CN110277188A - 一种低密度超细的银包铝复合软导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低密度超细的银包铝复合软导线及其制备方法，属于复合材料及其制备。该银包铝复合软导线以高纯银为包覆层，纯铝为芯材，软导线外径为Φ10μm～Φ50μm，内径为Φ8.4μm～Φ49.0μm，复层厚度为0.1μm～4.0μm(复层厚度比1％～8％)，密度为3g/cm3～5g/cm3。银包铝复合软导线的制备方法包括：第一步，银管靶材的制备；第二步，纯铝芯材的制备；第三步，银包铝复合线坯制备；第四步，复合线坯多道次拉拔。本发明采用磁控溅射真空镀膜技术制备银包铝复合线坯，银镀层均匀致密且附着力好，镀层厚度容易控制，复合线坯不经过退火直接拉拔成线径超细的、密度低的软导线。

Description

一种低密度超细的银包铝复合软导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低密度超细的银包铝复合软导线及其制备方法，属于复合材料领域，适合用于密度要求很低(≤5g/cm3)、线径要求很细(≤20微米)的航海、航空、航天等领域惯性导航陀螺仪用的软导线。
背景技术
在航海、航空、航天等导航***中广泛使用惯性导航陀螺仪，软导线起到传递能量和信号的作用，是陀螺仪的关键部件。软导线的尺寸、导电率、密度、形状和后期的成型等直接影响陀螺仪的精度、稳定性和可靠性。
软导线的设计要求：小的尺寸、高的导电率、低的密度、低的弹性模量、良好的加工性能和可焊性、小的机械滞后效应等。其中银包铝复合线材具有导电率高、密度小、加工性能优良等特点，是综合性能优良的软导线。
已有的银包铝复合线材及其制备方法如下：
1)银管包套铝芯拉拔线材：该方法存在拉拔过程中需要多次退火来消除加工硬化现场，在退火过程中复层界面极易生成μ、δ、β等多种银、铝脆性化合物，从而破坏了材料的加工性能和物理性能，无法制备复层厚度很薄，线径很细的银包铝复合线材。
2)铝丝电镀银的银包铝复合丝材：镀层纯度取决于含浴盐和气体杂质的影响且镀层厚度不均、有气孔，附着力低等缺点，不适用于制备高性能的银包铝复合线材；
3)一种高性能银包铝复合丝材及其制备工艺[谢建新等，一种高性能银包铝复合丝材及其制备工艺[P]，中国发明专利，专利号：CN200710063265]：采用纯银管外径和内径分别为Φ20mm和Φ14mm，纯铝棒材的直径为Φ14mm，长度均为100mm的坯料进行静液挤压及多道次拉拔加退火，制备出外径为Φ20μm～1000μm，芯丝直径为Φ10μm～950μm的复合丝材，实施举例外径Φ70μm(内径49mm)的银包铝制备，从实施例的截面结构示意图，可知银复层厚度10.5μm(复层厚度比15％)，计算银包铝复合线材的密度为6.67g/cm3。
4)银包铝复合丝材的制备工艺[苏顺等，银包铝复合丝材的制备工艺[J].有色金属学报,2007,17(12):1960-1966]。该文献的制备方法采用如上CN200710063265专利技术，制备出的外径Φ90μm、Φ70μm和Φ40μm三种规格的银包铝复合丝材，进行了抗拉强度的测试。从该文献Φ70μ的丝材外径及复层的横截面照片，可知银复层厚度10.5μm(复层厚度比15％)，计算银包铝复合线材的密度为6.67g/cm3。
5)退火对银包铝丝材界面与力学性能的影响[刘新华等，退火对银包铝丝材界面与力学性能的影响[A].2011年中国材料研讨会论文摘要集[C],会议时间：2011-05-17:292]：采用冷静液挤压和拉拔的方法(CN200710063265)制备了银包铝丝材，研究了退火对所制备的丝材界面与力学性能的影响。
6)一种银包铝复合细丝材及其制备方法[罗奕兵等，一种银包铝复合细丝材及其制备工艺[P]，中国发明专利，申请专利号：CN105869771]：采用外径为Φ30mm，壁厚为2.5mm，银管长度200mm的银管为铸型，采用压力铸造的方式注入金属铝液，冷却凝固制备出复合坯料，然后采用轧制或棍模拉拔，最后经过多道次拉拔及退火制备出外径为Φ50μm～500μm的微丝，实施举例Φ0.8mm和Φ0.1mm微丝的制备，没有报道对应的内径。根据该专利复合坯料尺寸计算得到坯料密度为5.1g/cm3，实际上复合坯料拉伸时纯Al的变形和延伸优于纯Ag，拉拔到微丝时Ag的复层比例实际上高于坯料，而Ag的密度远远高于Al的密度，该专利制备的微丝实际密度高于5.1g/cm3。
7)银包铝棒材立式连铸复合成形制备工艺[施兵兵等，银包铝棒材立式连铸复合成形制备工艺[J].工程科学学报,2019-04-30网络首发]：采用Procast软件模拟了不同工艺参数下连铸复合温度场的分布及银和铝的凝固界面位置，给出了优化的连铸工艺参数范围，指导制备出外径Φ20mm，内径Φ14mm的银包铝棒材(复层厚度比15％)，复合界面层宽度约20μm，由金属间化合物组成。该文献未对棒材进行下一步的加工试验，从制备出的银包铝棒材计算得到该银包铝棒材密度6.67g/cm3。
