CN116555618A - 一种热管用稀土铜材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铜基材料及制备领域，具体涉及一种热管用稀土铜材及其制备方法。本发明通过液压成型稀土与氧化亚铜混合粉末，再加入铜液中进行炼化。可以使稀土氧化物在铜液中原位生成，低的扩散速率有效防止颗粒团聚长大，颗粒细小，弥散度高，进一步地提高弥散强化效果。此外，通过控制稀土氧化物颗粒含量，细小弥散且含量低的稀土氧化物可以保证对铜材导电导热性能的影响降到最低。由本发明的稀土铜材来加工热管管壳，可以有效阻碍管壳在烧结时的晶粒长大，提高可焊接性，改善形变加工时的表面缺陷，并保证其导电导热性。
Description
技术领域
本发明属于铜基材料及制备领域，具体涉及一种热管用稀土铜材及其制备方法。
背景技术
热管是一种具有高效传热能力的散热器件，它利用全封闭真空管内的工作液的相变(蒸发和凝结)以及毛细作用来完成传热工作，广泛应用于手机、笔记本电脑、5G基站、LED照明、光伏逆变器等产品的散热。其散热过程包括：热量从热源经管壳和毛细吸液芯传递给工作液，工作液吸收热量在蒸发段内蒸发成蒸汽，蒸汽流到冷凝段凝结成液相，液相工作液经吸液芯内的毛细结构回流至蒸发段。热管根据种类、形式和用途可以分为很多类，但其结构基本上都是由管壳、吸液芯和工作液组成。作为热管的外壳，管壳承担着散热和外形结构的作用，因此管壳材料需要有高导热性和一定的强度。目前热管大都采用无氧铜管加工而成，无氧铜管经过烧结、焊接、压扁、折弯等一系列工序加工成所需的热管形状。
然而无氧纯铜存在室温强度低和抗软化温度低的问题，抗软化温度低会导致高温烧结时晶粒快速长大，且焊接时易被烧穿使热管报废；强度低导致压扁、折弯等形变加工时管壳出现凹陷、开裂等缺陷，这些缺陷会大幅增加热管产品的不良率。解决这一问题的方法是，在不损失导电导热性能的前提下，提高纯铜的强度和抗高温软化能力。稀土氧化物(REO)一直被认为是铜基材料最合适的强化相，这是因为稀土氧化物具有高的热力学稳定性，其弥散强化作用有利于提高铜基材料的强度和抗高温软化能力，而且细小弥散分布的稀土氧化物对纯铜的导电导热性能影响很小。
发明内容
本发明针对上述的无氧铜管在加工成热管过程中出现的一系列问题，提供一种热管管壳用的高强度、高导热、高软化温度铜基材料及其制备方法。
一种热管用稀土铜材的制备方法，其包括如下步骤：
(1)通过感应熔炼将电解铜板熔成铜液，熔炼过程中表面覆盖木炭；
(2)将一种稀土元素粉末或几种稀土元素混合粉末与氧化亚铜(Cu2O)粉末按照一定配比混合均匀，通过液压机将Cu2O与稀土的混合粉末压制成块，然后将压制块投入熔化的铜液中；
(3)搅拌并保温一定时间后浇铸成锭，获得稀土氧化物强化铜材。
进一步的，步骤(2)中，稀土元素为钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)中的一种或几种。
在选择铜材的弥散强化颗粒时，基于热力学、动力学和机械性能的考虑，强化颗粒应细小且弥散分布，具有优良的蠕变和断裂抗力，高的热传导性能，高温时的热力学和化学稳定性高，颗粒的长大速率很低。氧化钇(Y2O3)等稀土氧化物被认为是铜合金最具竞争力的弥散相，由于它们的热稳定性高，如Y2O3的形成负热ΔG°＝-605kJ，Ce2O3的形成负热为-569kJ，高于常见的弥散相Al2O3的形成负热-521kJ，表明Y2O3具有更高的热稳定性。此外，Y等稀土元素与Cu的原子半径比相对较大，导致这些元素在Cu中固溶度和扩散速率很低，高的热稳定性和低的扩散速率可使生成的弥散颗粒不易长大粗化和偏聚。另外考虑到稀土的净化基体和细化晶粒的作用。
进一步的，所制备的稀土氧化物强化铜材中稀土氧化物的比例0.03％-0.07％。
进一步的，稀土添加量根据铜材中稀土氧化物的比例，再由稀土与Cu2O的配比按照相应的反应方程式平衡配比确定。如选择稀土Y添加时，按照Y与Cu2O的反应方程式2Y+3Cu2O＝Y2O3+6Cu，Y与Cu2O的质量比为1:2.4，根据铜材中稀土氧化物的比例0.03％-0.07％，Y与Cu2O混合压块的质量占铜液的质量比即为0.08％-0.18％。
进一步的，步骤(3)中，Cu液在1080-1100℃下搅拌并保温15-25min后即可浇铸成锭。
根据前述制备方法所制备的热管用稀土铜材质量成分含量为：铜(Cu)≥99.93％，稀土氧化物(REO)0.03％-0.07％，游离氧(O)≤10ppm，其他杂质含量≤15ppm。
本发明中稀土添加方式可以有效保证稀土元素与Cu2O利用铜液的温度充分反应生成稀土氧化物和Cu，如果选择将稀土和Cu2O粉末直接加入铜液，会导致粉末浮于铜液表面，很难进入铜液之中，而且粉末处于分散状态，很难充分反应得到稀土氧化物。
本发明通过稀土元素与Cu2O在铜熔液中的反应原位生成稀土氧化物颗粒，达到对基体铜材的弥散强化效果。采用液压机将稀土与Cu2O混合粉末压制紧实，可以使稀土元素与Cu2O充分接触，在加入铜液中后稀土与Cu2O仍能保持紧密接触的状态，提高稀土与Cu2O的反应效率，在反应生成稀土氧化物之后，通过搅拌和扩散使稀土氧化物均匀分散到铜熔体中。如果将未压实的混合粉末直接投入铜液中，由于混合粉末密度小和表面张力作用，粉末多浮于铜液上部分且迅速分散开来，导致稀土元素无法与Cu2O充分反应，会导致仅有少量稀土氧化物生成且位于铸锭上部，其他稀土以固溶或化合物形式存在于铜中，不仅强化效果差，而且对导电率影响很大。
