得到的铜薄板宏观形貌如图2b所示，将其进行分区域剪裁，每一区域的尺寸为10
×
10mm，利用阿基米德原理，测量每一片生坯的密度，绘制其实际密度分布云图如2c所示，统计其平均密度值为6.3g/cm3。
58.实施例2
59.本发明一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，具体按照以下步骤实施：
60.步骤1、称取粒径为150μm和74μm电解cu粉末，其质量比为2:1，电解cu粉末与氧化锆球的质量之比为1:1，大球和小球之比为4:1，大球直径为10mm，小球直径为5.5mm；将电解
cu粉末、氧化锆球放入三维震动混粉机的混料瓶中混合2h，混合时混粉机的震动频率为40hz，得到混合粉末a；
61.粒径150μm和74μm电解cu粉末，其质量比为2:1，质量比会影响粉末的流动性，进而流动性会影响铜薄板的成形质量，当质量比为2:1时铜薄板的成形质量较好。
62.步骤2、选用多个直径为25mm的yg8硬质合金钢模具，将混合粉末a分别放入模具中，设置压强为110mpa、160mpa、210mpa、260mpa、310mpa、360mpa，分别对不同模具施加上述不同的压力，压制过程中保持均匀加压，保压时间为1min，得到6个压强下的坯体b。
63.步骤3、分别将6个压强下的坯体b分割成多个圆柱试样，圆柱试样的高径比为2:1，高度为6mm，直径为3mm，采用万能实验机对圆柱试样分别进行单轴压缩，单轴压缩时保持恒定的压缩速率0.25mm/min，对坯体b进行径向压缩，径向压缩时采用的径向压缩模具的圆弧加载角为20
°
，实验恒定压缩速率为0.25mm/min，并分别计算6个压强下的两种断裂强度；
64.步骤4、将步骤3得到的数据进行计算分析，输入到有限元软件中进行模拟计算，并输出密度云图；具体过程为：
65.步骤4.1、通过断裂强度计算drucker-prager/cap模型中的内聚力d＝4，摩擦角β＝1.211rad和与体积塑性相关的硬化曲线其中代表体积塑性应变，以及与模型相关的几何形状参数r和过渡区的形状参数α分别为0.6和0.03，cu粉的杨氏模量、泊松比和摩擦系数分别为129.8gpa，0.343和0.329；
66.步骤4.2、内聚力d，摩擦角β和与体积塑性相关的硬化曲线pb输入有限元软件drucker-prager/cap模型中，并以实际轧机为原型，在有限元软件中建立刚性轧辊，其直径为114mm；
67.步骤4.3、在有限元软件中使用两个刚性轧辊模拟轧制过程三个阶段，第一个阶段为自由流动区，第二个阶段为咬入区，第三个阶段为形变和硬化区；在第二阶段咬入区建立可变形体曲边梯形模型且咬入角为7
°
，将drucker-prager/cap模型参数赋予给可变形体曲边梯形模型，其网格类型为8节点六面体线性减缩积分单元；调整刚性轧辊的轧制速度，轧制间隙，输出接近理想的密度云图的模拟密度云图。
68.步骤5、根据步骤4输出的模拟密度云图所对应的电解cu粉末粒径、轧制速度和轧制间隙指导直接粉末轧制参数。
69.将步骤1中的混合粉末a称取25g备用，将粉末从轧机上方配备的漏斗中倒入，在直接粉末轧制实验开始之前，依靠塞尺测定轧制间隙0.2mm，设置轧制速度为50rpm。本发明实施例2制备的铜薄板的密度分布云图和宏观形貌如图3a-3c所示，通过有限元软件的后处理功能输出直接粉末轧制工艺得到的生坯密度分布云图如图3a所示，可以看出整体呈“舌”形分布。通过直接粉末轧制实验得到的铜薄板宏观形貌如图3b所示，将其进行分区域剪裁，每一区域的尺寸为10
×
10mm，利用阿基米德原理，测量每一片生坯的密度，绘制其实际密度分布云图如图3c所示，统计其平均密度值为7.5g/cm3。
