USTB开题报告.doc

北京科技大学硕士研究生开题报告32目 录1前言11.1 课题来源11.2 课题的研究目的和意义21.2.1 研究目的21.2.2 课题的意义22 文献综述32.1 铜基电子封装复合材料简介32.1.1 颗粒增强型铜基电子封装材料32.1.2 铜基复合材料的制备方法42.2 半固态加工技术简介72.2.1 半固态加工概述72.2.2 半固态金属的形成机理92.2.3 半固态金属浆料的制备方法102.2.4 半固态成形工艺122.2.5 半固态金属成形的工业应用162.2.6 半固态成形技术现状183 课题的研究内容和难点203.1 研究内容203.2 难点204 实验条件214.1 实验材料214.2 实验设备245 实验方案与技术路线265.1 SiC铜基复合材料的制备265.2 电子封装壳体的触变锻造266 研究工作计划和时间安排28参考文献291前言金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃金属封接技术的一种电子封装形式。它广泛用于混合电路的封装，主要是军用和定制的专用气密封装，在许多领域，尤其是在军事及航空航天领域得到了广泛的应用1。传统的电子封装材料由于具有一些不可避免的问题，只能部分满足电子封装的发展要求。Invar、Kovar 的加工性能良好，具有较低的热膨胀系数，但导热性能很差；Mo 和W 的热膨胀系数较低，导热性能远高于Invar 和Kovar，而且强度和硬度很高，所以，Mo 和W 在电力半导体行业中得到了普遍的应用。但是，Mo 和W 价格昂贵、加工困难、可焊性差、密度大，而且导热性能比纯Cu要低得多，这就阻碍了其进一步应用。Cu的导热导电性能很好，可是热膨胀系数过大，容易产生热应力问题。金属基复合材料兼备金属易加工、高导热、高导电的性能以及增强体轻质、低膨胀的性能，同时它还具有良好的尺寸稳定性、高的耐磨性和耐腐蚀性及性能的可设计性2,3。这一系列优点使它成为替代传统电子封装材料的最佳选择。可以预见，随着信息技术继续向小型化、微型化、大容量和高可靠性方向发展，电子封装将朝着高性能、低成本、低密度和集成化方向的发展，对金属封装材料提出越来越高的要求，金属基复合材料将为此发挥着越来越重要的作用，因此，国内对金属基复合材料的研究和使用将是今后的重点和热点之一。本课题将在实验室条件下，利用现有的实验设备，设计配套的实验模具，分别采用半固态加工方法和粉末冶金法制备SiC/Cu复合材料。以此为基础，设计新型的挤压模具并研究挤压工艺参数，采用半固态挤压成形技术，生产优质的电子封装壳体器件。1.1 课题来源国家高技术研究发展计划（863）项目（2007AA03Z119）；中电集团第四十三研究所创新基金项目。 1.2 课题的研究目的和意义1.2.1 研究目的1）在实验条件下，探索采用半固态加工法制备SiC/Cu复合材料的工艺参数，制备得到符合要求的复合材料。2）优化粉末冶金法制备SiC/Cu复合材料各项参数及模具。3）研究该铜基复合材料的半固态触变锻造成形工艺，优化半固态重熔工艺参数和锻压工艺参数；获得符合工业化生产的半固态模锻成形的工艺参数。1.2.2 课题的意义到目前为止，颗粒及纤维增强铝基复合材料已在电子封装材料领域得到了广泛应用，其材料制备及加工工艺已日臻成熟，铝基复合材料产品的使用开发及理论研究也逐渐深入。然而与铝基复合材料相比，有关铜基复合材料的理论研究与开发应用尚不成熟，迫切需要进行更多的探索和研究。铜基复合材料具有与铝基复合材料相似的性能，如优良的物理和力学性能以及适中的价格，可以作为导电、导热功能材料用于航空航天、微电子等领域。而且由于Cu 的热膨胀系数比Al 低，但导热率比Al 高，因此选用Cu 代替Al 制备的铜基复合材料将是极具竞争力的候选材料之一。目前，高强度导电铜基复合材料在美国、日本、德国等发达国家开发研究异常活跃，并在某些方面取得突破性进展；我国也把目光投向铜基复合材料，并对其物理和力学性能进行了逐步的探索和研究4。2 文献综述2.1 铜基电子封装复合材料简介2.1.1 颗粒增强型铜基电子封装材料颗粒增强型铜基复合材料所用的增强相粒子主要有W、Mo、SiCp 等低膨胀系数粒子。在常规的颗粒增强型结构复合材料中，增强相的体积分数一般都很小，而对于电子封装用颗粒增强铜基复合材料而言，由于Cu 本身的热膨胀系数较大，为了能够与Si、GaAs 等芯片的基体相匹配，需要加入大量的低膨胀颗粒，才能得到热膨胀系数较低的电子封装材料。如在Mo/Cu 复合材料中，Mo 的质量分数为60%85%，其热膨胀系数在(6.279.0)106/K，热导率在150220 W/(mK)。在Mo/Cu 复合材料出现前，人们对W/Cu 电子材料的理论研究比较多，建立了各种各样的数学模型预测其热学性能。由于航空航天及军事领域对重量的要求，使得人们寻求一种密度更低的材料，Mo/Cu 电子材料逐渐得到了人们的重视。与W/Cu 相比，Mo/Cu 的CTE 值和TC 值相差不大，但密度却比W/Cu 低得多，这在航空航天领域有着明显的经济意义。与SiCp/Al 相比，Mo/Cu 复合材料密度较大，但是Mo/Cu 复合材料具有一定的微波屏蔽功能，并且强度高、稳定可靠。