一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法與流程
2024-04-01 19:21:05
本發明涉及金屬複合材料連接技術領域，具體涉及一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法。
背景技術：
銅是良好的導熱和導電材料，且具有良好的柔韌性，易於加工成型，被廣泛的應用於電子封裝材料領域。但由於其熱膨脹係數較大，不能與很多半導體材料相匹配，限制了它的進一步應用；難熔金屬鉬，具有優良的高溫強度，而且其熱膨脹係數低，導熱導電性能好，同時，鉬屬於體心立方結構，銅屬於面心立方結構，兩者互不相容，組合在一起，製成複合材料，集兩者的優點於一體，且各自在組分上保持相對獨立，從而可得到單一材料所沒有的特殊性能；並且，可通過改變銅鉬銅複合材料的厚度比，達到可設計的熱膨脹係數和良好的導熱導電性能。銅鉬銅三層複合板不僅具有以上這些性能，還具有良好的成型性能和良好的高溫強度。因此，在電子產業領域得到廣泛應用。
隨著科學技術的不斷進步，電子產業的發展突飛猛進，對銅鉬銅複合材料的需求不斷增加。而且與鉬銅、鎢銅等材料相比，其生產成本低，平面導熱性好，且緻密度高；同時，銅鉬銅層狀複合材料在HB-LED、多基片組板材料、電子封裝、熱沉材料、航空航天等領域，有著廣泛的應用前景。
目前，製造銅鉬銅複合材料的方法主要有：軋制複合法、爆炸複合法、液固相鑄軋複合法、反向凝固法以及雷射表面熔敷技術。但軋制複合法一次性投資較大，不利於小批量生產，且軋制複合邊部易開裂；爆炸複合法的危險性較高，且生產的複合板表面質量較差，性能難以滿足使用要求；液固相軋制複合、反向凝固法及雷射表面熔覆技術還處於理論階段，還沒有實踐。因此，急需一種利於實際生產，而且產品性能良好的銅鉬銅複合材料的製備方法。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法，不同材料界面結合良好，解決了軋制複合邊部易開裂的問題。
本發明為實現上述目的所採用的技術方案為：一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、鉬板及銅坯的預處理
將純鉬板經線切割，加工成目標尺寸的鉬板，銅板坯經線切割，加工成目標尺寸的銅坯，然後將加工好的鉬板用水磨床進行表面打磨，使得鉬板表面的粗糙度Ra≤10μm，打磨好的鉬板和銅坯分別用丙酮進行清洗，除去表面汙物；
步驟二、鑲鑄板材的排列組裝
取坩堝，將坩堝內腔中相對設置的兩個側壁上開設多個條形卡槽，條形卡槽的長度方向沿坩堝底部向坩堝開口處延伸；將清洗後的鉬板插入坩堝內壁上的條形卡槽中，然後將相應塊數的銅坯插入坩堝內壁上的條形卡槽中，使鉬板與銅坯相間排列；
步驟三、加熱鑲鑄
將坩堝置於真空加熱爐中，加熱至銅坯完全融化，且在坩堝中分布均勻後，置於真空加熱爐中進行冷卻，使得鉬板鑲嵌在融化的銅坯中，製得多層銅鉬銅複合材料鑄坯；
步驟四、打磨修整
將鑲鑄好的多層銅鉬銅複合材料鑄坯從坩堝中取出，切除鑄坯兩側多餘的鉬板，鑄坯表面經銑床修理平整，用砂輪機把鑄坯一端打磨出30°的傾斜度，以便後續軋制軋機的咬入；
步驟五、熱軋及退火熱處理
將打磨修整好的鑄坯置於氫氣保護的加熱爐中，加熱至500~800℃，保溫10~60min，進行多道次的熱軋後，在氫氣保護氣氛的加熱爐中加熱至400~800℃，退火處理0.5~5h，製得複合板材；
