專利名稱：一種Cu/Ag雙金屬復合板制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬層狀復合材料制備技術。尤其涉及一種組織均勻、界面結合緊密的Cu/Ag雙金屬復合板制備方法。
背景技術：
Ag/Cu復合板一般用于制造各種開關、繼電器、電位器和接插件等電子器件的觸點或彈性部件。制造Ag/Cu復合板方法有多種，主要為固相軋制、爆炸焊接、擴散焊接、滾焊、電鍍、濺射和氣相沉積等，其中固相軋制方法具有材料界面結合良好、產(chǎn)品尺寸精度高和易于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。固相軋制的復合機理是兩種金屬在軋制變形作用下，迫使兩金屬接觸界面之間的距離接近原子鍵合尺寸，形成緊密的金屬鍵結合，再輔之擴散退火處理，在界面之間形成合適的擴散過渡層，使材料界面達到良好結合。
制備出具有良好力學性能和導電性能的Ag/Cu復合板關鍵是應力圖得到具有良好結合性能的Ag/Cu復合界面，其關鍵技術主要應包括復層材料與基體材料的預復合工藝，相匹配的軋制工藝及擴散退火工藝等。在預復合工藝中，必須尋找預復合壓力、材料表面粗糙度和硬度三者之間的較佳匹配關系，使得在初始變形壓力下，界面產(chǎn)生一定的機械嵌入嚙合，以獲得良好的界面封閉和初始結合狀態(tài)，為后續(xù)的界面軋制變形結合提供先決條件。在軋制工藝中，必須尋找較佳的變形程度和變形溫度，以便與材料的變形能力、加工硬化速率及氧化程度相匹配，使界面層金屬發(fā)生充分流動造成氧化膜有效破裂和兩金屬表面相互緊密接觸，形成可靠的物理結合及一定程度的冶金結合。在擴散退火工藝中，必須尋找較佳的退火溫度及時間，以便與元素擴散能力、材料再結晶狀態(tài)及持續(xù)變形能力等匹配，使界面具有合適厚度的過渡層而形成充分并有效的冶金結合，使復合板具備所需的微觀組織和力學性能。由此可見，研究并優(yōu)化Ag/Cu復合板的制備方法已構成此類金屬層狀復合材料發(fā)展與應用的基本問題之一。
發(fā)明專利US6911265公開了包括Cu及Ag等金屬箔與合成樹脂復合的印刷線路板及其制備方法，為使此類印刷線路板具有高的耐熱性、電絕緣性和撓曲性，提出了保證界面結合強度的金屬箔表面粗糙化技術。發(fā)明專利US4046304公開了一種以Al為表層、其它金屬(包括Cu、Ag等)為基層的金屬復合板制備方法，為保證界面結合性能，采用了一定變形量的冷壓、熱壓和一定溫度的擴散處理。發(fā)明專利CN03135166.2公開了一種Ag合金/Cu合金層復合板，采用Zn替代Ag合金中的Cd，以解決Cd危害人體健康的問題，又同時保證了材料在使用中的滅弧效果。
在有關研究文獻中也涉及了Cu/Ag或Cu合金/Ag合金復合材料的制備技術。張永俐[儀表材料，1984，15(5)7]采用溫軋復合成了用于嵌壁開關的Ag/Cu電觸頭材料，具有兩層金屬之間結合緊密，界面無缺陷，復層厚度均勻等優(yōu)點。沈其峰等[稀有金屬材料與工程，1985，(6)10]提出了利用冷軋復合制備Ag/H62(黃銅)復合板的方法，認為冷軋可使結合表面氧化膜破碎造成新鮮金屬結合而導致表面形成良好的機械嚙合。魏海榮等[稀有金屬材料與工程，1983，(1)8]提出了用熱軋-冷軋聯(lián)合工藝制備Ag/H62復層材料的方法，這種聯(lián)合工藝可使原子發(fā)生擴散而形成固溶體之間的冶金結合，在界面層兩側的基體中不出現(xiàn)第二相，而界面層的硬度高于基體。曾德麟[稀有金屬材料與工程，1984，(6)12]中采用粉末燒結-冷軋復合工藝制取了Ag/Cu雙金屬片材，這種工藝充分利用了粉末燒結組織均勻、晶粒細小及界面結合力強等優(yōu)點，同時又利用冷軋工藝控制并調整了力學性能。
孟亮等在一些文獻[Mater.Charact.，2001，47(3-4)269；Mater.Sci.Techn.，2003，19(6)779-784；金屬學報，2001，37(1)47；中國有色金屬學報，2001，11(6)982；材料熱處理學報，2002，23(3)31；材料科學與工程，2001，19(1)56]中對Cu/Ag雙金屬復合板制備工藝及性能進行了某些方面的研究，提出了復層材料成分、復合工藝參數(shù)及熱處理制度對界面復合質量和強度的影響規(guī)律，表明了界面微觀組織、化學元素分布、擴散熱力學和動力學以及界面結合機制在不同復合狀態(tài)下的表現(xiàn)行為，公布了不同軋制復合溫度及不同擴散處理溫度條件下制備的Cu/Ag雙金屬復合板的復合層基體顯微組織、力學性能、界面剝離力及界面過渡層元素濃度分布等測試數(shù)據(jù)。