稀土氧化物对位错和晶界有阻碍作用，可以有效提高铜材的室温强度，而且稀土氧化物的热力学稳定性高，在高温下不会分解或与铜发生化学反应，因此在高温下依然可以保持对位错和晶界的阻碍作用，控制基体晶粒长大，提高铜材的高温抗软化性能。本发明中稀土氧化物在铜液中原位生成，低的扩散速率可以有效防止颗粒团聚长大，颗粒细小，弥散度高，可以进一步地提高弥散强化效果。通过控制稀土氧化物颗粒含量，细小弥散且含量低的稀土氧化物可以保证对铜材导电导热性能的影响降到最低。因此，使用本发明的稀土铜材来加工热管管壳，可以有效阻碍管壳在烧结时的晶粒长大，提高可焊接性，改善形变加工时的表面缺陷，并保证其导电导热性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将电解铜板投入感应熔炼炉中，覆盖木炭；将稀土Y粉末和Cu2O粉末按照1:2.4的比例混合均匀，然后在液压机上压制成块，将Y和Cu2O压块压入铜液中，压块重量为铜液的0.08％；将铜液温度保持在1080-1100℃，搅拌并保温20min后浇铸成锭，得到含0.03％的Y2O3强化稀土铜材。所得稀土铜材导电率99.6％IACS，抗拉强度282MPa，抗软化温度300℃。
实施例2
将电解铜板投入感应熔炼炉中，覆盖木炭；将稀土Y粉末和Cu2O粉末按照1:2.4的比例混合均匀，然后在液压机上压制成块，将Y和Cu2O压块压入铜液中，压块重量为铜液的0.18％；将铜液温度保持在1080-1100℃，搅拌并保温20min后浇铸成锭，得到含0.07％的Y2O3强化稀土铜材。所得稀土铜材导电率98.8％IACS，抗拉强度300MPa，抗软化温度330℃。
实施例3
将电解铜板投入感应熔炼炉中，覆盖木炭；将稀土La粉末和Cu2O粉末按照1:1.56的比例混合均匀，然后在液压机上压制成块，将La和Cu2O压块压入铜液中，压块重量为铜液的0.08％；将铜液温度保持在1080-1100℃，搅拌并保温20min后浇铸成锭，得到含0.04％的La2O3强化稀土铜材。所得稀土铜材导电率99％IACS，抗拉强度285MPa，抗软化温度310℃。
对比例
将电解铜板投入感应熔炼炉中，覆盖木炭；将稀土Y粉末和Cu2O粉末按照1:2.4的比例混合均匀，将混合粉末投入铜液中，混合粉末重量为铜液的0.18％；将铜液温度保持在1080-1100℃，搅拌并保温20min后浇铸成锭，得到Y2O3强化稀土铜材。由于混合粉末密度小于铜和表面张力作用，粉末多浮于铜液上部分且迅速分散开来，导致稀土Y无法与Cu2O充分反应，仅有少量Y2O3生成且位于铸锭上部，其他稀土Y固溶于铜中或形成化合物，铸锭底部未检测出稀土存在。所得稀土铜材的成分、组织和性能极不均匀，此方法得到的Y2O3强化稀土铜材不具备使用性。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种热管用稀土铜材的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)通过感应熔炼将电解铜板熔成铜液，熔炼过程中表面覆盖木炭；
(2)将一种稀土元素粉末或几种稀土元素混合粉末与氧化亚铜(Cu2O)粉末按照一定配比混合均匀，通过液压机将Cu2O与稀土的混合粉末压制成块，然后将压制块投入熔化的铜液中；
(3)搅拌并保温一定时间后浇铸成锭，获得稀土氧化物强化铜材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，稀土元素为钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所制备的稀土氧化物强化铜材中稀土氧化物的比例0.03％-0.07％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：稀土添加量根据铜材中稀土氧化物的比例，再由稀土与Cu2O的配比按照相应的反应方程式平衡配比确定。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，Cu液在1080-1100℃下搅拌并保温15-25min后即可浇铸成锭。
6.根据权利要求1-5任一所述的制备方法所制备的热管用稀土铜材，其特征在于：所述稀土铜材质量成分含量为：铜(Cu)≥99.93％，稀土氧化物(REO)0.03％-0.07％，游离氧(O)≤10ppm，其他杂质含量≤15ppm。
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Non-Patent Citations (1)
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| 卓海鸥: "液相原位反应法制备Cu-Y2O3复合材料的组织与性能", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑, no. 1, pages 020 - 102 * |
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