70.实施例3
71.本发明一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，具体按照以下步骤实施：
72.步骤1、称取粒径为150μm和74μm电解cu粉末，其质量比为1:2，电解cu粉末与氧化
锆球的质量之比为1:1，大球和小球之比为4:1，大球直径为9mm，小球直径为5mm；将电解cu粉末、氧化锆球放入三维震动混粉机的混料瓶中混合2h，混合时混粉机的震动频率为40hz，得到混合粉末a；
73.步骤2、选用多个直径为25mm的yg8硬质合金钢模具，将混合粉末a分别放入模具中，设置压强为130mpa、180mpa、230mpa、280mpa、330mpa、380mpa，分别对不同模具施加上述不同的压力，压制过程中保持均匀加压，保压时间为1min，得到6个压强下的坯体b。
74.步骤3、分别将6个压强下的坯体b分割成多个圆柱试样，圆柱试样的高径比为2:1，高度为6mm，直径为3mm，采用万能实验机对圆柱试样分别进行单轴压缩，单轴压缩时保持恒定的压缩速率0.25mm/min，对坯体b进行径向压缩，径向压缩时采用的径向压缩模具的圆弧加载角为20
°
，实验恒定压缩速率为0.25mm/min，并分别计算6个压强下的两种断裂强度；
75.步骤4、将步骤3得到的数据进行计算分析，输入到有限元软件中进行模拟计算，并输出密度云图；具体过程为：
76.步骤4.1、通过断裂强度计算drucker-prager/cap模型中的相关参数如内聚力d＝3.09，摩擦角β＝1.191rad和与体积塑性相关的硬化曲线其中代表体积塑性应变，以及与模型相关的几何形状参数r和过渡区的形状参数α分别为0.6和0.03，cu粉的杨氏模量、泊松比和摩擦系数分别为129.8gpa，0.343和0.329；
77.步骤4.2、内聚力d，摩擦角β和与体积塑性相关的硬化曲线pb输入有限元软件drucker-prager/cap模型中，并以实际轧机为原型，在有限元软件中建立刚性轧辊，其直径为114mm；
78.步骤4.3、在有限元软件中使用两个刚性轧辊模拟轧制过程三个阶段，第一个阶段为自由流动区，第二个阶段为咬入区，第三个阶段为形变和硬化区；在第二阶段咬入区建立可变形体曲边梯形模型且咬入角为8
°
，将drucker-prager/cap模型参数赋予给可变形体曲边梯形模型，其网格类型为8节点六面体线性减缩积分单元，调整刚性轧辊的轧制速度，轧制间隙，输出接近理想的密度云图的模拟密度云图。
79.步骤5、根据步骤4输出的模拟密度云图所对应的电解cu粉末粒径、轧制速度和轧制间隙指导直接粉末轧制参数。
80.将步骤1中的混合粉末a称取25g备用，将粉末从轧机上方配备的漏斗中倒入，在直接粉末轧制实验开始之前，依靠塞尺测定轧制间隙0.25mm，设置轧制速度为40rpm。本发明实施例3制备的铜薄板的密度分布云图和宏观形貌如图4a-4c所示，通过有限元软件的后处理功能输出直接粉末轧制工艺得到的生坯密度分布云图如图4a所示，可以看出整体呈“舌”形分布。通过直接粉末轧制实验得到的铜薄板宏观形貌图如图4b所示，将其进行分区域剪裁，每一区域的尺寸为10
×
10mm，利用阿基米德原理，测量每一片生坯的密度，绘制其实际密度分布云图如图4c所示，统计其平均密度值为5.73g/cm3。
81.实施例4
82.本发明一种计算机辅助设计的铜合金薄板直接粉末轧制制备方法，具体按照以下步骤实施：
83.步骤1、称取粒径为74μm电解cu粉末和氧化锆球，电解cu粉末与氧化锆球的质量之