由于以上报道的银包铝复合丝材和棒材的复层Ag层相对较厚，复合线材的密度都在5.0g/cm3以上，且直径最细20μm。随着科学技术的发展，航海、航空、航天等导航***中的高性能陀螺仪对软导线提出了大幅减轻软导线重力产生的负效应，小的约束力矩等高要求，要求密度很低(≤5g/cm3)、线径超细(≤20μm)的技术要求。现有的银包铝复合丝材的密度和尺寸无法满足要求。
本发明提出采用磁控溅射真空镀膜技术制备银包铝复合线坯超细丝，通过后续多道次拉拔(不退火)，制备出低密度(≤5g/cm3)、超细线径(≤20微米)的银包铝复合软导线，满足了高性能陀螺仪对软导线的技术要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种低密度超细的银包铝复合软导线及其制备方法，该银包铝复合软导线镀层致密且附着力好，镀层厚度容易控制，解决了现有的银包铝复合线材密度高、线径相对粗、以及退火过程中界面形成化合物破坏了材料的加工性能和物理性能等问题。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种低密度超细的银包铝复合软导线，以高纯银为复层，纯铝为芯材，软导线外径为Φ10μm～Φ50μm，内径为Φ8.4μm～Φ49.0μm，复层厚度为0.1μm～4.0μm(复层厚度比1％～8％)，密度为3g/cm3～5g/cm3。
其中高纯银复层的银含量为99.99％。
本发明进一步提供所述的低密度超细的银包铝复合软导线的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)银管靶材制备：尺寸为Φ80～Φ85mm的银铸锭，去除铸锭表面的缺陷，车削后尺寸为Φ70～Φ75mm；用挤压机挤出Ф65mm(±1mm)×Ф55mm(±1mm)的管材，制成银管靶材；
(2)纯铝芯材制备：将铝棒材经过拉拔制备出直径≥Φ0.015mm的纯铝芯材；
(3)银包铝复合线坯制备：利用磁控溅射真空镀膜机，将银管靶材作为阴极，连续走线的纯铝芯材作为阳极，抽真空度大于2.0×10-3Pa，充0.2～0.8MPa的高纯氩气，控制靶电流为2.0～8.0A，制备出银包铝复合线坯；
(4)复合线坯多道次拉拔：将上步制得的银包铝复合线坯采用拉丝模具进行多道次拉拔，道次变形3％～6％，总变形量50％～80％，制备出银包铝复合软导线。
步骤(2)中，制备得到的纯铝芯材应当表面光滑、无气孔、裂纹、夹杂等缺陷。
步骤(3)中，纯铝芯材的走线速度为20～100mm/min，优选为40～60mm/min。
步骤(3)中，优选的工艺条件为：真空度大于1×10-3Pa，充0.3～0.6MPa的高纯氩气，控制靶电流为3.0～5.0A。
步骤(4)中，拉拔过程中采用机油为润滑剂。
本发明银包铝复合线坯制备的原理：以银管靶材作为阴极，以纯铝芯线作为阳极，控制靶电流和工作压强，氩气电离成Ar+，Ar+在电场作用下加速撞向并轰击阴极靶材表面，银原子从靶材表面射出，在磁场作用下溅射沉积到阳极纯铝芯线上形成薄膜，通过控制纯铝芯线材的走线速度、靶电流、工作压强来控制银膜层的厚度，这种方法制备的银包铝复合线坯的银镀层均匀致密且附着力好，膜层厚度容易控制。银包铝复合线坯经过多道次拉拔，制备出低密度超细的银包铝复合软导线。
与现有材料及制备方法相比，本发明具有以下技术优点：
(1)采用磁控溅射真空镀膜方法制备银包铝复合线坯的镀层致密且附着力好，镀层厚度容易控制，可制备出复层很薄的银包铝复合线坯。
(2)银包铝复合线坯的尺寸较小，无需退火可以直接拉拔成所需尺寸，避免在退火过程中复层界面生成μ、δ、β等多种银、铝脆性化合物，从而破坏了材料的加工性能和物理性能，制备出高性能的银包铝复合软导线。
(3)一种低密度超细的复层均匀致密的银包铝复合软导线：密度为3g/cm3～5g/cm3，外径Φ10μm～Φ50μm，内径Φ8.4μm～Φ49μm，复层厚度为0.1μm～4.0μm(复层厚度比1％～8％)。
附图说明
图1为本发明制备的银管靶材结构示意图。
图2为实施例2制备的Φ45μm纯铝芯材上镀银层的外观。
图3为实施例2制备外径Φ30μm的银包铝复合软导线的复层外观的SEM电镜扫描照片；
图4为实施例2制备外径Φ30μm的银包铝复合软导线的复层外观的金相图片。
具体实施方式
以下实施例中制备的银管靶材的尺寸外径为Ф58mm，内径为Ф50.8mm，长度为370.8mm，在距离顶部37.8mm处有装配0.6mm平台(此处外径为Ф56.8mm)，如图1所示。
