CN113523725A - 一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法 - Google Patents

一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于可伐合金和无氧铜复合材料技术领域，具体公开一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法，采用了爆炸+轧制复合法，主要工艺为原材料处理‑真空爆炸焊接‑热处理‑热轧‑退火‑冷轧‑终退火‑精整工艺，为了保证可伐合金和无氧铜复合达到使用要求，该生产方法中的爆炸焊接工艺采用了真空爆炸，从而有效地控制了两种金属结合面所产生的脆性氧化物，保证了两种金属的结合强度，解决了这种复合材料在焊接时出现分离的难题；可伐合金和无氧铜复合材料主要用作金属和陶瓷焊接的过渡板，应用于半导体、电子行业，其前景广阔。

Description

一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法
技术领域
本发明属于可伐合金和无氧铜复合材料技术领域，尤其涉及一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法。
背景技术
可伐合金又称为铁镍钴合金，具有与高温合金良好的焊接性能，而且强度高，主要用于制作与硬玻璃匹配封接的铁镍钴合金带材、棒材、板材和管材。无氧铜具有良好的导电性和导热性、但强度小、主要用于电子元件、防磁性仪器、航空仪表等。可伐合金和无氧铜复合板是一种以可伐合金为基板，单面复合可伐合金层的双金属新型复合材料，复合的目的是要得到比单一可伐合金更好的物理性能，该复合材料的导电和导热性是可伐合金的4-5倍。无氧铜-可伐合金复合材料既满足了导电性的要求，同时也具备了与高温合金优良的连接性能。
由于无氧铜与可伐合金的物理化学性能差别和电极材料特殊的结构使得普通焊接方法难以得到满意的结果，所以焊接方法的选择和工艺的研究非常关键。爆炸焊接法是常见的双金属复合板的生产方式之一，爆炸复合利用炸药爆炸时产生的高压脉冲载荷来实现异种材料的冶金结合，常用来生产单面复合的单张板。
发明内容
本发明的目的是提供一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法，利用真空爆炸焊接方法使复合材料利用炸药爆炸时产生的高压脉冲载荷消除界面应力从而达到异种材料的冶金结合，具有结合强度大的优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法，包括以下步骤：
（1）原材料前处理：用激光器清洗可伐合金板和无氧铜板表面，使其表面清洁、无油污、无氧化层、平滑、无缺陷、无凹凸；
（2）真空爆炸焊接：将可伐合金板置于沙土地基上，于可伐合金板周围布置支撑，将无氧铜铺设于可伐合金板上部的支撑上并于支撑外侧将可伐合金板和无氧铜板用密封材料密封一周，同时在密封材料上预留抽排气孔并抽真空后，在无氧铜板上铺设炸药并预埋雷管起爆既得复合材料板坯，在爆炸焊接时，将无氧铜和可伐合金之间的间距空间抽取真空，中间空间抽取真空，可以有效隔离空气中的氧气，避免在爆炸焊接过程中，铜材表面金属射流与氧气发生反应生成脆性氧化铜。而且避免界面近乎绝热压缩气体产生的高温造成铜材表面熔化现象，提高界面结合强度和稳定性，有利于确保后期轧制后板材的界面结合强度，规避轧制和焊接过程中界面分离的风险，然后再进行爆炸焊接。本发明采用板间间距局部抽取真空方法，工艺简单，成本低，并且可连续生产，效率高；
（3）热处理：将复合材料板坯于550~650℃条件下进行消应力退火，爆炸焊接后的可伐合金和无氧铜复合材料结合面会出现应力，采用热处理使其应力消除，热处理方法为消应力退火；
（4）热轧：将热处理以后的复合材料板坯于300~400℃条件下进行多道次轧制，将板坯热轧至预定厚度的中间坯，每道次轧制比控制在70~80%，将爆炸焊接后的可伐合金和无氧铜复合胚料进行轧制，轧制采用热轧，根据需要厚度实行多道次轧制，将板坯热轧至预定厚度；
（5）扩散退火：将中间坯于500 ~600℃下进行扩散退火，为了消除轧制过程中产生的残余应力，避免板材表面产生裂纹，轧制过程中对可伐合金和无氧铜复合材料进行扩散退火；
（6）冷轧：将扩散退火以后的中间坯进行小变形多道次轧制，每道次轧制比控制在80%~90%，至轧制比≥ 50%，最终得到目标厚度的目标复合材料，防止一次性变形过大导致板材开裂，将退火后的复合材料进行多次小变形冷轧，最终达到目标厚度；
（7）终退火并精整：将冷轧后的目标复合材料于400 ~500℃退火，退火时间为1~2小时，对目标复合材料进行厚度、平整度和粗糙度调整，确保厚度误差±0.1，平整度2mm/m，粗糙度Ra≤3.2。
进一步的，所述步骤（1）中原材料可伐合金板和无氧铜板的厚度是目标可伐合金板和无氧铜板厚度的5倍，且原材料可伐合金板厚度2.5~10mm，无氧铜板厚度2.5~5mm，目标可伐合金板厚度为0.5~2mm，目标无氧铜板厚度0.5~1mm，激光清洗高效、快捷，对基体的热负荷和机械负荷小，不损伤基体。
进一步的，所述步骤（2）中可伐合金板和无氧铜板之间的距离为5-6mm，炸药的铺设厚度为8-10倍板厚（板厚为爆炸焊接前铜板的初始厚度）炸药爆速为1800-2000m/s，炸药猛度为7-9mm，为了保证焊接质量，去除结合面的脆性氧化物，采用特殊真空爆炸焊接方法，在两种金属之间设置间距，并抽取真空。其间距要根据不同厚度，设计不同间距。
