專利名稱:一種高性能銀包鋁復(fù)合絲材及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高性能金屬復(fù)合材料及其制備工藝領(lǐng)域，特別是提供了一種高性能銀包鋁復(fù)合絲材及其制備工藝。在電子信息、航空航天領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
技術(shù)背景銀具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。按國際退火銅電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)，取高純退火銅的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率為100％，則高純銀的電導(dǎo)率為108.4％(見寧遠(yuǎn)濤，趙懷志.銀.長沙中南大學(xué)出版社，2005)。因而銀導(dǎo)線在微電子技術(shù)中有著重要的用途，尤其是在一些要求高電導(dǎo)率的領(lǐng)域。但由于銀資源的缺乏，價格昂貴，它在這些領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。而鋁資源豐富、價格便宜、密度低，是目前應(yīng)用最廣的導(dǎo)電材料之一。但鋁的電阻率大于銀的電阻率，室溫下純鋁的電阻率是純銀的1.6倍。銀包鋁復(fù)合導(dǎo)線是一種理想的替代品，它不僅可以發(fā)揮純銀優(yōu)良的導(dǎo)電性能，而且可大量節(jié)省銀資源。但銀包鋁線材，尤其是直徑在Φ100μm以下的高性能復(fù)合絲材的制備存在較大困難。
金屬復(fù)合絲材的主要制備方法可分為(1)采用絲材表面鍍層法直接制備金屬復(fù)合絲材。但這種方法存在鍍層厚度有限、鍍層厚度不均勻、鍍層與芯材之間結(jié)合強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，因而不適用于制備高性能復(fù)合金屬絲材；(2)先制備復(fù)合棒材或線材，再采用拉拔或軋制法進(jìn)一步加工成復(fù)合絲材。金屬復(fù)合棒材或線材的制備主要采用塑性加工復(fù)合和鑄造復(fù)合法。早期的方法主要有利用鋁粉軋制法和鋁帶壓合法制備鋁包鋼線，但產(chǎn)品質(zhì)量和成本都不能滿足應(yīng)用要求(見孫德勤等，材料導(dǎo)報，Vol.17，No.5(2003)，P65)；用熱浸法及電鍍法制備復(fù)合線材如銅包鋼線，但其發(fā)展因環(huán)境問題受到了限制(見孫慎林，廣播與電視技術(shù)，No.5(1997)，P105)；又如采用鋁線鍍銅法制備銅包鋁線，雖然工藝簡單，但除同樣存在環(huán)境問題外，由于存在鍍層性能差、鍍層與芯材界面結(jié)合強(qiáng)度低、鍍層與芯材同心度差等問題，很難滿足高性能使用要求。此外，人們也利用軋制壓接法和包覆焊接法制備銅包鋁線材，但其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性控制較困難。目前，應(yīng)用比較廣泛的復(fù)合線材制備加工方法主要有連續(xù)擠壓包覆、鑄拉、熱浸鍍、反向凝固(見孫德勤等，材料導(dǎo)報，Vol.17，No.5(2003)，P65)。但由于銀包鋁復(fù)合材料自身所具有的特性，即其外層金屬的強(qiáng)度、硬度和熔點(diǎn)均比芯材的高，不適合于采用這些方法制備。采用復(fù)合坯料熱擠壓制備棒材或線材，會產(chǎn)生沿長度方向包覆層厚度不均勻(見謝建新，劉靜安.金屬擠壓理論與技術(shù).北京冶金工業(yè)出版社，2001，P314)，且在高溫條件下，易在復(fù)合界面銀包覆層一側(cè)形成脆性化合物。
