CN100389005C - 一种Cu/Ag双金属复合板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Cu/Ag双金属复合板制备方法。将硬态工业纯Cu、Ag基材分别在300℃和250～300℃退火，预拉伸应变后机械打磨形成粗糙度Ra12.5～50μm的复合表面，冷轧变形5%预复合，常温或200℃轧制变形70%～80%物理复合，400～450℃退火2～4h扩散复合。本发明采用特定预复合技术预先制备具有良好初始复合状态的界面，再匹配以适合这种初始复合界面的轧制和扩散退火工艺，使所制备的复合板具有40～45N/mm的界面名义结合力，10～14μm的扩散过渡层厚度，组织均匀、界面结合紧密。另外，本发明具有工艺阶段性明显，参数控制方便，不需大功率轧制复合设备，复合温度较低等效果。

Description

一种Cu/Ag双金属复合板制备方法

技术领域

本发明涉及金属层状复合材料制备技术。尤其涉及一种组织均匀、界面结合紧密的Cu/Ag双金属复合板制备方法。

背景技术

Ag/Cu复合板一般用于制造各种开关、继电器、电位器和接插件等电子器件的触点或弹性部件。制造Ag/Cu复合板方法有多种，主要为固相轧制、爆炸焊接、扩散焊接、滚焊、电镀、溅射和气相沉积等，其中固相轧制方法具有材料界面结合良好、产品尺寸精度高和易于工业化生产等优点。固相轧制的复合机理是两种金属在轧制变形作用下，迫使两金属接触界面之间的距离接近原子键合尺寸，形成紧密的金属键结合，再辅之扩散退火处理，在界面之间形成合适的扩散过渡层，使材料界面达到良好结合。

制备出具有良好力学性能和导电性能的Ag/Cu复合板关键是应力图得到具有良好结合性能的Ag/Cu复合界面，其关键技术主要应包括：复层材料与基体材料的预复合工艺，相匹配的轧制工艺及扩散退火工艺等。在预复合工艺中，必须寻找预复合压力、材料表面粗糙度和硬度三者之间的较佳匹配关系，使得在初始变形压力下，界面产生一定的机械嵌入啮合，以获得良好的界面封闭和初始结合状态，为后续的界面轧制变形结合提供先决条件。在轧制工艺中，必须寻找较佳的变形程度和变形温度，以便与材料的变形能力、加工硬化速率及氧化程度相匹配，使界面层金属发生充分流动造成氧化膜有效破裂和两金属表面相互紧密接触，形成可靠的物理结合及一定程度的冶金结合。在扩散退火工艺中，必须寻找较佳的退火温度及时间，以便与元素扩散能力、材料再结晶状态及持续变形能力等匹配，使界面具有合适厚度的过渡层而形成充分并有效的冶金结合，使复合板具备所需的微观组织和力学性能。由此可见，研究并优化Ag/Cu复合板的制备方法已构成此类金属层状复合材料发展与应用的基本问题之一。

发明专利US6911265公开了包括Cu及Ag等金属箔与合成树脂复合的印刷线路板及其制备方法，为使此类印刷线路板具有高的耐热性、电绝缘性和挠曲性，提出了保证界面结合强度的金属箔表面粗糙化技术。发明专利US4046304公开了一种以Al为表层、其它金属(包括Cu、Ag等)为基层的金属复合板制备方法，为保证界面结合性能，采用了一定变形量的冷压、热压和一定温度的扩散处理。发明专利CN03135166.2公开了一种Ag合金/Cu合金层复合板，采用Zn替代Ag合金中的Cd，以解决Cd危害人体健康的问题，又同时保证了材料在使用中的灭弧效果。

在有关研究文献中也涉及了Cu/Ag或Cu合金/Ag合金复合材料的制备技术。张永俐[仪表材料，1984，15(5)：7]采用温轧复合成了用于嵌壁开关的Ag/Cu电触头材料，具有两层金属之间结合紧密，界面无缺陷，复层厚度均匀等优点。沈其峰等[稀有金属材料与工程，1985，(6)：10]提出了利用冷轧复合制备Ag/H62(黄铜)复合板的方法，认为冷轧可使结合表面氧化膜破碎造成新鲜金属结合而导致表面形成良好的机械啮合。魏海荣等[稀有金属材料与工程，1983，(1)：8]提出了用热轧-冷轧联合工艺制备Ag/H62复层材料的方法，这种联合工艺可使原子发生扩散而形成固溶体之间的冶金结合，在界面层两侧的基体中不出现第二相，而界面层的硬度高于基体。曾德麟[稀有金属材料与工程，1984，(6)：12]中采用粉末烧结-冷轧复合工艺制取了Ag/Cu双金属片材，这种工艺充分利用了粉末烧结组织均匀、晶粒细小及界面结合力强等优点，同时又利用冷轧工艺控制并调整了力学性能。