Mo/Cu、W/Cu 复合材料也存在着一些缺点：Cu-Mo和Cu-W 之间不相溶或润湿性极差，而且二者的熔点相差很大，给材料制备带来了一些困难；同时制备的W/Cu 及Mo/Cu 复合材料气密性不好，致密度较低，影响其封装性能5,6。SiCp 因其高强度、高模量、低的热膨胀系数和低成本被广泛用作一种颗粒增强体，用于制备颗粒增强铜基复合材料。吉元等人7 采用热等静压的方法制备了SiCp/Cu 复合材料，并指出在SiCp/Cu复合材料中，增强体的体积分数存在一个临界值(50%)。当SiC 颗粒体积分数低于临界值时，Cu 基体中SiC 颗粒是孤立分布的，由连续的Cu 基体提供一个畅通的导热通道。当SiC 颗粒体积分数高于临界值后，基体合金被SiC 颗粒切断，呈断续状，导致材料的导热率明显降低。Shu 等人8 研究了SiCp/Cu 复合材料的热膨胀行为指出，在一定的温度下，复合材料的CTE 值随着颗粒尺寸的增加而增大。这可能是因为大颗粒较容易在基体中聚集较大的应力，在随后的加热和冷却过程中会释放出来，这样会产生较大的应变，即较大的CTE 值。钟涛兴等人9 也有类似的观点，他们认为，当SiCp 体积分数一定时，颗粒的界面面积与应力成反比，颗粒的大小直接影响着应力的大小。为了获得较低的热膨胀系数，应选用粒度较小的颗粒。作者利用真空热压烧结方法结合化学镀铜工艺制备了SiCp 体积分数为30%50% 的SiCp/Cu 复合材料，但当SiCp 体积分数为30% 时，SiCp/Cu 复合材料的热导率达到236.2 W/(mK)10。2.1.2 铜基复合材料的制备方法铜基复合材料的制备方法很多，如内氧化法、粉末冶金法、复合铸造法、机械合金化法、浸渍法、燃烧合成法、溅射成型法、原位形变法等，各有其优缺点。下面对主要的制备方法及其大致发展趋势进行叙述，以期对制备工艺进行优化或为开发新的制备方法提供参考。1）内氧化法内氧化法目前主要用于制备Cu/Al2O3复合材料。其工艺过程为：将铜铝固溶合金熔体用氮气之类的高压气体雾化，制得粉末；将得到的粉末与氧化剂 (细小的氧化铜粉末)混合；将混合粉加热到高温，使氧化铜分解，同时生成的氧扩散到铜铝固溶合金的颗粒中，与铝反应生成Al2O3(铝比铜更易生成氧化物)；待铝完全被氧化后，在氢或分解氨气氛中将粉末加热，以还原粉末中过量的氧，最终制备出Cu/Al2O3复合材料。该工艺的缺点主要是反应过程中所需要的氧含量难以控制，而且生产成本昂贵11。2）粉末冶金法粉末冶金法的主要工艺过程为：制取复合粉末复合粉末成型复合粉末烧结12，主要用于制备颗粒弥散强化类材料，工艺成熟，材料性能也较好，但存在生产工艺复杂、生产效率低等不足。在烧结过程中，采用热等静压可得到较致密的材料，且材料的密度分布均匀，有利于提高材料的综合性能。尝试在粉末制备过程中使用不同的强化相也是粉末冶金制备工艺发展的一个方向。总之，粉末冶金法可以制备宽范围体积分数的复合材料，而且便于控制成分，但粉末冶金制品的致密度、工艺简化和成本问题是需要解决的问题。3）复合铸造法（半固态加工法）复合铸造法是将增强相与铜基体一起熔化或边搅拌基体熔体边加入增强相，然后再剧烈搅拌熔体至半固态，注入铸型，制备铜基复合材料的方法13。这种方法可以在一定程度上解决增强相的偏析问题，而且生产工艺简单，适应复合材料大规模工业化生产，有一定的发展优势, 但制备出的材料性能较低。用复合铸造法制备复合材料时，在搅拌过程中，由于剧烈地搅拌，会卷入大量的气体，在铸造过程中无法排除，在铸件中形成气孔，大大降低了材料的性能。为了尽量排除材料铸造过程中的气孔，采用真空铸造可以消除搅拌过程中的吸气，但增加了设备费用，增长了工艺流程。所以铸造过程中熔体的除气是复合铸造方法的一大难点。4）机械合金化法机械合金化是利用高能球磨机，按一定比例混合金属粉末和强化物质，反复研磨，使二者反复变形，粉碎和粘合而合金化和均匀化14。该种方法可将熔点相差悬殊的两种金属、金属间化合物合金化或复合化，而且在球磨过程中可以原位反应形成增强相。通过高能球磨将金属钨粉和铜粉混合进行长时间研磨，可制得高度均匀分布的超细钨铜复合粉末，其具有极均匀纳米尺寸的钨相和铜相结晶组织。含铜30%(质量分数)的钨铜混合粉球磨50h后，可得到2030 nm的钨相，将此纳米粉成型并在较低温度下烧结，可得到相对密度98%、钨晶粒600 nm、组织均匀的钨铜复合材料15。5）机械混合法机械混合法是将2种金属粉末以一定的比例装于球磨罐中，密封后以一定的旋转速度进行混料。这种混料方式，除了能使粉末混合均匀外，还兼有高能球磨能进一步粉碎添加相并控制粉末粒度的作用。混料前一般要在球磨罐中通入保护气体（如惰性气体），以防止粉末的氧化。有时为了防止粉末在混料过程中的粘结，还需加入适当的润滑剂。用这种方法制备铜基复合粉末，工艺参数容易控制，成本也比较低16。6）压力浸渍法（挤压铸造法）压力浸渍法是在一定压力下，将增强体预制件浸在铜或铜合金的熔体中，使熔体在预制件中浸透，形成复合材料的方法17。压力浸渍法可制备各种尺寸大小的部件，而且强化相的体积分数可调，强化相的种类多，工艺简单，可近终形成型。用压力浸渍法制备铜基复合材料需要铜基体和增强相之间有良好的润湿性，而且增强体预制件的制备也是比较复杂的工艺，限制了压力浸渍法更广泛的应用。