进一步的，所述步骤（4）中中间坯的厚度为3mm。
本发明具有的优点是：
1.如果采用直接爆炸焊接方法，由于无氧铜厚度较薄，爆炸时产生的冲击力容易损伤铜板，会产生较多废品，更无法规模化生产，若采用直接冷轧或者热轧的方法，所生产出来的无氧铜复合材料的结合强度不够，容易分离，达不到再加工（主要是爆炸要求），本申请的厚板爆炸焊接完全能解决上述问题；
2.本发明采用厚板爆炸焊接，后期轧制成薄板应用于电子元件领域，电子元件所用铜材厚度一般为0.5-1mm，铜板薄，爆炸焊接时，不能支撑表面覆盖的炸药，在爆炸过程中，炸药爆炸产生的能量直接作用于铜板表面，极易造成铜板撕裂，废品率高，二是真空爆炸焊接，真空爆炸焊可以有效隔离空气中的氧气，避免在爆炸焊接过程中，铜材表面金属射流与氧气发生反应，生成脆性氧化铜，而且避免界面近乎绝热压缩气体产生的高温造成铜材表面熔化现象，提高界面结合强度和稳定性。而且，炸药爆炸产生的能量不用克服空气阻力作功，界面无气体湍流扰动的影响，有利于两者贴合均匀， 爆炸焊接具有压力焊、熔化焊、扩散焊三种焊接特征，真空爆炸焊接杜绝了界面氧化铜的生成，减弱界面由于熔化产生空隙，通过界面金相可以看出，铜/可伐合金复合板界面存在极少量的熔化物，这些熔化物在后期轧制过程，界面的延长使其分散并消失，真空爆炸焊接界面焊接应力也在后期热处理过程中进行消除。
附图说明
图1是本发明局部真空爆炸焊接结构示意图。
1、可伐合金板；2、支撑；3、无氧铜板；4、炸药；5、雷管；6、密封材料；7、抽排气孔；8、局部真空空间。
具体实施方式
实施例1
如图所示，市场需求可伐合金和无氧铜复合材料规格总厚度为1.5mm，宽度为300mm，其中可伐合金厚度为1mm，铜厚度为0.5mm。原材料采购尺寸可伐合金宽度为350mm，长度为500mm，厚度为5mm，无氧铜宽度为350mm，长度为500mm，厚度为2.5mm。
1、将可伐合金板1放在激光器上清洗表面，将无氧铜板3用千叶轮打磨，做到光滑、清洁、粗糙度Ra≤3.2，平整度为2mm/m。
2、先将可伐合金板1放置沙土地基上，地基要求平整、踏实。（用铜片做支撑）在可伐合金上放置支撑2，然后将无氧铜板3放在铜支撑上，中间间距5mm。用密封材料6铝箔胶带将两种金属间隙密封并预留抽排气孔7，用真空机将两种金属支架的空气抽出，使其达到真空状态形成局部真空空间8，真空度为-0.06 ~-0.08MPa。在无氧铜板3上放置炸药（粉状乳化）、药厚25mm，安放雷管5起爆，支撑2主要作用是支撑无氧铜板3与可伐合金板1，使其两者之间形成间隙，摆放于板材四周，爆炸焊接存在20-40mm的边界效应（结合不良区域），最终成品切割时，需要将此区域切割去除，支撑也随之去除。对于铜板爆炸焊接而言，炸药选用低爆速炸药，爆速一般为1800-2000m/s，炸药猛度为7-9mm，炸药厚度一般为8-10倍板厚，炸药药厚每5mm为一个梯度。在板材界面真空的状态下，炸药爆炸产生的能量不用克服空气阻力作功，无气体湍流扰动的影响，有利于两者贴合均匀。
3、热处理方法：将上述复合好可伐合金和无氧铜复合材料进行两种金属间的扩散退火，温度为550℃，使其结合牢度加强，达到不分层效果。
4、将复合材料在加热炉中加热到300℃，并保温1小时后进行热轧，实行多道次轧制，每道次轧制比控制在70%~80%，将板坯热轧至3mm左右厚度的中间坯；
5、将上述热轧后的中间坯继续进行扩散退火，退火温度为500℃。
6、退火后的板坯进行冷轧，采取小变形多道次轧制，每道次轧制比控制在80%~90%，防止变形量过大导致板壁开裂，最后轧制到目标厚度1.5mm，厚度误差控制在±0.10；
7、最后再进行一次扩散退火，温度为400℃，退火时间为1小时。
8、将上述退火后的复合材料进行精整，首先利用21辊校平机进行校平，平整度达到2mm/m，再利用激光清洗机进行清洗，去除表面氧化层，最后进行切边达到目标尺寸（1+0.5）*300mm。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：市场需求可伐合金和无氧铜复合材料规格总厚度为1mm，宽度为300mm，其中可伐合金厚度为0.5mm，铜厚度为0.5mm。原材料采购尺寸可伐合金宽度为350mm，长度为500mm，厚度为2.5mm，无氧铜宽度为350mm，长度为500mm，厚度为2.5mm，热处理温度为550℃，扩散退火温度为450℃，最后进行切边达到目标尺寸（0.5+0.5）*300mm。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：市场需求可伐合金和无氧铜复合材料规格总厚度为2mm，宽度为300mm，其中可伐合金厚度为1.4mm，铜厚度为0.6mm。原材料采购尺寸可伐合金宽度为350mm，长度为500mm，厚度为7mm，无氧铜宽度为350mm，长度为500mm，厚度为3mm，可伐合金板和无氧铜板的距离为6mm，热处理温度为600℃，加热炉中的温度为350℃，中间坯厚度为4mm，退火温度为400℃，退火时间为1小时，最后进行切边达到目标尺寸（1.4+0.6）*300mm。
实验例
将实施例1-3的复合材料按照国标规定的实验要求进行性能测试，测试结果见表1.
Figure 715786DEST_PATH_IMAGE002

