CN1555934A - 铁镍合金/铜复合丝材制备方法 - Google Patents

铁镍合金/铜复合丝材制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铁镍合金/铜复合丝材制备方法，其工艺步骤包括包括下列顺序工艺步骤：制作内嵌铜棒前后用封头包覆的铁镍合金锭坯，真空下高温热处理，900～950℃热挤压，冷拉拔辅于热处理获得丝材。本发明方法制备的4J50/Cu膨胀合金复合丝材，具有良好的导电性、导热性和良好的焊接性能，具有高温下与玻璃、陶瓷的良好匹配封接性，提高了电子元器件的气密性和输出功率。所得材料可用于大功率密封继电器、整流管、射线管、晶体管、小型大功率电机等产品作为引出接插件引线。

Description

铁镍合金/铜复合丝材制备方法
技术领域
本发明涉及铁镍合金/铜复合丝材的制备方法，特别是Fe50Ni50/Cu复合丝材的制备方法。
背景技术
膨胀合金是一种具有特殊热膨胀或兼有其他性能的金属材料，是国民经济和尖端科学技术中十分重要的一类金属材料。它是精密合金的一个重要部分，主要用于制造电真空器件、精密仪器、仪表元件、自动控制组元元件和大地测量方面等。近年来电子工业对膨胀合金提出了兼有高强度、高硬度、高弹性、高导电、高导热和无磁性等性能要求，相应的特殊膨胀合金和封接金属随之出现。如无磁封接合金、高导电、高导热封接合金、复合封接材料等封接材料。但这些材料只能满足某一方面的性能要求。为满足上述高强度、高硬度、高弹性、高导电、高导热和无磁性等性能要求，国内电子元件生产厂家提出了采用膨胀合金复铜引线代替单纯膨胀合金引线的使用要求。由于国内没有生产厂家，膨胀合金复铜引线产品目前主要依靠进口。
膨胀合金复合线材属于金属基复合材料，最早用于军工行业，各国均严加保密，因此公开文献的报道极少涉及膨胀合金复合线材。国内有关厂家在Fe-Ni合金中加入Cu、Ag等元素，也有一些小型大功率继电器厂家用膨胀合金与无氧铜通过焊接方法制成复合材料，来提高膨胀合金的导电导热性能。但以上方法均存在着不同程度的缺陷，所获得的材料要么封接性能不好、气密性差，要么与玻璃封接后的电性能难以达到使用要求，要么加工困难、成本高。
发明内容
本发明目的在于提供一种制备高导电、高导热铁镍合金/铜复合丝材封接材料的方法。
采用下列顺序工艺步骤实现上述发明目的：
1.铁镍合金/铜复合丝材制备方法，包括下列顺序工艺步骤：
①制作锭坯：将质量比Fe50Ni50铁镍合金棒打孔获得圆筒，将铜材加工成其外径与铁镍合金圆筒内径相同的铜棒，将钢材制成前、后封头，将铜棒嵌入铁镍合金圆筒内获得复合毛坯，将复合毛坯的前、后端面与前、后封头对应焊接制成复合锭坯；
②热处理：1×10-5Pa真空中940～970℃温度下热处理步骤①得到的复合锭坯2.5～3小时，然后随炉缓冷至20～400℃，之后出炉；
③热挤压：加热步骤②所得复合锭坯至900～950℃，保温1～1.5小时，出炉挤压获得复合棒坯，挤压时复合锭坯温度为900～950℃，挤压模具温度300～400℃；
④冷拉：室温下拉拔步骤③得到的复合棒坯至少一次，道次变形量为10～20％，在当次退火前至前次退火后或本步骤实施前的复合棒坯的总变形量达到60～70％时进行780～800℃温度退火50～60分钟；
⑤冷拉：室温下拉拔步骤④得到的复合棒坯至少一次，道次变形量为15～20％，在本步骤实施前的复合棒坯横截面积基础上总变形量达到60～70％时进行780～800℃温度1×10-5Pa真空退火50～60分钟；
⑥冷拉：室温下拉拔步骤⑤所得复合棒坯至少一次，道次变形量为5～10％，在本步骤实施前的复合棒坯横截面积基础上的总变形量范围为45～55％，之后即获得成品丝材。
上述方案中的铁镍合金可以采用Fe50Ni50合金。前、后封头均可使用Fe99.55C0.45合金材料。焊接使用的焊料可以采用不锈钢焊料。在复合毛坯与前封头的焊接端面，自复合锭坯中心向外在复合锭坯轴向截面的两个边沿设有前封头开口，在复合毛坯与后封头的焊接端面，复合毛坯在其轴向截面上被加工成向内凹进的梯形，后封头呈其下底与复合毛坯内凹梯形上底等长的梯形，两个梯形的斜边形成后封头开口，焊料分别位于前封头开口和后封头开口内。前封头开口和后封头开口在复合锭坯轴向截面上呈V字形。在复合锭坯轴向截面上前封头开口深度小于铁镍合金圆筒壁厚度，内凹梯形上底长度大于铜棒直径小于复合锭坯直径。
本发明的几个关键工艺步骤：