7）溶胶-凝结法溶胶-凝胶法是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺。其基本原理是将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料18。溶胶-凝胶法具有许多优点，例如化学均匀性好、高纯度、颗粒细、操作简便等。溶胶-凝胶法工艺过程容易控制、增强相颗粒细小，成本低，有很好的工业应用前景。8）液相反应原位生成法液相反应原位生成工艺是美国麻省理工学院的制造与生产力实验室研究人员发明的一种金属基复合材料（MMC）的制备方法。其过程是将2种或2种以上的金属液流以涡流状相对喷射，产生化学反应后形成弥散相，弥散相粒子一般在50nm左右。由于第二相增强相是在凝固的过程中原位形成的，避免了表面污染和氧化，而且没有人工复合材料中存在的界面润湿及化学反应，这样提高了材料的完整性，发挥了铜基体导电和第二相增强相的强化作用。液相反应原位生成法可方便地通过控制过程的工艺参数和反应元素的加入量来调节基体组织中的颗粒含量、尺寸和分布，且易于同连续铸造等技术相结合，成型方便，成本相对低廉。9）固相反应生成法固相反应生成法即自蔓延高温合成法(SHS)，其反应有2种基本模式：从局部引燃粉体，反应以燃烧波方式传播的自蔓延模式；迅速加热粉体直接合成，反应在整个粉末体内部同时发生的整体反应模式。固相反应生成法的优点在于过程简单，产品纯度高，容易获得复杂相或亚稳定相，应用范围广，缺点是产品的致密度低，不能严格控制反应过程和产品的性能。10）反应喷射沉积法反应喷射沉积法是在液相反应和喷射沉积工艺的基础上发展起来的一种制备铜基复合材料的有效方法。主要分为喷雾沉积法（RAD）和反应低压等离子喷射沉积法（RLPPS）。其基本原理是液态金属铜通过特殊的喷嘴，在保护气氛（如氮气、氩气等）中雾化成细小的金属流，同时将颗粒喷入熔融的金属射流中，使液固两相混合并共同沉积到经预处理的衬底上，最终凝固得到铜基复合材料。反应喷射沉积法的优点主要是：晶粒细小，无宏观偏析，颗粒均匀分布于基体中；一次性快速复合成坯料，生产工艺简单，效率高。2.2 半固态加工技术简介2.2.1 半固态加工概述随着科学技术的飞速发展，材料加工技术现在已经形成了一个丰富多彩的庞大体系。根据加工成形时材料的状态不同可以大致分为固态成形和液态成形两大类。固态成形是利用材料的固态塑性流动特性进行成形的一大类成形技术。其技术特征是加工成形温度低于固相线温度，传统的锻造、轧制、挤压、拉拔及冲压等都属于此类。液态成形则利用材料在液态时的粘性流动特性进行成形。其技术特征是成形温度高于液相线温度，成形过程发生液固转变。这种成形方法主要是各种铸造方法，如砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造、挤压铸造等。20世纪70年代初，美国麻省理工学院的D. B. Spencer在其导师M. C. Flemings教授指导下进行钢铁铸造时的“热裂”现象的研究时，在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时发现，在搅拌中合金的枝晶结构遭到破坏，金属在凝固过程中存在特殊的力学行为 19 ，即金属在凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高固相率时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力。这种特殊性能是由于基体中存在独特的球状颗粒结构，随即人们对此进行了广泛深入的研究，将其发展成为半固态金属加工技术 (Semi-Solid Metal Forming Processes,简称SSM或S2P-Semi-Solid Processing)。半固态成形的工艺路线有两条：一条是将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态成形，通常被称为流变铸造（Rheocasting），即直接触变成形（Thixomolding）；另一条是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工，通常被称为触变成形（Thixoforming）。图2-1所示20为半固态成形的工艺路线。原料配制挤压、切拉制浆压铸铸造、挤压、轧制二次加热射铸成形剪切成块半固态坯料压铸熔化锻造变形(应变诱导)半固态制件或毛坯快速冷却触变成形流变成形图2-1 半固态成形工艺路线2.2.2 半固态金属的形成机理金属熔液开始结晶时，伴随强烈的搅拌，晶核快速形成并长大。随着温度的下降，虽晶粒仍是以枝晶生长方式生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化。随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球形结构，演化过程如图2-2所示21。图2-2 球状颗粒的演变过程关于半固态金属非枝晶球化的机制，目前还没有定论。Flemings等人认为，初始球状颗粒的形成与以下枝晶断裂机制有关 22 ,23 ：1）枝晶臂根部断裂机制。