比为1:1，大球和小球之比为4:1，大球直径为11mm，小球直径为6mm；将电解cu粉末、氧化锆球放入三维震动混粉机的混料瓶中混合2h，混合时混粉机的震动频率为40hz，得到混合粉末a；
84.步骤2、选用多个直径为25mm的yg8硬质合金钢模具，将混合粉末a分别放入模具中，设置压强为130mpa、180mpa、230mpa、280mpa、330mpa、380mpa，分别对不同模具施加上述不同的压力，压制过程中保持均匀加压，保压时间为1min，得到6个压强下的坯体b。
85.步骤3、分别将6个压强下的坯体b分割成多个圆柱试样，圆柱试样的高径比为2:1，高度为6mm，直径为3mm，采用万能实验机对圆柱试样分别进行单轴压缩，单轴压缩时保持恒定的压缩速率0.25mm/min，对坯体b进行径向压缩，径向压缩时采用的径向压缩模具的圆弧加载角为20
°
，实验恒定压缩速率为0.25mm/min，并分别计算6个压强下的两种断裂强度；
86.步骤4、将步骤3得到的数据进行计算分析，输入到有限元软件中进行模拟计算，并输出密度云图；具体过程为：
87.步骤4.1、通过断裂强度计算drucker-prager/cap模型中的内聚力d＝7.45，摩擦角β＝1.184rad和与体积塑性相关的硬化曲线其中代表体积塑性应变。以及与模型相关的几何形状参数r和过渡区的形状参数α分别为0.6和0.03，cu粉的杨氏模量、泊松比和摩擦系数分别为129.8gpa，0.343和0.329；
88.步骤4.2、内聚力d，摩擦角β，和与体积塑性相关的硬化曲线pb输入有限元软件drucker-prager/cap模型中，并以实际轧机为原型，在有限元软件中建立刚性轧辊，其直径为114mm；
89.步骤4.3、在有限元软件中使用两个刚性轧辊模拟轧制过程三个阶段，第一个阶段为自由流动区，第二个阶段为咬入区，第三个阶段为形变和硬化区；在第二阶段咬入区建立可变形体曲边梯形模型且咬入角为9
°
，将drucker-prager/cap模型参数赋予给可变形体曲边梯形模型，其网格类型为8节点六面体线性减缩积分单元，即c3d8r；调整刚性轧辊的轧制速度，轧制间隙，输出接近理想的密度云图的模拟密度云图。
90.步骤5、根据步骤4输出的模拟密度云图所对应的电解cu粉末粒径、轧制速度和轧制间隙指导直接粉末轧制参数。
91.将步骤1中的混合粉末a称取25g备用，将粉末从轧机上方配备的漏斗中倒入，在直接粉末轧制实验开始之前，依靠塞尺测定轧制间隙0.2mm，设置轧制速度为40rpm。本发明实施例4制备的铜薄板的密度分布云图和宏观形貌如图5a-5c所示，通过有限元软件的后处理功能输出直接粉末轧制工艺得到的生坯密度分布云图如图5a所示，可以看出整体呈“舌”形分布。通过直接粉末轧制实验得到的铜薄板宏观形貌图如图5b所示，将其进行分区域剪裁，每一区域的尺寸为10
×
10mm，利用阿基米德原理，测量每一片生坯的密度，绘制其实际密度分布云图如5c所示，统计其平均密度值为4.51g/cm3。
92.通过实施例2a-5c中，以及附图2a-5c可知，本发明一种计算机辅助设计的直接粉末轧制制备方法得到的铜合金薄板的密度和形貌与实际直接粉末轧制工艺得到的铜合金薄板相吻合，且各工艺因素对生坯成形质量的影响顺序为粉末级配》轧制速度》轧制间隙，在直接粉末轧制模拟结果的指导下，通过直接粉末轧制实验得到的生坯的平均相对密度在7.5～8.0g/cm3，高于理论密度的80％，其强度满足烧结工艺的转移过程，薄板不会发生断
裂，该建模方法、物理参数获取方法以及数值模拟结果可用于指导直接粉末轧制工艺快速成形。本发明为金属粉末的直接轧制工艺提供基础知识，为低成本、高效率的ic引线框架的制备提供理论指导。