孟亮等在一些文献[Mater.Charact.，2001，47(3-4)：269；Mater.Sci.Techn.，2003，19(6)：779-784；金属学报，2001，37(1)：47；中国有色金属学报，2001，11(6)：982；材料热处理学报，2002，23(3)：31；材料科学与工程，2001，19(1)：56]中对Cu/Ag双金属复合板制备工艺及性能进行了某些方面的研究，提出了复层材料成分、复合工艺参数及热处理制度对界面复合质量和强度的影响规律，表明了界面微观组织、化学元素分布、扩散热力学和动力学以及界面结合机制在不同复合状态下的表现行为，公布了不同轧制复合温度及不同扩散处理温度条件下制备的Cu/Ag双金属复合板的复合层基体显微组织、力学性能、界面剥离力及界面过渡层元素浓度分布等测试数据。

鉴于以上关于双金属复合板制备的技术背景可见，某些复合技术虽然已经产生良好效果，但针对的复合表面并非Cu/Ag界面(如针对的是Cu/Al界面)，因其它金属界面性质与Cu/Ag界面性质有本质差异，因而不能简单套用这种工艺技术；某些技术虽然针对的是Cu/Ag界面，但材料基体中含有其它辅助合金元素，即界面两侧材料已成为合金，界面性质已与纯Cu/Ag界面有显著差别，同样不能直接套用这种工艺技术；某些技术考虑了控制复合表面粗糙度来改善复合性能，但仅针对合成树脂与金属层的复合，不适用于Cu/Ag界面；某些复合技术中所要求的复合变形量较大及复合表面预处理的质量较高，需要大型轧制设备或轧制变形需要在高温下进行才能保证复合质量，即工艺实施难度较大，所得微观组织不均匀，不适于批量生产；某些研究虽对材料复合过程中的单一工艺参数的作用提出了较系统的结果，但主要反映的是理论性或机理性的内容，仅可用于指导应用研究，不能直接做为制备Cu/Ag双金属复合板的工艺条件。

发明内容

根据已有相关技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种Cu/Ag双金属复合板的制备方法，采用相互匹配的预复合、轧制复合及扩散退火等工艺，有效地控制基体层塑性变形能力、表面机械啮合水平、界面结合方式、显微组织及扩散层状态等，制备出具有良好界面结合性能的Cu/Ag双金属复合板。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案的步骤如下：

1)预复合

将厚度为1.0～2.0mm的硬态工业纯Ag板带在250℃～300℃退火0.5h，将厚度为2.0～4.0mm的硬态工业纯Cu板带在300℃退火1h；

退火后分别对Ag板带和Cu板带预拉伸应变1％～2％；

机械打磨清理Ag板带和Cu板带的复合表面，表面粗糙度Ra12.5～50μm；紧密叠合Ag板带和Cu板带，冷轧预复合制得预复合板，冷轧变形度5％；

2)轧制复合

对预复合板在常温或200℃变形轧制复合，轧制3～5道次，总变形度70％～80％，制得双金属板；

3)扩散退火

对轧制复合后的双金属板在低于0.1Pa气体压力的真空炉中于400～450℃扩散退火2～4h。

如果需要进一步提高产品精度，还可以对扩散退火后复合板再进行平整化精轧，并使其厚度达到公差要求，精轧变形度≤5％。

所述的一种Cu/Ag双金属复合板制备方法中的Cu/Ag双金属复合板，界面无直径大于0.03μm的显微孔洞，界面名义结合力40～45N/mm，扩散过渡层厚度10～14μm，复合板Cu基体晶粒平均尺寸10～14μm，复合板Ag基体晶粒平均尺寸15～20μm；所述的名义结合力＝载荷/试样宽度。

本发明与背景技术相比具有的有益的效果是：

(1)预复合中采用合适退火工艺合理调整了基材硬度匹配，使得两种不同金属表面复合时塑性变形流动方式充分有利于界面的机械啮合；

(2)根据两种金属表面塑性水平，加工形成具有合理粗糙度的复合表面，配合使用具有合理变形度的预复合轧制工艺，制备出具有良好初始复合状态的复合界面；

(3)由于具有状态良好的初始复合界面，因此可以采用较低温度、多道次轧制复合工艺，同样可以制备较高结合强度的复合板；

(4)对于具有上述特点的复合界面，采用相适应的扩散退火工艺，在界面区域造成具有合适厚度的冶金结合扩散层，无扩散显微孔洞，晶粒分布均匀，进一步提高了结合性能；

(5)本制备方法工艺环节阶段性明显，工艺参数控制简单方便，容易在实际生产中实施，要求的轧制复合设备功率和复合温度较低，降低了材料成本。

本发明工艺简单，对设备要求不高，易于应用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中的复合界面区域显微组织；