由于切变力的作用，枝晶臂在根部断裂。最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体，施加强力搅拌产生的剪切力使枝晶臂在根部断裂。2）枝晶根部熔断机制。晶体在正常长大的过程中，由于液体流动加速扩散，引起热振动，加之根部应力，从而有利于枝晶根部发生熔断。同时根部固体中较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进此机理的作用。3）枝晶弯曲机制。此机制认为，枝晶臂在流动应力下发生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度，位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差超过20，晶粒晶界能超过固-液界面能的两倍时，液体将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与主干分离开。半固态金属的内部特征如图所示固液两相混合共存，在固相边界存在金属液体。根据固相分数不同，其状态不同，高固相率时液相成分仅限于部分界面（见图2-3a），低固相率时，固相颗粒游离在液相成分当中（见图2-3b）20。图2-3半固态金属内部结构示意图a.高固相率 b.低固相率2.2.3 半固态金属浆料的制备方法制备具有触变性的非枝晶组织半固态浆料是实现半固态成形的首要环节。目前浆料制备方法很多，具有代表性的有机械搅拌法、电磁搅拌法、电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法(SIMA)、喷射沉积法 (Ospray)、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、SIMA 控制法和合金浇注温度法是最具工业应用前景的方法。具体分述如下：1）机械搅拌法：机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。它是在固液共存的温度范围内用机械的方法对凝固体系进行剧烈搅拌，得到非枝晶球形固相颗粒悬浮于液相中的混合浆料，然后在合适的固相分数下浇入锭模形成可供半固态成形用的坯料。其分为间隙式和连续式两种，如图2-4所示24。目前研究的热点是改进搅拌器以改善浆液的搅拌效果。如采用螺旋式搅拌器制备半固态浆液，强化了筒内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，进而提高坯料的力学性能。图2-4 机械搅拌装置示意图2）电磁搅拌法是应用最为广泛的一种方法。它利用旋转磁场使金属液内部产生感应电流，并在洛伦兹力的作用下发生强迫对流，从而达到搅拌的目的。产生旋转磁场的方法有两种，一种是在感应线圈中通入交变电流，另一种则采用旋转永磁体的方法。电磁搅拌所引起的对流是三维对流，剪切速率在500/s 左右，搅拌效果较好。它最大的优点是对合金熔体没有污染，卷入的气体量少，合金不易氧化。使用该方法可实现连铸，生产效率高。但电磁搅拌设备昂贵，且工艺也较复杂。3）应变诱发熔化激活法 (SIMA)：应变诱发熔化激活法是将常规铸锭经过挤压、滚压等预变形工艺制成具有强烈拉长形变结构显微组织棒料，然后加热到固液两相区等温一定时间， 被拉长的晶粒变成了细小的粒状颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织坯料。一般认为，其机理是熔化的部分液相渗入小角度晶界中，树枝晶侧枝熔断而成为初生球状晶粒。通过添加微量元素和进行循环热处理，可使晶粒尺寸减小，初生相的颗粒圆整，缩短了初生相球粒化的时间。SIMA工艺效果主要取决于低温热加工和重熔两个阶段，若在两者间设置冷加工工序可以增加工艺的可控性。SIMA 技术适用于各种高、低熔点的合金系列，尤其对制备较高熔点的非枝晶合金具有独特的优越性，已成功应用于不锈钢、工具钢和铜合金、铝合金，并获得了晶粒尺寸20m左右的非枝晶组织合金，它将是一种有前景的坯料制备方法。4）超声波处理法：V. Dobatkin25等人提出了在液态金属中加细化剂，并进行超声波处理后获得半固态铸锭的方法，超声细化的机理认为：一是超声波的气蚀作用促进形核；二是枝晶的枝杆破断后成为新晶粒的形核核心。5）浇注温度控制法：东南大学和日本的Arest研究所以及东北大学26发现，通过控制合金的浇注温度，初生枝晶组织可转变为球粒状组织。该方法的特点是不需要加入任何合金元素也无需搅拌。6）剪切-冷却-滚动法SCR（Shearing-cooling-rolling）27：制备装置由一旋转的剪切/ 冷却滚筒，固定在支撑架上的弯曲模块和1个出料导板组成。滚筒和导板的间隙可调，温度亦可调。金属液由顶部进入滚筒与弯曲模板的间隙中，由旋转的滚筒所产生的摩擦力将其卷入间隙内部，此时金属液冷却、凝固并出现树枝晶，但随即又被旋转滚筒和固定弯曲模板所产生的剪切力冲刷成细小颗粒分散在剩余液相中，最终成为具有非枝晶组织的半固态浆料，从下方的出料导板排出。该装置简单且操作维修方便，滚筒表面与金属液周期性接触，温度不会升得很高，可以降低滚筒材料的高温强度要求，滚筒和模板的冷却也较易实现，达到高的冷速可以使用空心滚筒。