鑒于以上關于雙金屬復合板制備的技術背景可見，某些復合技術雖然已經(jīng)產(chǎn)生良好效果，但針對的復合表面并非Cu/Ag界面(如針對的是Cu/Al界面)，因其它金屬界面性質與Cu/Ag界面性質有本質差異，因而不能簡單套用這種工藝技術；某些技術雖然針對的是Cu/Ag界面，但材料基體中含有其它輔助合金元素，即界面兩側材料已成為合金，界面性質已與純Cu/Ag界面有顯著差別，同樣不能直接套用這種工藝技術；某些技術考慮了控制復合表面粗糙度來改善復合性能，但僅針對合成樹脂與金屬層的復合，不適用于Cu/Ag界面；某些復合技術中所要求的復合變形量較大及復合表面預處理的質量較高，需要大型軋制設備或軋制變形需要在高溫下進行才能保證復合質量，即工藝實施難度較大，所得微觀組織不均勻，不適于批量生產(chǎn)；某些研究雖對材料復合過程中的單一工藝參數(shù)的作用提出了較系統(tǒng)的結果，但主要反映的是理論性或機理性的內容，僅可用于指導應用研究，不能直接做為制備Cu/Ag雙金屬復合板的工藝條件。

發(fā)明內容
根據(jù)已有相關技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種Cu/Ag雙金屬復合板的制備方法，采用相互匹配的預復合、軋制復合及擴散退火等工藝，有效地控制基體層塑性變形能力、表面機械嚙合水平、界面結合方式、顯微組織及擴散層狀態(tài)等，制備出具有良好界面結合性能的Cu/Ag雙金屬復合板。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案的步驟如下1)預復合將厚度為1.0～2.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Ag板帶在250℃～300℃退火0.5h，將厚度為2.0～4.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Cu板帶在300℃退火1h；退火后板帶預拉伸應變1％～2％；機械打磨清理基材表面，表面粗糙度Ra＝12.5～50μm；變形度5％冷軋變形；2)軋制復合對預復合板在室溫或200℃變形軋制復合，軋制3～5道次，總變形度70％～80％；3)擴散退火對軋制復合后的雙金屬板在低于0.1Pa氣體壓力的真空爐中擴散退火，在400～450℃擴散退火2～4h。
如果需要進一步提高產(chǎn)品精度，還可以對擴散退火后復合板再進行平整化精軋，并使其厚度達到公差要求，精軋變形度≤5％。
本發(fā)明所制備的Cu/Ag雙金屬復合板界面無直徑大于0.03μm的顯微孔洞，界面名義結合力40～45N/mm，擴散過渡層厚度10～14μm，復合板Cu基體晶粒平均尺寸10～14μm，復合板Ag基體晶粒平均尺寸15～20μm。
本發(fā)明與背景技術相比具有的有益的效果是(1)預復合中采用合適退火工藝合理調整了基材硬度匹配，使得兩種不同金屬表面復合時塑性變形流動方式充分有利于界面的機械嚙合；(2)根據(jù)兩種金屬表面塑性水平，加工形成具有合理粗糙度的復合表面，配合使用具有合理變形度的預復合軋制工藝，制備出具有良好初始復合狀態(tài)的復合界面；(3)由于具有狀態(tài)良好的初始復合界面，因此可以采用較低溫度、多道次軋制復合工藝，同樣可以制備較高結合強度的復合板；(4)對于具有上述特點的復合界面，采用相適應的擴散退火工藝，在界面區(qū)域造成具有合適厚度的冶金結合擴散層，無擴散顯微孔洞，晶粒分布均勻，進一步提高了結合性能；(5)本制備方法工藝環(huán)節(jié)階段性明顯，工藝參數(shù)控制簡單方便，容易在實際生產(chǎn)中實施，要求的軋制復合設備功率和復合溫度較低，降低了材料成本。
本發(fā)明工藝簡單，對設備要求不高，易于應用于工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明實施例1中的復合界面區(qū)域顯微組織；圖2為本發(fā)明實施例中的界面名義結合力試樣規(guī)格、測試方式和名義結合力定義；圖3為本發(fā)明實施例中的界面Cu元素分布曲線及擴散過渡層厚度定義；圖4為本發(fā)明實施例2中的復合界面區(qū)域顯微組織。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1將厚度為1.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Ag板帶和厚度為2.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Cu板帶剪裁、除油處理，在保護氣氛爐中進行調整硬度退火，Ag板帶在250℃退火0.5h，Cu板帶在300℃退火1h。退火后板帶預拉伸應變1％～2％平整化。