由于以上制備金屬復(fù)合線材的方法存在各種缺點(diǎn)，本發(fā)明提出采用冷靜液擠壓法制備銀包鋁復(fù)合線材，通過后續(xù)多道次拉拔制備銀包鋁復(fù)合絲材的新工藝。靜液擠壓比普通擠壓具有強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)、容易實現(xiàn)大擠壓比變形、金屬流動較均勻等優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合于兩種金屬在低溫大變形下進(jìn)行固相復(fù)合。根據(jù)需求，在拉拔加工過程中，施行適當(dāng)?shù)能浕嘶鹛幚怼?br>
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高性能銀包鋁復(fù)合絲材及其制備工藝，解決了包覆層厚度不均勻、拉拔過程中容易斷絲、產(chǎn)品質(zhì)量和性能不穩(wěn)定等問題。
本發(fā)明的銀包鋁復(fù)合絲材是以純鋁為芯絲，純銀為包覆層。其尺寸為外徑為Φ20μm～Φ1000μm，芯絲直徑為Φ10μm～Φ950μm。Φ70μm銀包鋁微絲橫截面結(jié)構(gòu)見圖1。
本發(fā)明采用連續(xù)定向凝固方法制備的沿長度方向具有連續(xù)柱狀晶組織的純鋁棒作為復(fù)合坯料的芯棒，以提高純銀和純鋁的冷加工大變形協(xié)調(diào)性，純鋁棒柱狀晶的直徑為10～500μm，然后，采用進(jìn)行靜液擠壓和多道次拉拔工藝制備出高性能銀包鋁復(fù)合絲材。其靜液擠壓和多道次拉拔如下
靜液擠壓工藝為(1)將軋制后的純銀管下料、端頭旋錐、退火，并進(jìn)行內(nèi)外表面清洗。
(2)純鋁棒下料、頭部車錐、表面堿洗、水清洗。
(3)將清洗好的純銀管和純鋁棒組合成復(fù)合坯料，坯料尾部用尾座密封并進(jìn)行坯料表面涂層處理。
(4)在靜液擠壓機(jī)上采用大擠壓比(10～20)冷擠壓得到銀包鋁復(fù)合線材。
對此擠壓線材進(jìn)行后續(xù)多道次拉拔加工。拉拔加工過程中的道次加工率控制在5％～30％。其中，前15至20道次采用大的道次加工率20％～30％，以后道次隨絲材直徑的減小加工率依次減小。分別為，在Φ6mm～Φ1mm之間道次加工率為20％～30％；Φ1mm～Φ0.1mm之間道次加工率為10％～20％；Φ0.1mm～Φ0.03mm之間道次加工率為5％～15％。兩次軟化退火之間的總加工率為90％～98％。退火溫度在150℃～200℃之間。
為了解決純鋁的加工硬化率高、冷加工變形能力低于純銀，在Φ0.1mm(Φ100μm)以下的微絲加工中容易斷絲的問題，本發(fā)明采用連續(xù)定向凝固方法制備的沿長度方向上具有連續(xù)柱狀晶組織的純鋁桿作為銀鋁復(fù)合坯料的鋁芯，進(jìn)行靜液擠壓制備銀包鋁復(fù)合線材，收到很好的效果，可克服外徑Φ20μm～Φ100μm微絲拉拔中的斷絲問題。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，拉伸強(qiáng)度測試發(fā)現(xiàn)絲材具有較高的強(qiáng)度；在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)銀包鋁絲材表面質(zhì)量良好，絲材直徑在長度方向波動很小，銀層分布均勻。結(jié)合純銀高的電導(dǎo)率和純鋁價格低廉、密度小的特點(diǎn)，銀包鋁復(fù)合絲材在電子信息、航空航天等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
圖1為本發(fā)明制備的一種尺寸規(guī)格(外徑Φ70μm，內(nèi)徑Φ49μm)的銀包鋁絲材橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，銀層1；鋁芯2。
具體實施方式以制備Φ70μm銀包鋁微絲為例，說明其具體實施方法。采用純銀管套裝鋁棒作為靜液擠壓的復(fù)合坯料。純銀管和純鋁棒的長度為100mm；純銀管的外徑和內(nèi)徑尺寸分別為Φ20mm和Φ14mm，純鋁棒的直徑為Φ14mm。將純銀管頭部旋成30°的半錐角，純鋁棒頭部車成30°的半錐角。用稀硝酸清洗純銀管和純鋁棒，用細(xì)砂布對純銀管內(nèi)表面進(jìn)行打磨，使其內(nèi)表面與純鋁棒之間的摩擦增大。然后將純鋁棒和純銀管套裝成復(fù)合坯料，并將其尾部用尾座進(jìn)行密封。最后在純銀管外表面涂上蓖麻油作為潤滑劑進(jìn)行擠壓，其中，擠壓模角為45°，擠壓比為11.1。擠壓后線材的直徑為Φ6mm。