实施例中制备的银包铝复合软导线的密度的测定方法：金相法。
复层厚度的测定方法：金相法。
软导线尺寸采用立式光学投影仪进行测定。
实施例1
外径尺寸Φ10μm，内径为Φ8.4μm，复层厚度0.8μm(复层厚度比8％)，密度为5g/cm3的银包铝复合软导线制备：
以银管靶材作为阴极，连续走线(40mm/min)的纯铝芯材Φ15μm作为阳极，真空度为0.6×10-3Pa，充高纯氩气0.6MPa，工作靶电流5A，薄膜厚度的平均值控制在1.54μm，制备出银包铝复合线坯，将复合线坯进行道次变形3～4％，总变形量70％，制备出银复层均匀致密的外径为Φ10μm，内径为Φ8.4μm、复层厚度0.8μm(复层厚度比8％)、密度为5g/cm3的银包铝复合软导线。
实施例2
外径尺寸Φ30μm，内径为Φ27.3μm，复层厚度1.35μm(复层厚度比4.5％)，密度为4g/cm3的银包铝复合软导线制备：
以银管靶材作为阴极，连续走线(50mm/min)的纯铝芯材Φ45μm作为阳极，真空度为0.8×10-3Pa，充高纯氩气0.5MPa，工作靶电流4A，薄膜厚度的平均值控制在2.45μm，制备出银包铝复合线坯，将复合线坯进行道次变形4～5％，总变形量64％，制备出银复层均匀致密的外径为Φ30μm，内径为Φ27.3μm、复层厚度1.35μm(复层厚度比4.5％)、密度为4g/cm3的银包铝复合软导线。
从图2可看出所制得银包铝复合线坯的镀Ag层均匀致密。从图3和图4可看出Φ30μm的银包铝复合软导线的的复层表面均匀致密(没有气孔、夹杂等缺陷)，表面光亮。
实施例3
银包铝复合软导线，外径尺寸Φ50μm，内径为Φ49μm，复层厚度0.5μm(复层厚度比1％)，密度为3g/cm3的银包铝复合软导线制备：
以银管靶材作为阴极，连续走线(60mm/min)的纯铝芯线Φ75μm作为阳极，真空度为1×10-3Pa，充高纯氩气0.3MPa，工作靶电流3A，薄膜厚度的平均值控制在0.92μm，制备出银包铝复合线坯，将复合线坯进行道次变形5～6％，总变形量58％，制备出银复层均匀致密的外径为Φ50μm，内径为Φ49μm、复层厚度0.5μm(复层厚度比1％)、密度为3g/cm3的银包铝复合软导线。

Claims (9)

1.一种低密度超细的银包铝复合软导线，以高纯银为复层，纯铝为芯材，其特征在于，软导线外径为Φ10μm～Φ50μm，内径为Φ8.4μm～Φ49.0μm，复层厚度为0.1μm～4.0μm(复层厚度比1％～8％)，密度为3g/cm3～5g/cm3。
2.一种低密度超细的银包铝复合软导线的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)银管靶材制备：尺寸为Φ80～Φ85mm的银铸锭，去除铸锭表面的缺陷，车削后尺寸为Φ70～Φ75mm；用挤压机挤出Ф65mm(±1mm)×Ф55mm(±1mm)的管材，制成银管靶材；
(2)纯铝芯材制备：将铝棒材经过拉拔制备出直径≥Φ0.015mm的纯铝芯材；
(3)银包铝复合线坯制备：利用磁控溅射真空镀膜机，将银管靶材作为阴极，连续走线的纯铝芯材作为阳极，抽真空度大于2×10-3Pa，充0.2～0.8MPa的高纯氩气，控制靶电流为2.0～8.0A，制备出银包铝复合线坯；
(4)复合线坯多道次拉拔：将上步制得的银包铝复合线坯采用拉丝模具进行多道次拉拔，道次变形3％～6％，总变形量50％～80％，制备出银包铝复合软导线。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，制备得到的纯铝芯材表面光滑、无气孔、裂纹和夹杂缺陷。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，纯铝芯材的走线速度为20～100mm/min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，纯铝芯材的走线速度为40～60mm/min。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，真空度大于1×10-3Pa。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，工作压强：充0.3～0.6MPa的高纯氩气。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，控制靶电流为3.0～5.0A。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，拉拔过程采用机油为润滑剂。
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