步驟六、冷軋及退火熱處理
將退火處理後的複合板材進行冷軋處理，冷軋至所需厚度後，在氫氣保護條件下，加熱至200~600℃，退火處理30~60min，製得銅鉬銅多層複合材料。
其中，本發明的步驟一所選用的純鉬板的厚度為0.5~2mm，銅板坯的厚度為2~6mm。
其中，步驟二中，鉬板插入坩堝上的條形卡槽的位置根據目標所需製備的多層複合材料的鉬板之間的間距確定。
其中，步驟二中，鉬板與銅坯相間排列完成後，若坩堝兩側留有空隙，使用方形石墨塊進行填充空隙。
優選的，本發明步驟二採用方體結構的坩堝，坩堝的外觀尺寸寬×高×長為53mm×165mm×230mm，壁厚15mm；在尺寸寬×高為23mm×165mm的兩個內壁上，沿內壁的寬度方向每隔1mm設計一個寬×高×長為1mm×150mm×2mm的卡槽。該尺寸的坩堝主要用來鑲鑄鉬板厚度≤1mm的銅鉬銅複合板坯。
優選的，本發明步驟二採用方體結構的坩堝，坩堝的外觀尺寸寬×高×長為73mm×165mm×230mm，壁厚15mm；在尺寸寬×高為43mm×165mm的兩個內壁上，沿內壁的寬度方向每隔1mm設計一個寬×高×長為2mm×150mm×2mm的卡槽。該尺寸的坩堝主要用來鑲鑄鉬板厚度1~2mm的銅鉬銅複合板坯。
根據以上兩種尺寸的坩堝，將步驟一中的純鉬板經線切割切割加工成尺寸高度×長度為：150mm×204mm的純鉬板料；T2紫銅板坯經線切割切割加工成尺寸高度×長度為：150mm×200mm的板料。
在鑲鑄板材插入組裝後，因為所需板坯厚度的不同，鑲鑄板料與坩堝高×長尺寸為165mm×230mm的兩個內側面之間會有一定的空腔。因此，根據實際情況製備不同厚度的方形石墨塊，用於填充空腔。方形石墨塊尺寸厚度×高度×長度為：待定×150mm×200mm。
本發明設計的坩堝為可循環利用的坩堝設計，但有些鉬銅材料層厚比不能滿足，故坩堝內側壁的條形卡槽也可以根據實際鉬銅材料層厚比進行設計。
其中，步驟三中，將坩堝置於真空加熱爐中，加熱到1150~1300℃，保溫2~3h至銅坯完全融化；將真空加熱爐以1~3℃/s的冷卻速率進行冷卻。
其中，步驟五中，鑄坯進行多道次的熱軋的工序為：首道次軋制變形量為5%，後幾道次均採用大於5%的變形量。軋制首道次採用較小的軋制變形量，之後採用較大的變形量，軋至一定尺寸，從而使鑲鑄製得的板材表面及內部均勻化。
本發明中，將清洗後的鉬板插入鑲鑄坩堝設計好的卡槽中，插入位置以所需製備的複合材料的層厚比確定，鉬板所插位置儘量在坩堝中間部位的卡槽中。
該方法對鑲鑄用的坩堝進行了設計，將鉬板固定於坩堝內腔設計的卡槽中，以保證鑲鑄過程中鉬板的穩定性以及鑲鑄複合板坯層厚比與所需複合板坯層厚比相吻合。
本發明利用銅的熔點明顯低於鉬的熔點，將複合板材在真空條件下，加熱至銅的熔點以上，使得銅坯完全融化。然後，以一定的速率冷卻，使得鉬板鑲鑄在熔鑄的銅坯中，經過軋制及退火熱處理製得性能良好的銅鉬銅複合材料，不同材料界面結合良好，解決了軋制複合邊部易開裂的問題。
本發明製備的銅鉬銅複合材料一般在三層以上，且不同材料界面結合良好，相比爆炸複合法，提高了生產過程的安全性，也解決了軋制複合邊部開裂的問題。設備要求簡單，生產成本低，利於小批量生產。
該方法對坩堝進行了設計，將鉬板固定於坩堝內腔設計的卡槽中，以保證鑲鑄過程中鉬板的穩定性以及使得鑲鑄複合板坯層厚比與所需複合板坯層厚比相吻合。
本發明利用鑲鑄+軋制的方法，將銅鉬銅板材複合在一起，形成了多層複合結構，而且對鑲鑄用的坩堝進行了設計，提高了銅鉬銅厚度比的準確性。這種方法不僅使銅鉬材料緊密複合在一起，而且顯著增強了複合界面的結合強度，同時，對銅鉬銅複合板材的導熱、導電和膨脹係數可控性能都有了顯著提高。鑲鑄過程在真空條件下進行，避免了鑲鑄過程複合界面的氧化問題，及銅液凝固過程氣泡存留的問題。
附圖說明
圖1為坩堝的立體圖；
圖2為圖1中條形卡槽寬度為1mm的坩堝的條形卡槽所在表面的俯視圖；
圖3為條形卡槽寬度為1mm的坩堝的條形卡槽所在內表面剖面圖；
圖4為圖1中條形卡槽寬度為2mm的坩堝的條形卡槽所在表面的俯視圖；
圖5為條形卡槽寬度為2mm的坩堝的條形卡槽所在內表面剖面圖。
圖中：1、坩堝；2、條形卡槽。
具體實施方式
一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、鉬板及銅坯的預處理
將純鉬板經線切割，加工成目標尺寸的鉬板，銅板坯經線切割，加工成目標尺寸的銅坯，然後將加工好的鉬板用水磨床進行表面打磨，使得鉬板表面的粗糙度Ra≤10μm，打磨好的鉬板和銅坯分別用丙酮進行清洗；其中，所選用的純鉬板的厚度為0.5~2mm，銅板坯的厚度為2~6mm；
步驟二、鑲鑄板材的排列組裝
取坩堝，將坩堝內腔中相對設置的兩個側壁上開設多個條形卡槽，條形卡槽的長度方向沿坩堝底部向坩堝開口處延伸；將清洗後的鉬板插入坩堝內壁上的條形卡槽中，然後將相應塊數的銅坯插入坩堝內壁上的條形卡槽中，使鉬板與銅坯相間排列；鉬板與銅坯相間排列完成後，若坩堝兩側內壁與銅坯之間留有空隙，使用方形石墨塊進行填充空隙。
步驟三、加熱鑲鑄
將坩堝置於真空加熱爐中，加熱到1150~1300℃，保溫2~3h至銅坯完全融化，且在坩堝中分布均勻後，將真空加熱爐以1~3℃/s的冷卻速率進行冷卻，使得鉬板鑲嵌在融化的銅坯中，製得多層銅鉬銅複合材料鑄坯；
步驟四、打磨修整
將鑲鑄好的多層銅鉬銅複合材料鑄坯從坩堝中取出，切除鑄坯兩側多餘的鉬板，鑄坯表面經銑床修理平整，用砂輪機把鑄坯一端打磨出30°的傾斜度，以便後續軋制軋機的咬入；
步驟五、熱軋及退火熱處理
將打磨修整好的鑄坯置於氫氣保護的加熱爐中，加熱至500~800℃，保溫10~60min，進行多道次的熱軋後，首道次軋制變形量為5%，後幾道次均採用大於5%的變形量；然後在氫氣保護氣氛的加熱爐中加熱至400~800℃，退火處理0.5~5h，製得複合板材；
步驟六、冷軋及退火熱處理
將退火處理後的複合板材進行冷軋處理，冷軋至所需厚度後，在氫氣保護條件下，加熱至200~600℃，退火處理30~60min，製得銅鉬銅多層複合材料。
下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
結合具體實施例對本發明加以說明：
實施例1：所選用的鉬板厚度為1mm，銅坯厚度為3mm。生產銅鉬銅七層複合材料。
本實施例的一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）、將工業純鉬板經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×204mm的鉬板，T2紫銅板坯經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×200mm的銅坯，然後將加工好的鉬板用水磨床進行表面打磨，使得鉬板表面的粗糙度Ra≤10μm，打磨好的鉬板和銅坯分別用丙酮進行清洗，除去表面汙物；
（2）、取坩堝，將坩堝內腔中相對設置的兩個側壁上開設多個條形卡槽，條形卡槽的長度方向沿坩堝底部向坩堝開口處延伸；選取三塊清洗後的鉬板，插入條形卡槽寬度為1mm的、從坩堝左起數第2個、第4個、第6個的條形卡槽中，然後選取四塊清洗後的銅坯插入坩堝，使鉬板與銅坯相間排列，然後將長方體形狀的石墨方坯填充到銅坯與坩堝內壁之間的空隙中，其中，石墨方坯尺寸厚度×高度×長度=7mm×150mm×200mm；採用方體結構的坩堝，坩堝的外觀尺寸寬×高×長=53mm×165mm×230mm，壁厚15mm；在尺寸寬×高=23mm×165mm的兩個內壁上，沿內壁的寬度方向每隔1mm設計一個寬×高×長=1mm×150mm×2mm的卡槽；
（3）、將組裝好的坩堝置於真空加熱爐中，加熱到1200℃，保溫2h，以保證銅坯完全融化，且在坩堝中分布均勻；保溫完成後，將真空加熱爐以1℃/s的冷卻速率進行冷卻，使得鉬板鑲嵌在熔鑄的銅坯中，製得七層銅鉬銅複合材料鑄坯；
（4）、將鑲鑄好的七層銅鉬銅複合材料鑄坯，從坩堝中取出，切除鑄坯兩側多餘的鉬板，表面經銑床修理平整，用砂輪機把鑄坯一端打磨出30°的傾斜度，以便後續軋制軋機的咬入；
（5）、將修整好的鑄坯置於氫氣保護的加熱爐中，加熱至600℃，保溫20min，進行熱軋，經五道次軋至5mm，首道次軋制變形量為5%，後四道次採用較大的變形量，依次採用10%、30%、28%、23%的變形量，軋制完成後，在氫氣保護加熱爐中，加熱至500℃，退火處理0.5h，製得複合板材；
（6）、將熱軋退火處理後的複合板材，進行冷軋處理，軋至2mm；軋制完成後，在氫氣保護條件下，加熱至300℃，退火處理40min。
實施例2：所選用的鉬板厚度為1.5mm，銅坯厚度為4.5mm。生產兩組銅鉬銅五層複合材料。
本實施例的一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）、將工業純鉬板經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×204mm的鉬板，T2紫銅板坯經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×200mm的銅坯，然後將加工好的鉬板用水磨床進行表面打磨，使得鉬板表面的粗糙度Ra≤10μm，打磨好的鉬板和銅坯分別用丙酮進行清洗，除去表面汙物；
（2）、取坩堝，將坩堝內腔中相對設置的兩個側壁上開設多個條形卡槽，條形卡槽的長度方向沿坩堝底部向坩堝開口處延伸；選取四塊清洗後的鉬板，插入寬度為2mm的條形卡槽中，插入位置為：坩堝左起第2個、第4個條形卡槽中，另兩塊插入鑲鑄坩堝右起第2個、第4個條形卡槽中；然後選取六塊清洗後的銅坯插入坩堝的條形卡槽中，鉬板與銅坯相間排列，將石墨方坯填充到兩組位於坩堝最內側銅坯之間的空腔中，其中，石墨方坯尺寸厚度×高度×長度=10mm×150mm×200mm；採用方體結構的坩堝，坩堝的外觀尺寸寬×高×長為73mm×165mm×230mm，壁厚15mm；在尺寸寬×高為43mm×165mm的兩個內壁上，沿內壁的寬度方向每隔1mm設計一個寬×高×長為2mm×150mm×2mm的卡槽。
（3）、將組裝好的坩堝置於真空加熱爐中，加熱到1300℃，保溫2.5h，以保證銅坯完全融化，且在坩堝中分布均勻；保溫完成後，將真空加熱爐以2℃/s的冷卻速率進行冷卻，使得鉬板鑲嵌在熔鑄的銅坯中，製得兩組五層銅鉬銅複合材料鑄坯；
（4）、將鑲鑄好的兩組五層銅鉬銅複合材料鑄坯，從坩堝中取出，切除鑄坯兩側多餘的鉬板，表面經銑床修理平整，用砂輪機把鑄坯一端打磨出30°的傾斜度，以便後續軋制軋機的咬入；
（5）、將修整好的鑄坯置於氫氣保護的加熱爐中，加熱至800℃，保溫60min，進行熱軋，經五道次軋至5mm，首道次軋制變形量為5%，後四道次採用較大的變形量，依次採用17%、30%、28%、23%的變形量，軋制完成後，在氫氣保護加熱爐中，加熱至400℃，退火處理5h，製得複合板材；
（6）、將熱軋退火處理後的複合板材，進行冷軋處理，軋至2mm；軋制完成後，在氫氣保護條件下，加熱至600℃，退火處理30min。
實施例3：所選用的鉬板厚度為0.5mm，銅坯厚度為2mm。生產銅鉬銅五層複合材料。
本實施例的一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）、將工業純鉬板經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×204mm的鉬板，T2紫銅板坯經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×200mm的銅坯，然後將加工好的鉬板用水磨床進行表面打磨，使得鉬板表面的粗糙度Ra≤10μm，打磨好的鉬板和銅坯分別用丙酮進行清洗，除去表面汙物；
（2）、取坩堝，將坩堝內腔中相對設置的兩個側壁上開設多個條形卡槽，條形卡槽的長度方向沿坩堝底部向坩堝開口處延伸；選取四塊清洗後的鉬板，插入條形卡槽寬度為1mm的、從坩堝左起數第3個、第4個的條形卡槽中，另兩塊插入坩堝右起第3個、第4個的條形卡槽中；然後選取六塊清洗後的銅坯，每三塊插入坩堝的同一側，使鉬板與銅坯相間排列，然後將長方體形狀的石墨方坯填充到銅坯與坩堝內壁之間的空隙中，其中，石墨方坯尺寸厚度×高度×長度=3mm×150mm×200mm（置於方體結構坩堝的兩側）兩塊和4mm×150mm×200mm（置於方體結構坩堝的中央）一塊；採用方體結構的坩堝，坩堝的外觀尺寸寬×高×長=53mm×165mm×230mm，壁厚15mm；在尺寸寬×高=23mm×165mm的兩個內壁上，沿內壁的寬度方向每隔1mm設計一個寬×高×長=1mm×150mm×1mm的卡槽；
（3）、將組裝好的坩堝置於真空加熱爐中，加熱到1150℃，保溫3h，以保證銅坯完全融化，且在坩堝中分布均勻；保溫完成後，將真空加熱爐以3℃/s的冷卻速率進行冷卻，使得鉬板鑲嵌在熔鑄的銅坯中，製得兩組五層銅鉬銅複合材料鑄坯；
（4）、將鑲鑄好的兩組五層銅鉬銅複合材料鑄坯，從坩堝中取出，切除鑄坯兩側多餘的鉬板，表面經銑床修理平整，用砂輪機把鑄坯一端打磨出30°的傾斜度，以便後續軋制軋機的咬入；
（5）、將修整好的鑄坯置於氫氣保護的加熱爐中，加熱至500℃，保溫35min，進行熱軋，經三道次軋至4mm，每道次變形量為5% →19%→20%，軋制完成後，在氫氣保護加熱爐中，加熱至600℃，退火處理2h，製得複合板材；
（6）、將熱軋退火處理後的複合板材，進行冷軋處理，軋至2mm；軋制完成後，在氫氣保護條件下，加熱至400℃，退火處理60min。
實施例4：所選用的鉬板厚度為2mm，銅坯厚度為6mm。生產銅鉬銅三層複合材料。
本實施例的一種銅鉬銅多層複合材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）、將工業純鉬板經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×204mm的鉬板，T2紫銅板坯經線切割，加工成尺寸高度×長度=150mm×200mm的銅坯，然後將加工好的鉬板用水磨床進行表面打磨，使得鉬板表面的粗糙度Ra≤10μm，打磨好的鉬板和銅坯分別用丙酮進行清洗，除去表面汙物；
（2）、取坩堝，將坩堝內腔中相對設置的兩個側壁上開設多個條形卡槽，條形卡槽的長度方向沿坩堝底部向坩堝開口處延伸；選取兩塊清洗後的鉬板，插入條形卡槽寬度為2mm的、其中一塊插入從坩堝左起數第4個的條形卡槽中，另一塊插入坩堝右起第4個條形卡槽中；然後選取四塊清洗後的銅坯插入坩堝，使鉬板與銅坯相間排列，然後將長方體形狀的石墨方坯填充到銅坯與坩堝內壁之間的空隙中，其中，石墨方坯尺寸厚度×高度×長度=4mm×150mm×200mm（置於方體結構坩堝的兩側）2塊和7mm×150mm×200mm（置於方體結構坩堝的中央）1塊；採用方體結構的坩堝，坩堝的外觀尺寸寬×高×長=73mm×165mm×230mm，壁厚15mm；在尺寸寬×高=43mm×165mm的兩個內壁上，沿內壁的寬度方向每隔1mm設計一個寬×高×長=1mm×150mm×2mm的卡槽；
（3）、將組裝好的坩堝置於真空加熱爐中，加熱到1300℃，保溫2h，以保證銅坯完全融化，且在坩堝中分布均勻；保溫完成後，將真空加熱爐以1℃/s的冷卻速率進行冷卻，使得鉬板鑲嵌在熔鑄的銅坯中，製得兩組三層銅鉬銅複合材料鑄坯；
（4）、將鑲鑄好的兩組三層銅鉬銅複合材料鑄坯，從坩堝中取出，切除鑄坯兩側多餘的鉬板，表面經銑床修理平整，用砂輪機把鑄坯一端打磨出30°的傾斜度，以便後續軋制軋機的咬入；
（5）、將修整好的鑄坯置於氫氣保護的加熱爐中，加熱至700℃，保溫10min，進行熱軋，經五道次軋至5mm，每道次變形量依次為5%→15%→20%→28%→23%，軋制完成後，在氫氣保護加熱爐中，加熱至800℃，退火處理5h，製得複合板材；
（6）、將熱軋退火處理後的複合板材，進行冷軋處理，軋至2mm；軋制完成後，在氫氣保護條件下，加熱至200℃，退火處理50min。
以上四個實施例分別製備了七層、五層、五層和三層銅鉬銅複合材料，且實施例2、實施例3和實施例4在一個坩堝裡面製備了兩塊銅鉬銅複合板材，表明本發明所設計的坩堝可以根據所需不同板材厚度，將模板插入相應的條形卡槽中，從而鑲鑄所需層數與厚度比的銅鉬銅複合板材。對於三層和五層複合板材可以根據所需厚度，在一個坩堝內至少生產1塊。
本發明製備的層狀複合材料主要應用於電子封裝及熱沉材料領域。
為了公開本發明的目的而在本文中選用的實施例，當前認為是適宜的，但是應了解的是，本發明旨在包括一切屬於本構思和本發明範圍內的實施例的所有變化和改進。