此外，滚筒与模板表面的温度以及两者的间隙可独立调整，因此比较容易达到制坯所需的工艺条件。目前用此法已经制备出铝合金半固态坯料，该工艺方法适合于大批量生产。7）化学晶粒细化法：化学晶粒细化法是添加晶粒细化剂或变质剂，增加外来晶核数目及改变结晶方式来细化晶粒与改善结晶组织，使生产的坯料适合于半固态铸造28。综上所述，制坯方法较多且各具特点，但从生产效率、简便、可靠以及经济原则考虑，在目前乃至今后较长一段时间内，半固态浆料制备方法主要采用电磁搅拌连铸工艺。2.2.4 半固态成形工艺1）半固态锻造29 半固态锻造是将加热到半固态的坯料在锻模中进行以压缩变形为主的小飞边模锻以获得所需形状、性能制品的加工方法。半固态锻造可以成形变形抗力较大的高固相率的半固态材料，并达到一般锻造难以达到的复杂形状。此外，对于那些用普通锻造方法难以成形的超合金，若采用半固态锻造技术，就有可能制造出特殊的耐热零件。图2-530是半固态锻造成形的示意图。通常，在锻造加工的初期，坯料表面多为自由表面，随着加工力的施加，坯料的内部液相成分单独流动，一部分液相成分从表面溢出。流出的液相成分集中在坯料表面，和坯料一起变形流动充满模腔，冷却凝固后成为制品。因此，半固态锻造品的内部组织容易产生不均匀性，而表层多为液相成分凝固而形成的组织。图 2-5半固态锻造成形示意图这种内部组织的不均匀性有时对零件是不利的，但有时是可以加以利用的。例如，可利用这一特性制造一种表层到内部力学性能不同的制品。半固态锻造球墨铸铁零件时，零件中心部分为韧性好的母材，表层部分为硬度高的白口铸铁，可以获得耐磨性和韧性兼而有之的机械零件。2）半固态挤压如图2-6所示，半固态挤压的加工工步和热挤压加工的情况基本相同，即用加热炉将坯料加热到半固态，然后放入挤压模腔，用凸模施加压力，通过凹模口挤出所需制品。坯料固相率在75%以下时，坯料有因自重而破坏的情况。因此在加热和取出放入模腔时，应采用专用的容器或运输托架等辅件，以便保持坯料的固相率。半固态的坯料在挤压模腔内处于密闭状态，流动变形的自由度低，内部的固相成分、液相成分不易单独流动，除挤压开始时部分液相成分有先行流出的倾向外，在进入正常挤压状态后，两者一起从模口挤出，在长度方向上得到稳定均一的制品。图 2-6半固态挤压工艺过程简图3）半固态轧制具有球状晶的金属合金材料加热到处于半固态时，仅具有维持其固体形状不被破坏的强度，变形抗力很低，这种性质对轧制成形有利。现在开发的一种半固态轧制工艺是在轧机的入口处设置加热炉，将被轧制材料加热到所需求的半固态后，送入轧辊间轧制的方法。试验对象主要是板材的轧制成形。实验表明，由于固相率的高低不同，轧辊咬入区内被轧制材料的变形和流动行为有很大不同。被轧制材料的固相率高的情况（例如固相率在90%以上），其变形和固体金属热轧制情况大致相同，内部固相成分和液相成分共同被轧制，可得到均一的轧制成品。固相率在70%以下，轧辊间隙中被轧制材料的液相成分和固相成分的流动、变形分别单独进行。由于轧辊施加的压力而引起的静水压力的影响，轧辊间隙内开始有液相成分从固相成分间隙间溢出流动，流向压力减小的方向，即轧辊间隙的入口处被轧制材料的表面流出的液相成分，通常被轧辊冷却凝固后再次被引入轧辊间隙里轧制成成品。半固态轧制液相成分和固相成分的变形流动情况见图2-7。图 2-7半固态轧制示意图4）半固态压铸流变铸造液态金属在半固态坯料制造装置上部的容器内生成，而后向下流到一个环形空间中，在那里液态金属被中心搅拌器搅动的同时被冷却，部分发生凝固。这种流变铸造金属浆从出口流出时，可在高液相率状态下直接压铸。如图2-8所示。图2-8流变铸造工艺示意图(a) 半固态坯料制造装置(b) 传输器中的半固态坯料(c) 半固态坯料浆注入模腔5）半固态压铸触变铸造触变铸造是将固体材料加热到所要求的半固态后放入容器内，用活塞压入模具填充凝固得到制品的方法。这种情况下，充型前坯料的固相率和流变铸造相当或略高一些。半固态金属在一定条件下因静止状态而呈较大的粘性，保持固态形状。此时若施加剪力，其粘度大大降低，流动性恢复，触变铸造就有效地利用了这一半固态金属特有的触变特性。其工艺过程如图 2-9 所示。这一工艺过程最显著的特点是变形坯料在压铸射出前呈固态，射出时产生的剪力又可以使坯料具有充型所需的良好的流动性，这样，和普通压铸相比，触变铸造就能大幅度提高生产率。图 2-9触变铸造工艺示意图(a) 半固态坯料制造装置(b) 半固态坯料(c) 半固态坯料下料(d) 坯料再加热(e) 坯料输送到压铸设备(f) 压铸成形2.2.5 半固态金属成形的工业应用1）在铝合金制备中的应用目前半固态最成功和最广泛的应用是在铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区的合金体系。为此，成为人们首先深入研究的对象，至今为止，有关研究半固态成形的论文至少60 %都与铝合金有关。在铝合金工业中，包括Al2Cu 合金、Al2Si合金、Al2Pb合金和Al2Ni 合金等，特别值得一提的是半固态成形技术已开始应用于制备铝合金制品。目前，半固态成形的铝合金零件重量可达 10kg。