CN103014634A - 采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备铍铜合金薄板的方法，更特别地说，是指一采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备高质量的铍铜合金薄板的方法。一种采用连续多弧离子镀物理气相沉积制备铍铜合金薄板的方法，是以纯Be金属靶或高铍含量铍铜合金靶为阴极，以纯铜带为阳极，采用多弧离子镀物理气相沉积法在纯铜带单面或双面沉积结合良好的纯Be或富Be膜；然后进行高温扩散处理，使Be原子向内扩散渗入纯铜基体，直到铜带中的含Be量达到1～3wt.%，获得具有优异机械性能和导电性能的Cu–1～3wt.%Be合金带材。本发明方法简单易行，工作效率高，制备过程节能环保，质量可控，极其适合工业化应用。

Description

采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法

技术领域

本发明涉及一种制备铍铜合金薄板的方法，更特别地说，是指一采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备高性能的铍铜合金薄板的方法。

背景技术

铍铜合金是一种典型的沉淀强化型合金，具有高弹性、高强度、高导电性、耐蚀性、耐疲劳、弹性滞后小、无磁性、冲击时不产生火花等一系列优点，被广泛应用于航天、航空、电子、通讯、机械、石油、化工、汽车及家电工业中，具有广阔的应用前景。

目前，铍铜合金板带材基本上都是采用轧制法制备，主要包括半连续浇铸锭+铣削表皮+加热+粗轧＋淬火＋二次轧制＋淬火＋酸洗＋刷洗＋精轧等工序。由于铍铜合金铸锭在结晶时趋向于二次偏析，即铍元素向铸锭表层富集，造成铸锭不同层面塑性存在很大差异，热轧时易于形成裂纹。所以一般铸锭尺寸及重量都较小，铸锭轧制前必须铣削去其表面至少2.5mm深表层。由此可见轧制铍铜合金技术难度大、成材率、生产效率低。而且在大气环境中熔炼铍铜合金，存在铍金属污染环境等弊端。

物理气相沉积技术具有镀膜成分纯度高、工艺可控性强、清洁无污染以及易于实现工业化连续生产等优点，特别是在环境保护方面，真空物理气相沉积技术具有其他一般技术无可比拟的优越性。

发明内容

本发明的目的在于避开现有技术的不足提供一种采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法。本发明采用连续多弧离子镀物理气相沉积制备Cu-1～3wt.%Be合金薄板方法避开轧制法中熔炼铸锭易于发生成分偏析的技术瓶颈，选用非常易于轧制成形的纯铜薄带为基材，采用高效节能环保的多弧离子镀镀膜技术在纯铜基带上沉积富铍膜层，进而进行扩散处理，获得适当铍含量的铍铜合金带材。本发明的方法沉积速率快、质量可控、工作效率高，制备过程在全真空条件下，无铍元素氧化及污染环境、危害人体安全等问题，因此极其适合工业化应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，其主要特点在于步骤为：

（1）．选取厚度为0.1～0.25mm的纯铜带作基板，并做预处理：在浓度3～5%、温度60～80℃碳酸钠碱液清洗3～5分钟，去除油迹；然后在浓度3～5%稀硫酸清洗3～5分钟，去除氧化皮；用清水漂洗；在无水乙醇超声波清洗，吹干待用；

（2）．选取纯Be靶材或高铍含量铍铜50～80wt.%Be合金靶材：

制备纯Be或高铍含量铍铜50～80wt.%Be合金靶材用作多弧离子镀靶材，待用；

（3）．将经步骤（1）处理后的纯铜带安装在多弧离子镀设备的基片台上作为阳极；再将步骤2的纯Be靶材或高铍含量铍铜50～80wt.%Be合金靶材装入多弧离子镀弧头之中，作为阴极；

抽真空度至2×10^-3～8×10^-4Pa后，通入氩气使多弧离子镀中的压力稳定在0.2～0.8Pa范围；

调节多弧离子镀共沉积条件：

预热纯铜带至200℃～500℃；

放电电压15V～20V、电流50A～80A、沉积速率为2～4μm/min；

在该条件下进行纯铜带表面富Be薄膜沉积，沉积时间5～15分钟，制得镀膜铜带；

（4）.将经步骤（3）处理后的镀膜铜带进行650～750℃扩散处理，扩散时间10～30min，即得到断面成分分布均匀的Cu-1～3wt.%Be合金薄板材料。

所述的采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，在步骤（3）中，通过将多个相同组份的纯Be或高铍含量铍铜合金靶材分别放在多弧离子镀膜机中对立安装的多个弧头上，纯铜带从中间穿过，实现宽幅基板双面同步快速连续镀膜处理。

所述的采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，在步骤（3）中，纯铜带表面沉积富Be膜厚度为10～35μm。

所述的采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，在步骤（2）中，靶材选用所述的高铍含量铍铜合金靶材，铍含量在50～80wt.%。

所述的采用连续多弧离子镀物理气相沉积制备Cu-1～3wt.%Be合金薄板方法，制备得到的Cu-1～3wt.%Be合金薄板的显微硬度在320～380HV0.1，抗拉强度达到480～520Mpa。

本发明的有益效果：本发明采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，在工艺上可以连续地、可控地进行渗铍处理。通过对多弧离子镀膜机中多个弧头靶位的选取，可以任意进行单面和/或双面Be的沉积，同时也可对沉积速率进行调节，其沉积工艺操作简单。

在本发明中，选择轧制纯铜带为渗Be基材。选取不同Be含量靶材镀膜进行渗Be实验。结果表明，经本发明的方法处理后，能获得Cu-1～3wt.%Be合金薄板。

本发明方法与传统轧制法相比，工艺简单易行，铍含量高低灵活可控，能够满足各种场合铍铜合金的特殊使用需求，制备工艺能适合工业化连续生产，产品成品率高，质量稳定，而且制造成本低廉。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：一种采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，其步骤为：

步骤1.选取厚度为0.1～0.25mm的纯铜带作基板，并做以下预处理：

（1）浓度3～5%、温度60～80℃碳酸钠碱液清洗3～5分钟，去除油迹；

（2）浓度3～5%稀硫酸清洗3～5分钟，去除氧化皮；

（3）清水漂洗；

（4）无水乙醇超声波清洗，吹干待用；

步骤2．选取纯Be靶材或高铍含量铍铜（50～80wt.%Be）合金靶材：

制备

纯Be或高Be含量铍铜（50～80wt.%Be）合金靶材用作多弧离子镀靶材，待用；

步骤3.将经步骤1处理后的纯铜带安装在多弧离子镀设备的基片台上作为阳极；再将步骤2的纯Be靶材或高铍含量铍铜（50～80wt.%Be）合金靶材装入多弧离子镀弧头之中，作为阴极；

抽真空度至2×10^-3～8×10^-4Pa后，通入氩气使多弧离子镀中的压力稳定在0.2～0.8Pa范围；

调节多弧离子镀共沉积条件：

预热纯铜带至200℃～500℃；

放电电压15V～20V、电流50A～80A、沉积速率为3～5μm/min；

在该条件下进行纯铜带表面富Be薄膜沉积，沉积时间5～15分钟，制备得到镀膜铜带；

步骤4.将经步骤3处理后的镀膜铜带进行650～750℃扩散处理，扩散时间10～30min，即得到断面成分分布均匀的Cu-1～3wt.%Be合金薄板材料。

在步骤3中，通过将多个相同组份的纯Be或高铍含量铍铜合金靶材分别放在多弧离子镀膜机中对立安装的多个弧头上，纯铜带从中间穿过，实现宽幅基板双面同步快速连续镀膜处理。

在步骤3中，纯铜带表面沉积富Be膜厚度为10～35μm。

在步骤2中，当选取高Be含量铍铜合金为靶材时，铍含量在50～80wt.%。

采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，多弧离子镀物理气相沉积方法在真空、电场作用下使Ar气电离产生电弧，轰击铍（或铍铜合金）靶材产生高能量Be（或Be、Cu）离子，沉积到纯铜基板表面，形成结合良好的富Be膜层；进而进行扩散处理，实现对纯铜带的渗铍处理，获得一种新型的Cu-1～3wt.%Be合金薄板的制备方法。

本发明采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法与轧制法比较，不存在带材轧制开裂等问题，工艺方法简单易行，真空镀膜方式靶材纯度高、成分可控；其沉积后的表面质量好且均匀；纯铜基带多弧离子镀渗铍工艺可控性强、环保性好等特点。

本发明采用连续多弧离子镀物理气相沉积制备得到的Cu-1～3wt.%Be合金薄板具有（1）经俄歇电子能谱仪及ICP全谱直读光谱仪测定其化学成分Be含量为1～3wt.%，且沿截面呈现均匀分布；（2）合金薄板的机械性能如抗拉强度达到480～520Mpa，显微硬度在320～380HV0.1。

实施例2多弧离子镀气相沉积单面渗Be

步骤1：选取纯铜基板

选取200mm ×200mm，厚0.20mm的纯铜带作基板，先用浓度5%、温度60℃碳酸钠溶液清洗5分钟，去除油迹；再用浓度为4%的稀盐酸清洗3分钟，去除氧化皮；然后用清水漂洗；再用无水乙醇超声波清洗，吹干待用。

步骤2：选取纯Be靶材

选取

纯Be靶材，待用；

步骤3：将经步骤1处理后的纯铜带安装在多弧离子镀膜机的基片上作为阳极；再将经步骤2处理后的纯Be靶材放入多弧离子镀膜机中，作为阴极；

抽真空度至2×10^-3Pa后，通入氩气使多弧离子镀膜机中的压力稳定在0.8Pa；

调节多弧离子镀共沉积条件：

预热纯铜带至400℃；

放电电压20V、电流70A、沉积速率为3～3.5m/min；

在该条件下进行纯铜带表面Be膜沉积8分钟，制备得到膜层厚度22～24m的镀膜铜带；

步骤4：将经步骤3处理后的镀膜铜带进行720℃扩散处理，扩散时间为25min，即得到断面成分均匀的Cu-1～3wt.%Be合金薄板材料。

将上述制备得到的Cu-1～3wt.%Be合金薄板经俄歇电子能谱仪及ICP全谱直读光谱仪检测到样品的平均Be含量为2.0wt.%，且成分沿截面呈现均匀分布。经检测其显微硬度达到345～365HV0.1，抗拉强度达到493～511Mpa。

实施例3多弧离子镀气相沉积单面渗Be

步骤1：选取纯铜基板

选取200mm×200mm，厚0.15mm的纯铜带作基板，先用浓度5%、温度60℃碳酸钠溶液清洗5分钟，去除油迹；再用浓度为4%的稀盐酸清洗3分钟，去除氧化皮；然后用清水漂洗；再用无水乙醇超声波清洗，吹干待用。

步骤2：选取高Be含量铍铜合金靶材

熔铸

高Be含量铍铜（Cu-80wt.%Be）合金靶材，待用；

步骤3：将经步骤1处理后的纯铜带安装在多弧离子镀膜机的基片上作为阳极；再将经步骤2处理后的铍铜合金靶材放入多弧离子镀膜机中，作为阴极；

抽真空度至1×10^-3Pa后，通入氩气使多弧离子镀膜机中的压力稳定在0.6Pa；

调节多弧离子镀共沉积条件：

预热纯铜带至350℃；

放电电压18V、电流70A、沉积速率为3～3.5μm/min；

在该条件下进行纯铜带表面富Be膜沉积，制备得到膜层厚度为20～22m的镀膜铜带；

步骤4：将经步骤3处理后的镀膜铜带进行750℃扩散处理，扩散时间为60min，即得到断面成分均匀的Cu-1～3wt.%Be合金薄板材料。

将上述制备得到的Cu-1～3wt.%Be合金薄板经俄歇电子能谱仪及ICP全谱直读光谱仪检测到样品的平均Be含量为1.9wt%，且成分沿截面呈现均匀分布。经检测其显微硬度达到322～348HV0.1，抗拉强度达到486～506Mpa。

实施例4多弧离子镀气相沉积双面渗Be

步骤1：选取纯铜基板

选取200mm×200mm，厚0.25mm的纯铜带作基板，先用浓度5%、温度60℃碳酸钠溶液清洗5分钟，去除油迹；再用浓度为4%的稀盐酸清洗3分钟，去除氧化皮；然后用清水漂洗；再用无水乙醇超声波清洗，吹干待用。

