一种镁/铜复合材料及其制备工艺的制作方法

1.本发明涉及复合材料及制备领域，特别涉及一种镁/铜合金复合材 料及其制备工艺。


背景技术：

2.随着产品越来越集成化、轻量化和便携化，对材料导热散热性能、 轻质化要求越来越高。传统的导热散热材料主要以铜、铝及它们合金 为主，铜及其合金具有很好的导热性能，但其散热性能相对较差，铝 及其合金相比铜具有良好的散热性能，但导热性能不如铜。有研发者 结合铜铝的特点开发出了铝/铜复合材料，用于做导电及导热散热的特 性材料，但还不够轻。
3.镁合金具有低密度、高比强度/比刚度、良好的导热散热性能等优 点，被广泛的应用于航空航天、3c产品等领域。镁合金不仅具有比铜、 铝更低的密度，而且具有比铜、铝合金更好的散热性能，能满足产品 轻量化和高散热性的要求；但镁合金的导热性能不如铜、铝及其合金 导热性能好。为了满足产品对高导热散热、轻量化的要求，需提供一 种新型复合材料及其制备工艺，以满足大功率电子产品散热件的市场 需求。现有技术中提出了将镁和铜进行复合的构想，这就必然会涉及 到镁/铜复合板的制备问题，因镁合金与铜的性质差异很大，加之镁合 金在连接过程中极易生成氧化膜，镁合金与铜实现可靠连接的难度很 大。申请号为201310642741.5的中国发明专利，公开了一种基于瞬间 液相扩散连接的镁合金/铜复合板的制备方法，该方法为：一、对锡 箔、镁合金板和铜板分别进行预处理除去锡箔、镁合金和铜表面的油 污和氧化膜；二、将步骤一中预处理后的锡箔置于预处理后的镁合金 板和铜板之间得到焊件，然后在焊件上、下表面均设置石墨纸作为阻 焊层，最后将上、下表面设置有石墨纸的焊件置于扩散炉真空室中进 行瞬间液相扩散连接，得到镁合金/铜复合板。采用锡箔作为中间层， 在先真空后充氩气的环境下，通过中间层与基体金属在更低温度下形 成共晶液相，实现了镁和铜异种金属的可靠连接。但设备及工艺复杂， 投资大，产率低，难以进行质量控制。