2）半固态技术在材料连接中的应用高强度、耐磨损、耐腐蚀、低密度以及降低成本等要求，往往要将异种材料连接或制备成高性能的复合材料。在材料连接与复合材料制备中存在如何提高异种材料之间结合力的共同问题。 由于物理性能、化学性能及力学性能等显著差异，其合理的复合方法有限，比较成熟的工艺方法有钎焊、扩散连接、摩擦焊接、爆炸连接等。这些方法除了工艺复杂并需要专用设备外，还存在会产生残余应力、生成连续脆性化合物等缺陷。随着近年来对半固态材料研究的日益广泛，一些研究者已经开始利用半固态浆料中的液相成分活跃的扩散性能，将其作为一种新型材料的连接手段，用在焊接和层状复合材料的制备中。采用半固态连接技术，在固液两相区内能够达到双层复合管之间的充分扩散而又能避免连续的脆性中间相的生成，对连接条件要求比较低，可以提高双层复合管之间的结合强度，改善接头的不均匀性，并且材料连接简单易行。通过加压和延长保温时间还可以调整固液相比例和控制固相成分的形态和分布，起到控制接头性能的目的31。处于半固态的材料，靠液相良好的扩散性能连接材料，而固相成分起着调整接头、减小接头不均匀的作用。与普通焊接相比，采用半固态技术进行连接得到的接头微观组织为等轴晶；一道次可以填加更多的焊缝材料；没有烟尘和飞溅物；接头的强度可以达到或接近基体的强度。但加工过程受基体与半固态填料的温度区间的影响比较大，同时还要考虑到如何避免表面氧化和污染的问题32。3）半固态技术在复合材料制备中的应用金属基复合材料是近年来发展迅速的新材料。以前的制备方法多为常规铸造法、粉末烧结法、浸透等方法。这些方法制备复合材料存在的主要问题是非金属与金属之间浸润难、成本高， 而且质量不稳定。这些问题的存在阻碍了金属基复合材料的推广应用 33 。半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较容易地加入非金属填料，而且只要选择好适当的加入温度和搅拌工艺，有利于提高非金属填料和半固态金属之间的界面结合强度33 ,34 。非金属填料的加入也有效地阻止了球形微粒的簇集。非金属填料的加入对后续的部分重熔和触变成形非常有利。目前，在金属基复合材料中应用 SSM 成形方法也是一个研究热点。2.2.6 半固态成形技术现状1）国外现状20世纪80年代以来，半固态加工技术已得到各国科技工作者的普遍承认，针对这种加工技术开展的许多工艺实验和理论研究已取得了很多成果。半固态成形发源于美国，因此美国在这项技术方面处于全球领先地位。Alumax公司率先将此技术转化成生产力，1978 年，它使用MHD技术生产出供触变成形用的圆锭。1994年和1996年，Alumax公司分别建成了两座半固态铝合金成形汽车零件的生产工厂，它们生产的半固态模锻铝合金汽车制动总泵体，由于毛坯尺寸接近零件尺寸，机加工量只占铸件质量的13 % ，而同样的金属型铸件的加工量则占铸件质量的40%。另外半固态成形的汽车制动泵体质量比金属型铸造的质量轻13 %。到1997年，上述两厂的半固态铝合金成形的生产能力分别达到5000万件。该公司共拥有相关专利60多项。Thixoma公司则使用半固态注射成形专利生产镁合金零件；ITT公司用半固态加工技术进行黄铜电接插件的生产。目前Alumax铝业公司的Mt Holly铝厂和Intalco铝厂已生产出直径76. 2mm 和52. 4mm的MHD 锭。HMM 公司为通用生产汽车零件(A3562T6) 日产5000件，并计划将产量提高4倍。另外EPCODifision，HPMCorporation，Italpresseo-America，rince Machine Corporation等公司已能生产半固态铝合金触变成形的专用设备，并通过对压铸过程进行动态监控，善了压铸件，降低了废品率，节约了能源35。在欧洲，从20世纪80年代以来，意大利、英国、瑞典、德国等国家在半固态成形应用方面做了大量的研究。意大利是半固态加工技术应用最早的国家之一 ，Stampal-Saa公司使用此技术为Ford汽车公司生产齿轮箱盖和摇臂的国内零件。MM (MagnetiMarelli) 公司为汽车工业生产半固态铝合金成形的Fuelinjection Rail零件，在2000年日产达到7500件。Weber公司从1993年开始用半固态技术为Nuova Lanacia Delta 公司生产油料注射挡。瑞士的Bubler公司已生产出铝合金触变成形的专用SC型压铸机和铝合金半固态坯料的专用二次加热设备。同时，德国的EFU、法国的 Pechiney SA 、瑞士的AlusuisseLonza、意大利的Fiat等国际知名公司也都在生产中采用了半固态加工技术36。2）国内现状半固态金属加工技术的研究在我国起步较晚，始于20世纪70代后期。先后有不少科研院所开展了这方面的研究。但他们主要都利用机械搅拌法进行流变铸造和触变铸造研究。中科院金属所是最早进行半固态加工技术研究的单位之一37，较早进行了“铝合金半固态铸造”的研究，自行研制了“半固态浆料的制备设备”。20世纪80年代后期，我国开始半固态复合材料和应用的研究。东北大学采用液相线铸造法以变形铝合金2618和7075 例，对半固态成形性、热处理及成品机械性能做了系统的研究，并正在推广工业应用38。