专利名称：一种高性能银包铝复合丝材及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于高性能金属复合材料及其制备工艺领域，特别是提供了一种高性能银包铝复合丝材及其制备工艺。在电子信息、航空航天领域具有很好的应用前景。
背景技术：
银具有优良的导电性能。按国际退火铜电导率的标准，取高纯退火铜的标准电导率为100％，则高纯银的电导率为108.4％(见宁远涛，赵怀志.银.长沙中南大学出版社，2005)。因而银导线在微电子技术中有着重要的用途，尤其是在一些要求高电导率的领域。但由于银资源的缺乏，价格昂贵，它在这些领域的应用受到了限制。而铝资源丰富、价格便宜、密度低，是目前应用最广的导电材料之一。但铝的电阻率大于银的电阻率，室温下纯铝的电阻率是纯银的1.6倍。银包铝复合导线是一种理想的替代品，它不仅可以发挥纯银优良的导电性能，而且可大量节省银资源。但银包铝线材，尤其是直径在Φ100μm以下的高性能复合丝材的制备存在较大困难。
金属复合丝材的主要制备方法可分为(1)采用丝材表面镀层法直接制备金属复合丝材。但这种方法存在镀层厚度有限、镀层厚度不均匀、镀层与芯材之间结合强度低等缺点，因而不适用于制备高性能复合金属丝材；(2)先制备复合棒材或线材，再采用拉拔或轧制法进一步加工成复合丝材。金属复合棒材或线材的制备主要采用塑性加工复合和铸造复合法。早期的方法主要有利用铝粉轧制法和铝带压合法制备铝包钢线，但产品质量和成本都不能满足应用要求(见孙德勤等，材料导报，Vol.17，No.5(2003)，P65)；用热浸法及电镀法制备复合线材如铜包钢线，但其发展因环境问题受到了限制(见孙慎林，广播与电视技术，No.5(1997)，P105)；又如采用铝线镀铜法制备铜包铝线，虽然工艺简单，但除同样存在环境问题外，由于存在镀层性能差、镀层与芯材界面结合强度低、镀层与芯材同心度差等问题，很难满足高性能使用要求。此外，人们也利用轧制压接法和包覆焊接法制备铜包铝线材，但其缺点是工艺复杂、产品质量的稳定性和一致性控制较困难。目前，应用比较广泛的复合线材制备加工方法主要有连续挤压包覆、铸拉、热浸镀、反向凝固(见孙德勤等，材料导报，Vol.17，No.5(2003)，P65)。但由于银包铝复合材料自身所具有的特性，即其外层金属的强度、硬度和熔点均比芯材的高，不适合于采用这些方法制备。采用复合坯料热挤压制备棒材或线材，会产生沿长度方向包覆层厚度不均匀(见谢建新，刘静安.金属挤压理论与技术.北京冶金工业出版社，2001，P314)，且在高温条件下，易在复合界面银包覆层一侧形成脆性化合物。
由于以上制备金属复合线材的方法存在各种缺点，本发明提出采用冷静液挤压法制备银包铝复合线材，通过后续多道次拉拔制备银包铝复合丝材的新工艺。静液挤压比普通挤压具有强烈的三向压应力状态、容易实现大挤压比变形、金属流动较均匀等优点，因而非常适合于两种金属在低温大变形下进行固相复合。根据需求，在拉拔加工过程中，施行适当的软化退火处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能银包铝复合丝材及其制备工艺，解决了包覆层厚度不均匀、拉拔过程中容易断丝、产品质量和性能不稳定等问题。
本发明的银包铝复合丝材是以纯铝为芯丝，纯银为包覆层。其尺寸为外径为Φ20μm～Φ1000μm，芯丝直径为Φ10μm～Φ950μm。Φ70μm银包铝微丝横截面结构见图1。
本发明采用连续定向凝固方法制备的沿长度方向具有连续柱状晶组织的纯铝棒作为复合坯料的芯棒，以提高纯银和纯铝的冷加工大变形协调性，纯铝棒柱状晶的直径为10～500μm，然后，采用进行静液挤压和多道次拉拔工艺制备出高性能银包铝复合丝材。其静液挤压和多道次拉拔如下
静液挤压工艺为(1)将轧制后的纯银管下料、端头旋锥、退火，并进行内外表面清洗。
(2)纯铝棒下料、头部车锥、表面碱洗、水清洗。
(3)将清洗好的纯银管和纯铝棒组合成复合坯料，坯料尾部用尾座密封并进行坯料表面涂层处理。
(4)在静液挤压机上采用大挤压比(10～20)冷挤压得到银包铝复合线材。
对此挤压线材进行后续多道次拉拔加工。拉拔加工过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％，以后道次随丝材直径的减小加工率依次减小。分别为，在Φ6mm～Φ1mm之间道次加工率为20％～30％；Φ1mm～Φ0.1mm之间道次加工率为10％～20％；Φ0.1mm～Φ0.03mm之间道次加工率为5％～15％。两次软化退火之间的总加工率为90％～98％。退火温度在150℃～200℃之间。
为了解决纯铝的加工硬化率高、冷加工变形能力低于纯银，在Φ0.1mm(Φ100μm)以下的微丝加工中容易断丝的问题，本发明采用连续定向凝固方法制备的沿长度方向上具有连续柱状晶组织的纯铝杆作为银铝复合坯料的铝芯，进行静液挤压制备银包铝复合线材，收到很好的效果，可克服外径Φ20μm～Φ100μm微丝拉拔中的断丝问题。
本发明的优点在于，拉伸强度测试发现丝材具有较高的强度；在显微镜下观察发现银包铝丝材表面质量良好，丝材直径在长度方向波动很小，银层分布均匀。结合纯银高的电导率和纯铝价格低廉、密度小的特点，银包铝复合丝材在电子信息、航空航天等领域具有很好的应用前景。
图1为本发明制备的一种尺寸规格(外径Φ70μm，内径Φ49μm)的银包铝丝材横截面结构示意图。其中，银层1；铝芯2。
具体实施例方式
以制备Φ70μm银包铝微丝为例，说明其具体实施方法。采用纯银管套装铝棒作为静液挤压的复合坯料。纯银管和纯铝棒的长度为100mm；纯银管的外径和内径尺寸分别为Φ20mm和Φ14mm，纯铝棒的直径为Φ14mm。将纯银管头部旋成30°的半锥角，纯铝棒头部车成30°的半锥角。用稀硝酸清洗纯银管和纯铝棒，用细砂布对纯银管内表面进行打磨，使其内表面与纯铝棒之间的摩擦增大。然后将纯铝棒和纯银管套装成复合坯料，并将其尾部用尾座进行密封。最后在纯银管外表面涂上蓖麻油作为润滑剂进行挤压，其中，挤压模角为45°，挤压比为11.1。挤压后线材的直径为Φ6mm。
将挤压制备的Φ6mm线材经多道次拉拔至Φ1.7mm，其中道次加工率控制在20％～30％；在200℃退火5分钟；再从Φ1.7mm经多道次拉拔至Φ0.28mm，道次加工率控制在10％～20％；在150℃退火5分钟。最终从Φ0.28mm经多道次拉拔至最终尺寸Φ70μm，道次加工率控制在10％～15％。
对经以上工艺制备的银包铝复合微丝进行拉伸强度测试发现，微丝具有较高的强度；在显微镜下观察发现，银包铝微丝表面质量良好，微丝直径在长度方向波动很小，银层厚度分布均匀。
权利要求
1.一种高性能银包铝复合丝材，其特征在于，以纯铝为芯丝，纯银为包覆层，其尺寸为外径Φ20μm～Φ1000μm，芯丝直径Φ10μm～Φ950μm。
2.一种制备权利要求1所述的银包铝复合丝材的工艺，其特征在于，采用连续定向凝固方法制备的沿长度方向具有连续柱状晶组织的纯铝棒作为复合坯料的芯棒，以提高纯银和纯铝的冷加工大变形协调性，纯铝棒柱状晶的直径为10～500μm，然后，采用进行静液挤压和多道次拉拔工艺制备出高性能银包铝复合丝材。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，静液挤压工艺为(1)将轧制后的纯银管下料、端头旋锥30°～90°、退火并进行内外表面清洗；(2)纯铝棒下料、头部车锥30°～90°、表面碱洗、水清洗；(3)将清洗好的纯银管和纯铝棒组合成复合坯料，坯料尾部用尾座密封，并进行坯料表面涂层处理；(4)在静液挤压机上采用大挤压比冷挤压制备银包铝复合线材，挤压比范围为10～20；多道次拉拔工艺为对此挤压复合线材进行后续拉拔加工，拉拔加工过程中的道次加工率控制在5％～30％之间；两次退火之间的总加工率为90％～98％；退火温度在150℃～300℃之间。
4.根据权利要求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，以后道次随丝材拉拔直径的减小加工率依次减小；分别为，在Φ6mm～Φ1mm之间道次加工率为20％～30％；Φ1mm～Φ0.1mm之间道次加工率为10％～20％；Φ0.1mm～Φ0.02mm之间道次加工率为5％～15％。
全文摘要
一种高性能银包铝复合丝材及其制备工艺，属于高性能金属复合材料及其制备工艺领域。银包铝复合丝材以纯铝为芯丝，纯银为包覆层，其尺寸为外径为Φ20μm～Φ1000μm，芯丝直径为Φ10μm～Φ950μm。银包铝复合丝材的制备工艺分为采用静液挤压和多道次拉拔两步。本发明的优点在于，拉伸强度测试发现丝材具有较高的强度，在显微镜下观察发现银包铝丝材表面质量良好，丝材直径在长度方向波动很小，银层分布均匀。结合纯银高的电导率和纯铝价格低廉、密度小的特点，银包铝复合丝材在电子信息、航天航空等领域具有很好的应用前景。
文档编号H01B13/00GK1996503SQ20071006326
公开日2007年7月11日 申请日期2007年1月5日 优先权日2007年1月5日
发明者谢建新, 刘新华, 刘雪峰, 苏顺 申请人:北京科技大学