(1)锭坯制作技术：根据产品复合比计算出锭坯的复合比，先将4J50膨胀合金棒材车皮、打孔、无氧铜芯车好后再车前后封头，封头与膨胀合金圆筒的焊接处要车成50-60度的焊接锥度。经表面预处理和清洗干燥后，将无氧铜芯嵌入膨胀合金圆筒内与前后封头焊接。无氧铜芯直径应与膨胀合金圆筒内壁直径相匹配，才能保证复合界面紧密，无气体和氧化。具体操作时，无氧铜芯直径小于膨胀合金圆筒内壁直径约0.01～0.03mm。
(2)热挤压复合和热扩散处理技术：先将制作好的锭坯经热扩散处理后，热挤压开坯，保证挤压复合棒复合界面有扩散层，这是保证产品复合强度和高气密性的关键。
(3)不同物理性能的材料复合体的加工成型技术：根据材料性能合理配模控制变形量、调制适宜润滑剂、进行中间热处理，保证产品表面光洁度和尺寸精度。
方案中，变形量是指相应步骤实施前后的棒坯横截面积差与相应步骤实施前的横截面积之比。
采用本发明方法所制备的铁镍合金/铜(简称4J50/Cu)膨胀合金复合丝材，具有良好的导电性、导热性和良好的焊接性能，具有高温下与玻璃、陶瓷的良好匹配封接性，极大地提高了电子元器件的气密性和输出功率。所得材料可用于大功率密封继电器、整流管、射线管、晶体管、小型大功率电机，也用于密封电机、冷冻机、空调压缩机等产品作为引出接插件引线。
图面说明
图1是复合锭坯在其轴向截面上的结构示意图。图中，1—前封头，2—后封头，3—铁镍合金圆筒，4—铜芯，5—复合锭坯前端面焊缝，6—复合锭坯后端面焊缝。
具体实施方式
以4J50/CuΦ1.6mm产品为例，本发明的采用的工艺流程及工艺参数：
1.锭坯制作：外购Φ85mm4J50棒材，车皮打孔后尺寸为Φ外79×Φ内32.03×200mm，铜芯车削加工至Φ32mm，前封头尺寸为Φ外76×30mm，后封头锥形平台下底尺寸为Φ外36×10mm，焊接处车成V形口以便焊接，经表面预处理和清洗干燥后，将无氧铜芯用油压机或千斤顶嵌入膨胀合金圆筒内，然后与前后封头焊接制成复合锭坯。
2.热扩散处理：用真空炉在940℃-970℃温度下热扩散处理2.5～3小时，然后随炉缓冷至400℃以下出炉。
3.热挤压：用500T挤压机挤制棒坯，采用锥模、凹垫作为挤压模具，用石墨+机油润滑剂润滑模子和挤压筒，挤压温度为900～950℃，保温时间为1.5小时，挤压棒坯尺寸为Φ26mm。然后切去棒坯头尾直至没有焊砸、铜芯尺寸达到复合比要求为止。
4.冷拉：将挤压棒坯表面进行清理后，采用3T拉拔机进行多道次拉拔，道次变形量为10～20％，两次退火间的总变形量为60～70％，中间退火温度为780～800℃，拉拔后棒坯尺寸Φ18mm。
5.退火：温度为780～800℃，保温时间为50～60分钟，空冷。
6.冷拉：采用3T拉拔机进行多道次拉拔，道次变形量为15～20％，两次退火间的总变形量为60～70％，中间退火温度为780～800℃，拉拔后棒坯尺寸Φ11mm。
7.退火：温度为780～800℃，保温时间为50～60分钟，空冷。
8.冷拉：采用3T拉拔机进行多道次拉拔，道次变形量为15～20％，两次退火间的总变形量为60～70％，中间退火温度为780～800℃，拉拔后棒坯尺寸Φ6.8mm。
9.退火：温度为780～800℃，保温时间为50～60分钟，空冷。
10.盘拉：采用圆盘拉伸机机进行多道次拉拔，道次变形量为15～20％，两次退火间的总变形量为60～70％，中间退火温度为780～800℃，拉拔后线坯尺寸Φ4.0mm。
11.退火：温度为780～800℃，保温时间为50～60分钟，空冷。
12.盘拉：采用圆盘拉伸机机进行多道次拉拔，道次变形量为15～20％，两次退火间的总变形量为60～70％，中间退火温度为780～800℃，拉拔后线坯尺寸Φ2.2mm。
13.真空退火：退火温度为780～800℃，保温时间为50～60分钟，随炉冷却到室温出炉。
14.盘拉：采用圆盘拉伸机机进行多道次拉拔，道次变形量为5～10％，成品拉拔总变形量控制在45～55％的范围内，拉拔后复合线材成品尺寸为Φ1.6mm。
15.成品检测、清洗、包装：采用千分尺测量复合线材外径尺寸，采用显微镜观测表面粗糙度，采用金相试验测量铜芯尺寸，用膨胀仪检测线膨胀系数。检测合格后用汽油清洗表面，用布带包裹并缠上塑料布、贴上标签。
所得4J50/Cu复合丝材成品性能参数：
外径尺寸：1.58-1.62mm
铜芯尺寸：0.65-0.70mm
表面粗糙度：RZ0.8-1.6um
总漏气率：θ≤1×10-9Pa.L/S
电阻率为：0.094Ω.mm2/m
抗拉强度：750MPA
膨胀系数：α12～490℃＝9.7×10-6/℃  α12～950℃＝14.6×10-6/℃