技术实现要素：

4.针对目前现有技术的缺点，本发明提供一种高导热散热轻质镁/铜 合金复合材料及其制备工艺，利用现有的设备及工艺，简单易行，产 率高，易于质量控制，能满足产品对轻量化和导热散热性能的迫切需 求。
5.本发明的一种高导热散热轻质复合材料制备工艺，包括以下步骤：
6.s1、材料准备，将拟复合的镁合金、铜及辅材表面进行清洁处理， 保证材料表面无氧化物、油污等杂质；
7.s2、将所述步骤s1得到的材料进行简单的结合；
8.s3、放入电阻炉中预热；
9.s4、将所述步骤s3预热好的材料进行第一次热轧复合；
10.s5、将所述步骤s4得到的复合材料进行多次热轧，轧到要求的厚 度；
11.s6、将所述步骤s5得到的复合材料进行热扩散退火处理。
12.进一步地，所述步骤s1中的镁合金包括az31、az42、zk61、 mb2等变形镁合金。
13.进一步地，所述步骤s1中的辅材为熔点在250℃以下、廉价、无 毒、无害的金属锡。
14.进一步地，所述步骤s1的表面清洁包括喷砂、喷丸、机械砂除和 溶液浸泡法。
15.进一步地，所述步骤s2的简单结合方法包括焊合、销/铆结合、 机械嵌合，所述镁合金、铜及辅材叠放顺序为镁合金和铜放在上、下 面，锡板夹在中间。
16.进一步地，所述步骤s3的预热温度为380～480℃，预热时间1～4 h。
17.进一步地，所述步骤s4中第一次热轧的压下量为61％～80％，轧 制速度7～15m/min。
18.进一步地，所述步骤s5中，热轧温度为380～480℃，道次间的保 温时间为5～30min，道次压下量控制在40％～60％。通过大量实验统计 得到当复合板厚度≥10mm时保温时间为20～30min，5mm≤复合板 厚度＜10mm时保温12～16min，复合板厚度＜5mm时保温5～10min， 复合板结合力最好。
19.进一步地，所述步骤s6中，所述热扩散退火温度为220～360℃， 退火时间为1～4h。
20.本发明还提供一种轻高导热散热轻质复合材料，是通过上述任一 项的制备工艺制得。
21.本发明通过热轧复合，制备出了结合良好镁/铜合金复合材料，能 满足产品对轻量化和导热散热性能的迫切需求。其优点在于：
22.选用镁/铜合金复合，当复合板中镁层比铜板层厚时，可以控制复 合板材的密度在5.38g/cm3以下，保证产品重量只有同体积紫铜产品 重量的60％左右，能明显降低产品质量，满足轻量化的要求。
23.(2)选用镁合金与紫铜结合，用铜作为与热源的接触面便于散热， 镁合金作为散热面能更快散热降温，能充分发挥紫铜的高导热性能和 镁合金的高散热性能，满足产品对高导热散热的需求。
24.(3)选用锡板作为夹层能保证在普通的加热炉中预热而镁板材复 合面不被氧化，而无需选用真空炉，增加工艺难度；锡的熔点为232℃ 左右，当温度超过250℃时锡熔化成液态，而在次温度下本发明选用 的镁合金在短时间内不会发生严重氧化，液态的锡均匀铺覆在镁板表 面，保护镁板不被氧化；在轧制时板材是依次通过轧板，未经过轧辊 的板材没有复合，此时液态的锡在轧制压力的作用下会向轧制的反方 向流动，在快速的轧制过程中，锡还来不及凝固就会从板材进入轧辊 的反方向挤压出来，保证无氧化的镁板和铜板复合，减少镁氧化层对 复合板材强度的影响，提高板材强度结合强度。
25.(4)第一次热轧的压下量为61％～80％，用大压下量特点是可以 保证镁合金和铜合金的变形速率尽可能接近，提高变形的均匀性，有 利于提高结合强度；其次在大变形量的热轧工艺下，即高温高压作用 下，更有利于两种板材间形成冶金结合，有利于提高板材结合强度； 对于镁合金的边裂有很好的改善作用，减少后续裁边的去除量，提高 成材率；依据生产经验，镁合金热轧在如此大压下量轧制过程中沿轧 制方向两边每边至少要裁掉20mm以上宽的边裂，而在本发明的复合 材料轧制过程中每边只需裁掉约10mm宽的边裂即
可，减少50％左右 的材料浪费。
26.总之，本发明利用现有的设备生产线，简单易行，产率高，易于 质量控制，能满足产品对轻量化和导热散热性能的迫切需求。
具体实施方式
27.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施 例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，多属于本发明保护的范围。
28.实施例1
29.本实例选用az31镁合金和紫铜进行复合。先将准备好的3
×
150
ꢀ×
200mm的az31镁合金板材和紫铜板、0.5
×
150
×
200mm的锡板 进行表面喷砂处理，清除板面的杂质及油污；将喷砂后的板材用紫铜 铆接结合；将铆接后的板材水平的放入加热炉中，并保证镁板在下面， 在400℃保温1h；进行热轧，压下量为61％，轧制速度为10m/min， 第一次热轧后的板材在400℃保温10min后，进行第二次热轧，压下 量为60％，轧到1.5mm厚左右；轧制完后在220℃保温2h进行热扩 散退火处理。温度高于250℃时锡已经熔化成液态，在受到压力时， 液体会从受压的反方向流出。本实施例选用的镁板一般在300℃以下 短时间里不会发生严重氧化，只会在表面形成一层薄薄的氧化层，对 轧制结合不会有影响。
30.实施例2
31.本实例选用az42镁合金和紫铜进行复合。先将准备好的15
×
150
ꢀ×
200mm的az42镁合金板材、10
×
150
×
200mm的紫铜板、0.5
×ꢀ
150
×
200mm的锡板进行表面喷砂处理，清除板面的杂质及油污；将 喷砂后的板材用紫铜铆接结合；将铆接后的板材水平的放入加热炉中， 并保证镁板在下面，在420℃保温1h，进行第一次热轧，压下量为 75％；第一次热轧后在420℃保温14min进行第二次热轧，压下量为 40％；第二次热轧完后在420℃保温8min后进行第三次热轧，压下 量为50％，轧到1.9mm厚左右；轧制速度为7m/min；在300℃保温 2h进行热扩散退火处理。
32.实施例3
33.本实例选用az31镁合金和紫铜进行复合。先将准备好的20
×
150
ꢀ×
200mm的az42镁合金板材和紫铜板、0.5
×
150
×
200mm的锡板 进行表面喷砂处理，清除板面的杂质及油污；将喷砂后的板材用紫铜 铆接结合；将铆接后的板材水平的放入加热炉中，并保证镁板在下面， 在450℃保温1h；进行第一次热轧，压下量为65％；第一热轧后在 450℃保温25min后进行第二次热轧，压下量为40％；第二热轧后在 450℃保温10min后进行第三次热轧，压下量为50％，轧到4mm厚 左右；轧制速度为15m/min；在360℃保温1h进行热扩散退火处理。
34.实施例4
35.本实施例即对比例。本实例选用az31镁合金和紫铜进行复合。 先将准备好的3
×
150
×
200mm的az31镁合金板材和紫铜板进行表面 喷砂处理，清除板面的杂质及油污；将喷砂后的板材用紫铜铆接结合； 将铆接后的板材水平的放入加热炉中，并保证镁板在下面，在350℃ 保温1h；进行热轧，压下量为50％，轧制速度为10m/min，第一次 热轧后的板材在350℃保温15min后，进行第2次热轧，轧到1.5mm 厚左右；在220℃保温2h进行热扩散退火处
理。
36.由于镁/铝复合材料研究还比较少，没有统一的结合强度检测标准， 所以参考复合钢板的结合力测试标准gb/t 6396
‑
2008，进行复合板材 剪切强度检测。由数据看出，对比例的剪切强度比本发明的镁/铝复合 材料低约一倍。
37.表1实施例中复合板材室温剪切强
38.实施例剪切强度/mpa实施例141实施例239实施例338实施例4(对比例)22