Claims (5)

1.一种可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）原材料前处理：用激光器清洗可伐合金板和无氧铜板表面，使其表面清洁、无油污、无氧化层、平滑、无缺陷、无凹凸；
（2）真空爆炸焊接：将可伐合金板置于沙土地基上，于可伐合金板周围布置支撑，将无氧铜铺设于可伐合金板上部的支撑上并于支撑外侧将可伐合金板和无氧铜板用密封材料密封一周，同时在密封材料上预留抽排气孔并抽真空后，在无氧铜板上铺设炸药并预埋雷管起爆既得复合材料板坯；
（3）热处理：将复合材料板坯于550~650℃条件下进行消应力退火；
（4）热轧：将热处理以后的复合材料板坯于300~400℃条件下进行多道次轧制，将板坯热轧至预定厚度的中间坯，每道次轧制比控制在70~80%；
（5）扩散退火：将中间坯于500 ~600℃下进行扩散退火；
（6）冷轧：将扩散退火以后的中间坯进行小变形多道次轧制，每道次轧制比控制在80%~90%，至轧制比≥ 50%，最终得到目标厚度的目标复合材料；
（7）终退火并精整：将冷轧后的目标复合材料于400 ~500℃退火，退火时间为1~2小时，对目标复合材料进行厚度、平整度和粗糙度调整，确保厚度误差±0.1，平整度2mm/m，粗糙度Ra≤3.2。
2.如权利要求1所述的可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法，其特征在于：所述步骤（1）中原材料可伐合金板和无氧铜板的厚度是目标可伐合金板和无氧铜板厚度的5倍，且原材料可伐合金板厚度2.5~10mm，无氧铜板厚度2.5~5mm，目标可伐合金板厚度为0.5~2mm，目标无氧铜板厚度0.5~1mm。
3.如权利要求2所述的可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法，其特征在于：所述步骤（2）中可伐合金板和无氧铜板之间的距离为5-6mm，炸药的铺设厚度为8-10倍铜板的厚度，炸药爆速为1800-2000m/s，炸药猛度为7-9mm。
4.如权利要求3所述的可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法，其特征在于：所述步骤（4）中中间坯的厚度为3mm。
5.如权利要求1-4任一所述的可伐合金和无氧铜复合材料的生产方法生产的复合材料用于低热膨胀系数材料的过渡焊接和封装。
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