將擠壓制備的Φ6mm線材經(jīng)多道次拉拔至Φ1.7mm，其中道次加工率控制在20％～30％；在200℃退火5分鐘；再從Φ1.7mm經(jīng)多道次拉拔至Φ0.28mm，道次加工率控制在10％～20％；在150℃退火5分鐘。最終從Φ0.28mm經(jīng)多道次拉拔至最終尺寸Φ70μm，道次加工率控制在10％～15％。
對經(jīng)以上工藝制備的銀包鋁復(fù)合微絲進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試發(fā)現(xiàn)，微絲具有較高的強(qiáng)度；在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，銀包鋁微絲表面質(zhì)量良好，微絲直徑在長度方向波動很小，銀層厚度分布均勻。
權(quán)利要求
1.一種高性能銀包鋁復(fù)合絲材，其特征在于，以純鋁為芯絲，純銀為包覆層，其尺寸為外徑Φ20μm～Φ1000μm，芯絲直徑Φ10μm～Φ950μm。
2.一種制備權(quán)利要求
1所述的銀包鋁復(fù)合絲材的工藝，其特征在于，采用連續(xù)定向凝固方法制備的沿長度方向具有連續(xù)柱狀晶組織的純鋁棒作為復(fù)合坯料的芯棒，以提高純銀和純鋁的冷加工大變形協(xié)調(diào)性，純鋁棒柱狀晶的直徑為10～500μm，然后，采用進(jìn)行靜液擠壓和多道次拉拔工藝制備出高性能銀包鋁復(fù)合絲材。
3.按照權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于，靜液擠壓工藝為(1)將軋制后的純銀管下料、端頭旋錐30°～90°、退火并進(jìn)行內(nèi)外表面清洗；(2)純鋁棒下料、頭部車錐30°～90°、表面堿洗、水清洗；(3)將清洗好的純銀管和純鋁棒組合成復(fù)合坯料，坯料尾部用尾座密封，并進(jìn)行坯料表面涂層處理；(4)在靜液擠壓機(jī)上采用大擠壓比冷擠壓制備銀包鋁復(fù)合線材，擠壓比范圍為10～20；多道次拉拔工藝為對此擠壓復(fù)合線材進(jìn)行后續(xù)拉拔加工，拉拔加工過程中的道次加工率控制在5％～30％之間；兩次退火之間的總加工率為90％～98％；退火溫度在150℃～300℃之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2或3所述的方法，其特征在于，拉拔加工的前15至20道次采用20％～30％的加工率，以后道次隨絲材拉拔直徑的減小加工率依次減??；分別為，在Φ6mm～Φ1mm之間道次加工率為20％～30％；Φ1mm～Φ0.1mm之間道次加工率為10％～20％；Φ0.1mm～Φ0.02mm之間道次加工率為5％～15％。
專利摘要
一種高性能銀包鋁復(fù)合絲材及其制備工藝，屬于高性能金屬復(fù)合材料及其制備工藝領(lǐng)域。銀包鋁復(fù)合絲材以純鋁為芯絲，純銀為包覆層，其尺寸為外徑為Φ20μm～Φ1000μm，芯絲直徑為Φ10μm～Φ950μm。銀包鋁復(fù)合絲材的制備工藝分為采用靜液擠壓和多道次拉拔兩步。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，拉伸強(qiáng)度測試發(fā)現(xiàn)絲材具有較高的強(qiáng)度，在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)銀包鋁絲材表面質(zhì)量良好，絲材直徑在長度方向波動很小，銀層分布均勻。結(jié)合純銀高的電導(dǎo)率和純鋁價格低廉、密度小的特點(diǎn)，銀包鋁復(fù)合絲材在電子信息、航天航空等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01B13/00GK1996503SQ200710063265
公開日2007年7月11日 申請日期2007年1月5日
發(fā)明者謝建新, 劉新華, 劉雪峰, 蘇順 申請人:北京科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan