CN103213344A

CN103213344A - 不锈钢-银复合板材及其制备方法

Info

Publication number: CN103213344A
Application number: CN2013101349725A
Authority: CN
Inventors: 白晶; 杨秋蔓; 李林起; 李群; 薛烽; 周健
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种不锈钢-银复合板材及其制备方法。该复合板材由中间的纯银板和与银板两侧连接的不锈钢板组成，不锈钢板与银板通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度≥15MPa。制备复合板材时，先按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料，然后对组合坯料进行热压扩散连接。本发明的复合板材中间银层具有良好的导热和导电性能，外层不锈钢板能够起到增强加固以及防腐蚀和防磨损等保护作用，不锈钢与银板之间的界面结合效果良好，利于进行后续加工。该复合板材制作工艺简单、操作方便，生产过程无污染，并且采用真空扩散焊方法消除了杂质及高温氧化对材料性能的不利影响。

Description

不锈钢-银复合板材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种不锈钢-银复合板材及其制备方法，属于金属材料加工领域。

背景技术

随着工业技术的发展，许多新兴领域对材料的要求也越来越高，纯金属或合金已很难完全满足对其综合性能的需要。异种金属复合板材集不同金属的物理、化学及力学性能于一体，具有比单一金属材料更为优异的综合性能，已得到许多行业的重视和使用。目前，市场上常见的金属复合板主要有钛钢复合板、铝钢复合板、铜钢复合板、镍钢复合板等。虽然这些复合板材在许多方面具有较好的性能，但仍很难满足在如高端电子电器、军事、航空航天等领域中一些对导电、导热性能要求很高的部件中的使用。

在所有金属材料中，纯银具有最高的导电和导热性能，且具备优异的延展性，能很好地满足大部分特殊行业对导电和导热的要求，但同时纯银的力学强度较差，且价格昂贵，特别是在一些含硫环境或较高温度下容易受到腐蚀或氧化而损害其导电、导热性能。通过两层不锈钢板与中间银板进行结合形成三明治结构的复合板材能够很好的解决这些问题。不锈钢-银复合板材中的中间银层主要作为导电和导热层，外侧两层不锈钢板可有效地防止银层受外部环境的腐蚀，而不锈钢较高的强度和刚度也能够对银层起到良好的固定、支撑和保护作用。此外，如果选用奥氏体不锈钢和纯银制备复合板材，由于它们都具有很好的塑性及加工性能，该复合板能够方便地进行后续压力加工，如冲压、轧制等，通过塑性变形加工能够制备出不同规格及形状的样品，可满足不同的需求。通过不锈钢-银的复合，不仅弥补了单一银层的不足，还能够同时发挥两种材料的性能优势，具有良好和广阔的应用前景。

目前关于不锈钢-银两种板材的三层复合还未见公开报道，相关报道主要是将银作为中间助焊层进行不锈钢与其他金属的连接，最终板材也是利用不锈钢与其他金属的特性，而并不是为了发挥银的良好性能，这些板材中银层均较薄（通常只有微米量级），且随着复合时间增加纯银的厚度不断减小，并最终在银层中形成了大量的中间化合物。例如在《铝/镀银层/钢的扩散钎焊及界面化合物的生长行为》（吴铭方、司乃潮、陈健，中国有色金属学报，2010年20卷06期，1209-1213页）一文中提到了一种金属复合材料，其构成是用扩散钎焊方法对6063铝合金/镀银层/1Cr18Ni9Ti不锈钢进行焊接，同为以银为中间层的三层板材的复合技术，但是其最终主要还是为了得到铝-不锈钢复合板，银层仅仅是起到中间焊剂的作用，其厚度仅为10μm，且镀银层因参与共晶反应及与Al生成Ag-Al金属间化合物而逐渐减少。

发明内容

技术问题：本发明提供一种克服现有金属复合板材导电导热性能不佳以及纯银板力学强度差等不足，使中间银层的高导电、导热性能在各种环境及条件下得以充分发挥的不锈钢-银复合板材及其制备方法。

技术方案：本发明的不锈钢-银复合板材，由两层不锈钢板和一层银板组成，包括位于中间的纯银板和与纯银板两侧面连接的不锈钢板，纯银板与不锈钢板通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度≥15MPa。

为达到更好的连接效果及性能，作为本发明的一种改进，对不锈钢-银复合板材的材质进行了优选，其中不锈钢板的材质为304、304L、316、316L不锈钢中的一种，纯银板的银纯度≥99.9%。304、304L、316、316L均为不锈钢标准牌号。

为达到更好的后续加工性能，作为本发明的另一种改进，对不锈钢-银复合板材的尺寸规格进行了优选，不锈钢板的厚度为0.4~2.5mm，纯银板的厚度为0.1~1.5mm。

本发明不锈钢-银复合板材的制备方法包括如下步骤：

1）将经抛光处理并去除了表面锈层、氧化层及油污的两块平整不锈钢板，以及一块经抛光处理并去除了表面锈层、氧化层及油污的纯银板，按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构坯料；

2）将组合坯料在5×10^-2Pa以下的真空环境中进行热压扩散连接，热压温度为550~800℃，压力0.5~4MPa，保温时间1~6h，热压完成后即得到不锈钢-银复合板材。

为达到更好的界面结合质量，作为本发明的一种改进，不锈钢-银复合板材的制备方法在步骤2）中，在进行热压扩散连接之前，可先对组合治坯料进行一个道次的冷轧制加工，轧制压下量为组合坯料整体厚度的10%~15%。

本发明将三明治结构的不锈钢-银-不锈钢板材通过扩散连接结合为一整体，利用两侧不锈钢板材良好的强度、刚度及耐蚀性能，使中间银层的高导电、导热性能在各种环境及条件下得以充分发挥。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明涉及的不锈钢-银复合板材，中间银板具有良好的导电导热性能，外层使用不锈钢与银层通过扩展连接，具有较高的界面结合强度，能够起到增强加固，以及耐腐蚀，耐磨损的保护作用。两者的复合能克服单一材料功能上的缺失，极大发挥了两种材料的优良特性而不改变原材料本身的各种性能指标。此外，如选用奥氏体不锈钢和纯银制备复合板材，由于两种都具有很好的塑性及加工性能，该复合板能够方便地通过后续压力加工制备出不同规格及形状的样品，以满足不同场合的需求。本发明制备的不锈钢-银复合板材在一些对导电、导热性能要求很高且服役环境较为苛刻的设备及零部件上有着良好的应用潜力及巨大的价值。

2）本发明的复合板材制备方法加工范围广，可生产不同厚度和尺寸规格的产品，并且具有生产过程无污染、加工工艺简单、操作便捷等优点。另外，在加工过程中还可采用在不同三明治坯料之间用陶瓷片相隔并叠加的方式一次性热压多片复合板材，可明显提高生产效率。同时，由于扩散焊不使用焊剂，且是在真空环境中操作，消除了杂质及高温氧化对材料性能的不利影响。

附图说明

图1为本发明结构示意图，图中1为纯银板，2为不锈钢板。

图2a和图2b分别为本发明实施例1中的复合板材横截面上不锈钢-银界面区域的扫描电镜（SEM）显微形貌照片和界面两侧主要元素成分线扫描分布图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明：

实施例1：

不锈钢-银复合板材，外侧为两层厚度均为0.4mm的304不锈钢板，中间层为厚度0.1mm、纯度99.9%的纯银板，三层板材之间通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度15~17MPa。

该复合板材制备的具体步骤如下：

1）将两块0.4mm厚的304不锈钢板表面进行抛光处理，采用酸洗、碱洗、丙酮脱脂等方式去除表面锈层、氧化层及油污；采用相似方法对0.1mm厚、纯度99.9%的银板表面进行抛光处理，并去除表面锈层、氧化层和油污。按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料；

2）将组合坯料在5×10^-2Pa的真空环境下进行热压扩散连接，热压温度为550℃，压力0.5MPa，保温时间1h，热压完成后即得到不锈钢-银复合板材。

图2（a）和图2（b）为该复合板材横截面上不锈钢-银界面区域的扫描电镜（SEM）显微形貌照片及界面两侧主要元素线扫描分布图谱，从图中可以看出不锈钢-银界面结合紧密，结合处无缝隙，纯Ag板中的Ag及不锈钢板中主要的Fe、Cr元素都发生了跨界面的扩散，表明此时已形成了良好的扩散连接效果。

实施例2：

不锈钢-银复合板材，外侧两层为厚度均为1.0mm的304L不锈钢板，中间层为厚度0.5mm、纯度99.95%的纯银板，三层板材之间通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度24~26MPa。

该复合板材制备的具体步骤如下：

1）将两块1.0mm厚的304L不锈钢板表面进行抛光处理，采用酸洗、碱洗、丙酮脱脂等方式去除表面锈层、氧化层及油污；采用相似方法对0.5mm厚、纯度99.95%的银板表面进行抛光处理，并去除表面锈层、氧化层和油污。按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料；

2）将组合坯料在2×10^-2Pa的真空环境下进行热压扩散连接，热压温度为600℃，压力1.2MPa，保温时间2h，热压完成后即得到本发明的不锈钢-银复合板材。

实施例3：

不锈钢-银复合板材，外侧两层为厚度均为1.5mm的316不锈钢板，中间层为厚度0.9mm、纯度99.95%的纯银板，三层板材之间通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度33~36MPa。

该复合板材制备的具体步骤如下：

1）将两块1.5mm厚的316不锈钢板表面进行抛光处理，采用酸洗、碱洗、丙酮脱脂等方式去除表面锈层、氧化层及油污；采用相似方法对0.9mm厚、纯度99.99%的银板表面进行抛光处理，并去除表面锈层、氧化层和油污。按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料；

2）将组合坯料在1×10^-2Pa的真空环境下进行热压扩散连接，热压温度为700℃，压力2.4MPa，保温时间3h，热压完成后即得到本发明的不锈钢-银复合板材。

实施例4：

不锈钢-银复合板材，外侧两层为厚度均为2.5mm的316L不锈钢板，中间层为厚度1.5mm、纯度99.9%的纯银板，三层板材之间通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度54~57MPa。

该复合板材制备的具体步骤如下：

1）将两块2.5mm厚的316L不锈钢板表面进行抛光处理，采用酸洗、碱洗、丙酮脱脂等方式去除表面锈层、氧化层及油污；采用相似方法对1.5mm厚、纯度99.99%的银板表面进行抛光处理，并去除表面锈层、氧化层和油污。按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料；

2）将组合坯料在0.8×10^-2Pa的真空环境下进行热压扩散连接，热压温度为800℃，压力4MPa，保温时间1.5h，热压完成后即得到本发明的不锈钢-银复合板材。

实施例5：

不锈钢-银复合板材，外侧两层为一层为厚度2.5mm的304不锈钢板，另一层为厚度1.8mm的304不锈钢板，中间层为厚度1.0mm、纯度99.95%的纯银板，三层板材之间通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度51~54MPa。

该复合板材制备的具体步骤如下：

1）将厚度为2.5mm和1.8mm的304不锈钢板表面进行抛光处理，采用酸洗、碱洗、丙酮脱脂等方式去除表面锈层、氧化层及油污；采用相似方法对1.0mm厚、纯度99.95%的银板表面进行抛光处理，并去除表面锈层、氧化层和油污。按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料；

2）将组合坯料在1×10^-2Pa的真空环境下进行热压扩散连接，热压温度为680℃，压力2MPa，保温时间6h，热压完成后即得到本发明的不锈钢-银复合板材。

实施例6：

不锈钢-银复合板材，其中外侧两层为一层为厚度2mm的304不锈钢板，另一层为厚度1.2mm的316不锈钢板，中间层为厚度0.8mm、纯度99.99%的纯银板，三层板材之间通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，两不锈钢-银界面中结合强度较小一面的强度为45~48MPa。

该复合板材制备的具体步骤如下：

1）将厚度为2.0mm的304与厚度1.2mm的316不锈钢板表面进行抛光处理，采用酸洗、碱洗、丙酮脱脂等方式去除表面锈层、氧化层及油污；采用相似方法对0.8mm厚、纯度99.99%的银板表面进行抛光处理，并去除表面锈层、氧化层和油污。按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料；

2）将组合坯料在1×10^-2Pa的真空环境下进行热压扩散连接，热压温度为600℃，压力3.5MPa，保温时间5h，热压完成后即得到本发明的不锈钢-银复合板材。

实施例7：

不锈钢-银复合板材，其中外侧两层为厚度在1~1.4mm的304L不锈钢板，中间层为厚度0.5~0.9mm、纯度99.9%的纯银板，三层板材之间通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度63~69MPa。

该复合板材制备的具体步骤如下：

1）将两块1.1~1.4mm厚的316不锈钢板表面进行抛光处理，采用酸洗、碱洗、丙酮脱脂等方式去除表面锈层、氧化层及油污；采用相似方法对0.6~1.0mm厚、纯度99.9%的银板表面进行抛光处理，并去除表面锈层、氧化层和油污。按不锈钢-银-不锈钢的顺序叠放组成三明治结构组合坯料；

2）对组合坯料进行一道次冷轧制加工，轧下量控制为组合坯料整体厚度的10%~15%。

3）将轧制后的坯料在0.7×10^-2Pa的真空环境下进行热压扩散连接，热压温度为730℃，压力3MPa，保温时间3.5h，热压完成后即得到本发明的不锈钢-银复合板材。

上述实施例只是为说明本发明所提供的一些选择方案，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在具体操作时，可参照实施例在合理范围内进行规格或工艺的调整，从而达到所需要的生产或性能要求。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，而这些属于本发明技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。

Claims

1.一种不锈钢-银复合板材，由两层不锈钢板和一层银板组成，其特征在于，该复合板材包括位于中间的纯银板（1）和与所述纯银板（1）两侧面连接的不锈钢板（2），所述纯银板（1）与不锈钢板（2）通过扩散连接结合为一整体，不锈钢-银界面为金属键结合，界面结合强度≥15MPa。

2.根据权利要求1所述的不锈钢-银复合板材，其特征在于，所述不锈钢板（2）的材质为304、304L、316、316L不锈钢中的任一种，纯银板（1）的银纯度≥99.9%。

3.根据权利要求1或2所述的不锈钢-银复合板材，其特征在于，所述不锈钢板（2）的厚度为0.4~2.5mm，纯银板（1）的厚度为0.1~1.5mm。

4.一种制备权利要求1所述不锈钢-银复合板材的方法，其特征在于，该方法的工艺步骤如下：

1）将经抛光处理并去除了表面锈层、氧化层及油污的两块平整不锈钢板（2），以及一块经抛光处理并去除了表面锈层、氧化层及油污的纯银板（1），按不锈钢板-纯银板-不锈钢板的顺序叠放组成三明治结构的组合坯料；

2）将所述组合坯料在5×10^-2Pa以下的真空环境中进行热压扩散连接，热压温度为550~800℃，压力0.5~4MPa，保温时间1~6h，热压完成后即得到所述的不锈钢-银复合板材。

5.根据权利要求4所述的制备不锈钢-银复合板材的方法，其特征在于，所述步骤2）中，在进行热压扩散连接之前，先对组合坯料进行一个道次的冷轧制加工，轧制压下量为组合坯料整体厚度的10%~15%。