機械打磨清理基材表面，使表面粗糙度為Ra12.5±3μm。
清理復合表面磨屑，緊密疊合兩種金屬板帶。
冷軋預復合，變形度5％ 常溫3道次軋制復合，總變形度70％。
對軋制復合后的雙金屬板在低于0.1Pa氣體壓力的真空爐中擴散退火，退火溫度為400℃，退火時間為4h。
對擴散退火后復合板進行平整化精軋，精軋變形度≤5％，并使其厚度達到公差要求。
形成的界面區(qū)域微觀組織如圖1所示，界面結合緊密，無直徑大于0.03μm的顯微空洞，晶粒均勻，Cu側基體晶粒平均尺寸為10μm，Ag側基體晶粒平均尺寸為15μm。
采用圖2所示規(guī)格試樣及加載方式測定的5個復合板試樣界面名義結合力平均值為40N/mm。
測定界面區(qū)域Cu元素濃度分布曲線，采用圖3所示定義的擴散過渡層厚度為10μm。
實施例2將厚度為2.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Ag板帶和厚度為4.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Cu板帶剪裁、除油處理，在保護氣氛爐中進行調整硬度退火，Ag板帶在300℃退火0.5h，Cu板帶在300℃退火1h。退火后板帶預拉伸應變1％～2％平整化。
機械打磨清理基材表面，使表面粗糙度為Ra50±5μm。
清理復合表面磨屑，緊密疊合兩種金屬板帶。
冷軋變形預復合，變形度5％。
200℃軋制復合，5道次，總變形度80％。
對軋制復合后的雙金屬板在低于0.1Pa氣體壓力的真空爐中擴散退火，退火溫度為450℃，退火時間為2h。
對擴散退火后復合板進行平整化精軋，精軋變形度≤5％，并使其厚度達到公差要求。
形成的界面區(qū)域微觀組織如圖4所示，界面結合緊密，無直徑大于0.03μm的顯微空洞，晶粒均勻，Cu側基體晶粒平均尺寸為14μm，Ag側基體晶粒平均尺寸為20μm。
采用圖2所示規(guī)格試樣及加載方式測定的5個復合板試樣界面名義結合力平均值為45N/mm。
測定界面區(qū)域Cu元素濃度分布曲線，采用圖3所示定義的擴散過渡層厚度為14μm。
權利要求
1.一種Cu/Ag雙金屬復合板制備方法，其特征在于該方法的步驟如下1)預復合將厚度為1.0～2.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Ag板帶在250℃～300℃退火0.5h，將厚度為2.0～4.0mm的硬態(tài)工業(yè)純Cu板帶在300℃退火1h；退火后板帶預拉伸應變1％～2％；機械打磨清理基材表面，表面粗糙度Ra12.5～50μm；變形度5％冷軋變形；2)軋制復合對預復合板在常溫或200℃變形軋制復合，軋制3～5道次，總變形度70％～80％；3)擴散退火對軋制復合后的雙金屬板在400～450℃擴散退火2～4h。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種Cu/Ag雙金屬復合板制備方法，其特征在于對擴散退火后復合板再進行平整化精軋，并使其厚度達到公差要求，精軋變形度≤5％。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種Cu/Ag雙金屬復合板制備方法，其特征在于所制備的Cu/Ag雙金屬復合板，界面無直徑大于0.03μm的顯微孔洞，界面名義結合力40～45N/mm，擴散過渡層厚度10～14μm，復合板Cu基體晶粒平均尺寸10～14μm，復合板Ag基體晶粒平均尺寸15～20μm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Cu/Ag雙金屬復合板制備方法。將硬態(tài)工業(yè)純Cu、Ag基材分別在300℃和250～300℃退火，預拉伸應變后機械打磨形成粗糙度Ra12.5～50μm的復合表面，冷軋變形5％預復合，常溫或200℃軋制變形70％～80％物理復合，400～450℃退火2～4h擴散復合。本發(fā)明采用特定預復合技術預先制備具有良好初始復合狀態(tài)的界面，再匹配以適合這種初始復合界面的軋制和擴散退火工藝，使所制備的復合板具有40～45N/mm的界面名義結合力，10～14μm的擴散過渡層厚度，組織均勻、界面結合緊密。另外，本發(fā)明具有工藝階段性明顯，參數(shù)控制方便，不需大功率軋制復合設備，復合溫度較低等效果。
文檔編號B23P23/04GK1739913SQ200510060839
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月21日 優(yōu)先權日2005年9月21日
發(fā)明者孟亮, 劉嘉斌, 田麗 申請人:浙江大學