Claims (7)

1.铁镍合金/铜复合丝材制备方法，包括下列顺序工艺步骤：
①制作锭坯：将质量比Fe50Ni50铁镍合金棒打孔获得圆筒，将铜材加工成其外径与所述铁镍合金圆筒内径相同的铜棒，将钢材制成前、后封头，将铜棒嵌入所述铁镍合金圆筒内获得复合毛坯，将所述复合毛坯的前、后端面与前、后封头对应焊接制成复合锭坯；
②热处理：1×10-5Pa真空中940～970℃温度下热处理步骤①所得复合锭坯2.5～3小时，然后随炉缓冷至20～400℃，之后出炉；
③热挤压：加热步骤②所得复合锭坯至900～950℃，保温1～1.5小时，出炉挤压获得复合棒坯，挤压时所述复合锭坯温度为900～950℃，挤压模具温度300～400℃；
④冷拉：室温下拉拔步骤③所得复合棒坯至少一次，道次变形量为10～20％，在当次退火前至前次退火后或本步骤实施前的复合棒坯的总变形量达到60～70％时进行780～800℃温度退火50～60分钟；
⑤冷拉：室温下拉拔步骤④所得复合棒坯至少一次，道次变形量为15～20％，在本步骤实施前的复合棒坯横截面积基础上总变形量达到60～70％时进行780～800℃温度1×10-5Pa真空退火50～60分钟；
⑥冷拉：室温下拉拔步骤⑤所得复合棒坯至少一次，道次变形量为5～10％，在本步骤实施前的复合棒坯横截面积基础上的总变形量范围为45～55％，即获得成品丝材。
2.根据权利要求1所述的铁镍合金/铜复合丝材制备方法，其特征在于所述铁镍合金为Fe50Ni50合金。
3.根据权利要求2所述的铁镍合金/铜复合丝材制备方法，其特征在于步骤①所述前、后封头均使用Fe99.55C0.45合金。
4.根据权利要求3所述的铁镍合金/铜复合丝材制备方法，其特征在于步骤①所述焊接使用不锈钢焊料。
5.根据权利要求4所述的铁镍合金/铜复合丝材制备方法，其特征在于在步骤①所述复合毛坯与前封头的焊接端面，自所述复合锭坯中心向外在所述复合锭坯轴向截面的两个边沿设有前封头开口，在步骤①所述复合毛坯与后封头的焊接端面，所述复合毛坯在其轴向截面上被加工成向内凹进的梯形，后封头呈其下底与复合毛坯内凹梯形上底等长的梯形，两个梯形的斜边形成后封头开口，焊料位于所述前封头开口和后封头开口内。
6.根据权利要求5所述的铁镍合金/铜复合丝材制备方法，其特征在于所述前封头开口和/或后封头开口在所述复合锭坯轴向截面上呈V字形。
7.根据权利要求6所述的铁镍合金/铜复合丝材制备方法，其特征在于在所述复合锭坯轴向截面上所述前封头开口深度小于所述铁镍合金圆筒壁厚度，所述内凹梯形上底长度大于所述铜棒直径小于所述复合锭坯直径。
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