步骤2：选取纯Be靶材

选取

纯Be靶材2块，待用；

步骤3：将经步骤2处理后的2个纯Be靶材放入多弧离子镀膜机正面相对的两个弧头之中，作为阴极，再将经步骤1处理后的纯铜带吊挂在多弧离子镀膜机的两个正对靶面中间，作为阳极；

抽真空度至8×10^-4Pa后，通入氩气使多弧离子镀膜机中的压力稳定在0.4Pa；

调节多弧离子镀共沉积条件：

预热纯铜带至200℃；

放电电压17V、电流60A、沉积速率为2.0～2.5m/min；

在该条件下对纯铜带双面进行同步Be沉积6分钟，制备得到上下两面膜层厚度均为13～14m的镀膜铜带；

步骤4：将经步骤3处理后的镀膜铜带进行720℃扩散处理，扩散时间为15min，即得到断面成分均匀的Cu-1～3wt.%Be合金薄板材料。

将上述制备得到的Cu-1～3wt.%Be合金薄板经俄歇电子能谱仪及ICP全谱直读光谱仪检测到样品的平均Be含量为2.2wt.%，且成分沿截面呈现均匀分布。经检测其显微硬度达到352～378HV0.1，抗拉强度达到501～520Mpa。

本发明采用的对纯铜薄板进行双面同步连续多弧离子镀膜及扩散方法制备0.1～0.25mm厚的Cu-1～3wt.%Be合金薄板，可以控制在5～15min内完成渗Be的沉积工序。并且其大面积均匀沉积特性也可以完全满足Cu-1～3wt.%Be薄板的工业化连续制备要求，为最终实现多弧离子镀法制备Cu-1～3wt.%Be薄板在工业化规模连续生产线搭建奠定了很好的基础。

铍铜合金是一种典型的沉淀强化型合金，上述方法制备的Cu-1～3wt.%Be薄板在经过进一步的固溶时效处理之后，具有极佳的使用性能。铍铜合金是国防建设和科学进步不可缺少的战略物资，又是和人民生活水平日益提高有着密切联系的重要材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，其特征在于步骤为：

（1）．选取厚度为0.1～0.25mm的纯铜带作基板，并做预处理：在浓度3～5%、温度60～80℃碳酸钠碱液清洗3～5分钟，去除油迹；然后在浓度3～5%稀硫酸清洗3～5分钟，去除氧化皮；用清水漂洗；在无水乙醇超声波清洗，吹干待用；

（2）．选取纯Be靶材或高铍含量铍铜50～80wt.%Be合金靶材：

制备

    纯Be或高铍含量铍铜50～80wt.%Be合金靶材用作多弧离子镀靶材，待用；

（3）．将经步骤（1）处理后的纯铜带安装在多弧离子镀设备的基片台上作为阳极；再将步骤2的纯Be靶材或高铍含量铍铜50～80wt.%Be合金靶材装入多弧离子镀弧头之中，作为阴极；

抽真空度至2×10^-3～8×10^-4Pa后，通入氩气使多弧离子镀中的压力稳定在0.2～0.8Pa范围；

调节多弧离子镀共沉积条件：

预热纯铜带至200℃～500℃；

放电电压15V～20V、电流50A～80A、沉积速率为2～4μm/min；

在该条件下进行纯铜带表面富Be薄膜沉积，沉积时间5～15分钟，制得镀膜铜带；

（4）.将经步骤（3）处理后的镀膜铜带进行650～750℃扩散处理，扩散时间10～30min，即得到断面成分分布均匀的Cu-1～3wt.%Be合金薄板材料。

2.如权利要求1所述的采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，其特征在于：在步骤（3）中，通过将多个相同组份的纯Be或高铍含量铍铜合金靶材分别放在多弧离子镀膜机中对立安装的多个弧头上，纯铜带从中间穿过，实现宽幅基板双面同步快速连续镀膜处理。

3.如权利要求1所述的采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，其特征在于：在步骤（3）中，纯铜带表面沉积富Be膜厚度为10～35μm。

4.如权利要求1所述的采用连续多弧离子镀物理气相沉积法制备铍铜合金薄板的方法，其特征在于：在步骤（2）中，靶材选用所述的高铍含量铍铜合金靶材，铍含量在50～80wt.%。