近年来，在国家重大基金项目的支持下，科研工作者对半固态加工关键技术的研究有了突破性进展。北京有色金属研究总院在国家“863 计划”的支持下，对铝合金的半固态加工技术进行了研究，自行设计了一条半固态材料制备试验线，设计能力100 t/年，于1998年10月实现了铝合金半固态连续流变铸造39。北京科技大学和中科院金属所在国家自然科学基金的支持下，对钢铁材料半固态直接成形进行了基础性研究，在铸铁、弹簧钢、不锈钢和高碳钢等高熔点合金材料的半固态加工技术方面取得了长足的进展和阶段性成果 4042 。目前，应用半固态加工技术制备金属基复合材料已是一个新的研究热点。利用半固态金属粘度大且可调的原理。可克服大部分增强材料和金属液之间润湿性不好而难以复合的难点，依靠半固态金属阻止增强材料因比重小而上浮，得到增强材料在母液中均匀分布的金属基复合材料。武汉理工大学和哈尔滨工业大学分别进行了铝合金的Al2O3颗粒增强和短碳纤维增强的半固态加工研究。获得了比液态铸造复合材料性能更优异的增强铝基复合材料 43 ,44 。3 课题的研究内容和难点3.1 研究内容1）半固态加工方法制备SiC铜基复合材料工艺。2）粉末冶金方法制备SiC铜基复合材料工艺。3）所制备的颗粒增强复合材料的宏、微观组织，并研究其界面反应情况、颗粒的润湿性，以及孔隙率等。4）二次加热温度的研究。5）研究半固态锻造成形的工艺参数。6）成形零件进行组织性能分析。3.2 难点1）半固态方法制备SiC铜基复合材料时，由于铜的密度大，导致SiC颗粒全部浮在表面而无法与铜融合在一起，所以控制高的固相率是半固态方法制备SiC铜基复合材料的难点。2）粉末压制时压制压力对坯料的密度有很大影响，而且现在需要制备的坯料高度较大，没有现成的经验，研究合适的压制力是制备出合格坯料的关键。3）坯料在从加热炉移到模具中进行锻造会有一定的温降，并且坯料会在重力的作用下塌陷，无法夹持，测定温降与时间的关系及设计合适的夹持工具是保持最佳固相率的保障。4）目前采用下挤压杆挤压时压力不够，采用上挤压杆时不好脱模，合理的优化模具成为生产出预定壳体的关键。4 实验条件4.1 实验材料黄铜是由铜和锌所组成的合金。如果只是由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜。如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。如由铅、锡、锰、镍、铅、铁、硅组成的铜合金。黄铜有较强的耐磨性能。特殊黄铜又叫特种黄铜，它强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强。还有切削加工的机械性能也较突出。由黄铜所拉成的无缝铜管，质软、耐磨性能强。黄铜无缝管可用于热交换器和冷凝器、低温管路、海底运输管。制造板料、条材、棒材、管材，铸造零件等。含铜在62%68%，塑性强，制造耐压设备等。 根据黄铜中所含合金元素种类的不同，黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜两种。压力加工用的黄铜称为变形黄铜。 1）普通黄铜 普通黄铜的室温组织 普通黄铜是铜锌二元合金，其含锌量变化范围较大，因此其室温组织也有很大不同。根据CuZn二元相图（图4-1），黄铜的室温组织有三种：含锌量在35%以下的黄铜，室温下的显微组织由单相的固溶体组成，称为黄铜；含锌量在36%46%范围内的黄铜，室温下的显微组织由（+）两相组成，称为（+）黄铜（两相黄铜）；含锌量超过46%50%的黄铜，室温下的显微组织仅由相组成，称为黄铜。 压力加工性能 单相黄铜（从H96至H65）具有良好的塑性，能承受冷热加工，但单相黄铜在锻造等热加工时易出现中温脆性，其具体温度范围随含Zn量不同而有所变化，一般在200700之间。因此，热加工时温度应高于700。单相黄铜中温脆性区产生的原因主要是在Cu-Zn合金系相区内存在着Cu3Zn和Cu9Zn两个有序化合物，在中低温加热时发生有序转变，使合金变脆；另外，合金中存在微量的铅、铋有害杂质与铜形成低熔点共晶薄膜分布在晶界上，热加工时产生晶间破裂。实践表明，加入微量的铈可以有效地消除中温脆性。 图4-1 CuZn二元相图两相黄铜（从H63至H59），合金组织中除了具有塑性良好的相外，还出现了由电子化合物CuZn为基的固溶体。相在高温下具有很高的塑性，而低温下的相（有序固溶体）性质硬脆。故（+）黄铜应在热态下进行锻造。 含锌量大于46%50%的黄铜因性能硬脆，不能进行压力加工。CuZn31Al2是CuZn合金中最适合进行半固态加工的一种，具有漂亮色泽、加工性、延展性、伸抽性良好，易于电镀或涂装，焊接性佳，更富耐蚀性。可应于汽车水箱管，摁扣、照相机、散热片等。机械性能 黄铜中由于含锌量不同，机械性能也不一样。对于黄铜，随着含锌量的增多，b和均不断增高。对于（+）黄铜，当含锌量增加到约为45%之前，室温强度不断提高。若再进一步增加含锌量，则由于合金组织中出现了脆性更大的r相（以Cu5Zn8化合物为基的固溶体），强度急剧降低。（+）黄铜的室温塑性则始终随含锌量的增加而降低。所以含锌量超过45%的铜锌合金无实用价值。