图2为本发明实施例中的界面名义结合力试样规格、测试方式和名义结合力定义；

图3为本发明实施例中的界面Cu元素分布曲线及扩散过渡层厚度定义；

图4为本发明实施例2中的复合界面区域显微组织。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

将厚度为1.0mm的硬态工业纯Ag板带和厚度为2.0mm的硬态工业纯Cu板带剪裁、除油处理，在保护气氛炉中进行调整硬度退火，Ag板带在250℃退火0.5h，Cu板带在300℃退火1h。退火后板带预拉伸应变1％～2％平整化。

机械打磨清理基材表面，使表面粗糙度为Ra12.5±3μm。

清理复合表面磨屑，紧密叠合两种金属板带。

冷轧预复合，变形度5％(

)。

常温3道次轧制复合，总变形度70％。

对轧制复合后的双金属板在低于0.1Pa气体压力的真空炉中扩散退火，退火温度为400℃，退火时间为4h。

对扩散退火后复合板进行平整化精轧，精轧变形度≤5％，并使其厚度达到公差要求。

形成的界面区域微观组织如图1所示，界面结合紧密，无直径大于0.03μm的显微空洞，晶粒均匀，Cu侧基体晶粒平均尺寸为10μm，Ag侧基体晶粒平均尺寸为15μm。

采用图2所示规格试样及加载方式测定的5个复合板试样界面名义结合力平均值为40N/mm。

测定界面区域Cu元素浓度分布曲线，采用图3所示定义的扩散过渡层厚度为10μm。

实施例2：

将厚度为2.0mm的硬态工业纯Ag板带和厚度为4.0mm的硬态工业纯Cu板带剪裁、除油处理，在保护气氛炉中进行调整硬度退火，Ag板带在300℃退火0.5h，Cu板带在300℃退火1h。退火后板带预拉伸应变1％～2％平整化。

机械打磨清理基材表面，使表面粗糙度为Ra50±5μm。

清理复合表面磨屑，紧密叠合两种金属板带。

冷轧变形预复合，变形度5％。

200℃轧制复合，5道次，总变形度80％。

对轧制复合后的双金属板在低于0.1Pa气体压力的真空炉中扩散退火，退火温度为450℃，退火时间为2h。

对扩散退火后复合板进行平整化精轧，精轧变形度≤5％，并使其厚度达到公差要求。

形成的界面区域微观组织如图4所示，界面结合紧密，无直径大于0.03μm的显微空洞，晶粒均匀，Cu侧基体晶粒平均尺寸为14μm，Ag侧基体晶粒平均尺寸为20μm。

采用图2所示规格试样及加载方式测定的5个复合板试样界面名义结合力平均值为45N/mm。

测定界面区域Cu元素浓度分布曲线，采用图3所示定义的扩散过渡层厚度为14μm。

Claims (3)

1.一种Cu/Ag双金属复合板制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)预复合

将厚度为1.0～2.0mm的硬态工业纯Ag板带在250℃～300℃退火0.5h，将厚度为2.0～4.0mm的硬态工业纯Cu板带在300℃退火1h；

退火后分别对Ag板带和Cu板带预拉伸应变1％～2％；

机械打磨清理Ag板带和Cu板带的复合表面，表面粗糙度Ra12.5～50μm；

紧密叠合Ag板带和Cu板带，冷轧预复合制得预复合板，冷轧变形度5％；

2)轧制复合

对预复合板在常温或200℃变形轧制复合，轧制3～5道次，总变形度70％～80％，制得双金属板；

3)扩散退火

对轧制复合后的双金属板在低于0.1Pa气体压力的真空炉中于400～450℃扩散退火2～4h。

2.根据权利要求1所述的一种Cu/Ag双金属复合板制备方法，其特征在于：对扩散退火后复合板再进行平整化精轧，并使其厚度达到公差要求，精轧变形度≤5％。

3.根据权利要求1所述的一种Cu/Ag双金属复合板制备方法中的Cu/Ag双金属复合板，其特征在于：界面无直径大于0.03μm的显微孔洞，界面名义结合力40～45N/mm，扩散过渡层厚度10～14μm，复合板Cu基体晶粒平均尺寸10～14μm，复合板Ag基体晶粒平均尺寸15～20μm；所述的名义结合力＝载荷/试样宽度。

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