2）特殊黄铜 为了提高黄铜的耐蚀性、强度、硬度和切削性等，在铜-锌合金中加入少量（一般为1%2%，少数达3%4%，极个别的达5%6%）锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素，构成三元、四元、甚至五元合金，即为复杂黄铜，亦称特殊黄铜。锌当量系数 复杂黄铜的组织，可根据黄铜中加入元素的“锌当量系数”来推算。因为在铜锌合金中加入少量其他合金元素，通常只是使Cu-Zn状态图中的/（+）相区向左或向右移动。所以特殊黄铜的组织，通常相当于普通黄铜中增加或减少了锌含量的组织。例如，在Cu-Zn合金中加入1%硅后的组织，即相当于在Cu-Zn合金中增加10%锌的合金组织。所以硅的“锌当量”为10。硅的“锌当量系数”最大，使Cu-Zn系中的/（+）相界显著移向铜侧，即强烈缩小相区。镍的“锌当量系数”为负值，即扩大相区。特殊黄铜的性能 特殊黄铜中的相及相是多元复杂固溶体，其强化效果较大，而普通黄铜中的及相是简单的Cu-Zn固溶体，其强化效果较低。虽然锌当量相当，多元固溶体与简单二元固溶体的性质是不一样的。所以，少量多元强化是提高合金性能的一种途径。 4.2 实验设备1） YT32-200C型四柱液压机（YT32-200C Four Column Hydraulic Press），技术参数如表4-1所示。表4-1序号No 项目Items单位Unit 数值Value1公称力 CapacityKN20002主缸回程力 Return force of main cylinderKN4803顶出缸顶出力 Knockout forceKN4004最大压力Max.pressure of liquidMPa255控制油路压力Pressure of control oil circuitMPa1.2-1.56滑块最大行程 Max. ram stroke mm7107开口高度 Daylightmm11208顶出缸最大行程Max.knockoutcylinder stroke mm 2502） 箱式电阻炉，技术参数如表4-2所示。表4-2产品型号HXR-200使用温度RT1000炉膛有效尺寸200280mm(DH)加热元件进口加热丝空炉升温时间150min（升温达1200）控温稳定度1，采用进口只能程序调节仪控制，具有PID参数自整定功能控温点数单点报警保护超温、断偶等声音报警保护，漏电保护最大升温功率6KW加热方式SSR固态继电器加热电源单相，220VAC,50Hz3）电子显微镜、卡钳、砂轮锯、预磨机、抛光机等。5 实验方案与技术路线5.1 SiC铜基复合材料的制备相同体积分数下配比不同颗粒等级的SiC颗粒；相同SiC颗粒等级的情况下制备不同体积分数的SiC铜基复合材料并进行横向及纵向的比较，最终获得热膨胀系数比较低的理想复合材料。并对其成形性能进行测试。SiC铜基复合材料的制备是本课题的基础。粉末冶金法的压制模具目前已经设计完成，而半固态法如何提高固相率还在进一步探索。技术路线如图5-1所示。浇注电磁搅拌烧结压制预先配好的铜粉、SiC粉、粘结剂原始坯料SiC铜基复合材料半固态浆料预处理SiC粉和铜片图5-1 制备SiC铜基复合材料的技术路线5.2 电子封装壳体的触变锻造根据铜合金的半固态区间及温降与时间的关系，制定合理的二次加热温度；分别使用上挤压杆和下挤压杆进行挤压成形试验，以便优化模具和工艺参数。而坯料合理的固相率和合适的夹持工具是实验成功的关键。并且防止飞边和脱模也是目前面临的问题。技术路线如图5-2所示。二次加热棒状坯料加热模具将坯料放入模具挤压成形图5-2 电子封装壳体触变锻造的技术路线6 研究工作计划和时间安排1） 2008.09- 2009.10 查阅相关文献，进行初步试验，准备开题答辩。2） 2009.10- 2009.12 SiC铜基复合材料坯料的研究。3） 2009.12- 2010.06 封装壳体锻造成形技术的研究。4） 2010.06- 2010.12 整理试验结果，撰写毕业论文，准备毕业答辩。参考文献1 童震松, 沈卓身. 金属封装材料的现状及发展J.电子与封装, 2005, 5(3): 6-15.2 凤仪, 应美芳, 魏光霞, 等. 碳纤维不同分布的C/Cu复合材料的热膨胀系数J. 金属学报, 1994, 47(9): 432-434.3 牟科强, 邝用庚. Mo-Cu材料的性能和应用J. 金属功能材料, 2002, 83(6): 26-29.4 王常春, 朱世忠, 孟令江. 铜基电子封装材料研究进展J. 临沂师范学院学报, 2008, 30(6):43-47.5 姜国圣, 王志法, 刘正春. 高钨钨-铜复合材料的研究现状J. 稀有金属与硬质合金, 1999, 21(32): 39-41.6 Kny E. Properties and application of binary pseudo-alloy of Cu and refractorymetalsC/Proceedings of the 12th international plan see seminar. Reutte, Plan see A G, 1989.7 钟涛兴, 吉元, 李英, 等. SiCp/Cu复合材料的热膨胀性和导热性J. 北京工业大学学报, 1998, 16(9): 34-37.8 Shu