СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1996 года по МПК B23K20/04 

Изобретение относится к области производства слоистых металлических композиционных материалов в виде лент или полос и может быть использовано, например, при нанесении сплошных покрытий на высокотеплопроводные ленты из меди и ее сплавов для выводных рамок полупроводниковых приборов. Получаемые этим способом материалы могут служить также коррозионностойкой заготовкой для изготовления лент, плакированных продольными полосами золота, алюминия, серебра и различных припоев, широко применяемых по вышеупомянутому назначению.

Известен способ получения коррозионностойких изделий из меди и медных сплавов, заключающийся в предварительном нанесении покрытий одним или несколькими элементами из ряда Zn, Al, Sn методами гальваностегии, плакирования, металлизации расплавом, напыления или окрашивания и в последующем термодиффузионном насыщении поверхности изделий нанесенным элементом (заявка Японии N 62-1856, МКИ С 23 С 10/12, опубл. 7.01.87).

Недостатками этого способа являются:
1. Сложность технологии формирования покрытий на поверхности изделий, обусловленная наличием отдельных операций нанесения вышеперечисленных элементов и термодиффузионного насыщения ими покрываемой поверхности.

2. Необходимость применения сложного и энергонасыщенного оборудования для предварительного нанесения покрытий.

3. Экологическая вредность технологии, например, в случае нанесения покрытий гальваностегией и дополнительные затраты на ее устранение.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления многослойных металлических материалов, включающий подготовительный отжиг, по крайней мере, одной из составляющих в виде ленты, нанесение на нее технологического подслоя испарением и осаждением химически активного материала, сборку составляющих в пакет, сварку давлением, промежуточный отжиг, окончательную деформацию и окончательный отжиг, характеризующийся тем, что при изготовлении многослойных материалов из меди, никеля и их сплавов в качестве материала подслоя используют цинк, а его испарение и осаждение осуществляют в процессе подготовительного отжига рулона, образованного одной из составляющих лент и легкой из цинкосодержащего сплава (п.РФ N 1810261, МКИ В 23 К 20/04, заявл. 13.12.90).

Согласно этому изобретению процесс формирования насыщенного цинком поверхностного слоя на одной из исходных составляющих многослойного материала осуществляется путем термообработки покрываемого металла совместно с цинкосодержащим сплавом, например, латунью. Для этого собирается пакет или наматывается рулон из покрываемого металла и латуни с требуемым чередованием слоев или витков материалов в пакете или в рулоне соответственно.

Нагрев пакета (рулона) ведется в неокислительной среде до температур интенсивного испарения цинка из латуни с выдержкой до получения сплошного насыщенного цинком слоя на поверхности покрываемого металла.

При этом одна и та же лента из латуни применяется многократно в качестве испарителя цинка до тех пор, пока интенсивность испарения цинка обеспечивает сплошность диффузионного слоя. Далее испаритель заменяют новым.

Экспериментальной проверкой этого способа нами установлено, что требуемая в технике степень поверхностного насыщения цинком, например, меди обеспечивается нагревом пакета до температур 500.700^oC и выдержкой в течение 0,5.1,0 часа при применении в качестве испарителя α-латуни марки Л63 с содержанием цинка 37%
При этом глубина насыщения цинком составляет от 2 до 25 мкм, а его концентрация на наружной поверхности медной ленты от 5 до 30% вес. соответственно минимальным и максимальным параметрам режима термодиффузии.

Недостатком этого способа является ограниченная кратность применения испарителя (латуни) особенно в случае, когда необходимо вести процесс в режиме максимальной интенсивности испарения цинка, т.е. когда требуется высокая степень насыщения и производительность. В таких случаях происходит быстрое обеднение поверхностных слоев испарителя цинком, падает интенсивность испарения цинка и возрастает частота замены испарителя новым. В то же время во внутренних частях объема использованного испарителя концентрация цинка остается достаточной.

Задачей настоящего изобретения является увеличение срока службы латуни в качестве испарителя цинка при термодиффузионном насыщении им поверхности металлов цинком.

Это достигается тем, что в известном способе изготовления слоистых композиционных металлических материалов, включающем единовременное испарение конденсацию и диффузионное насыщение цинком поверхности основного металла в процессе его совместного нагрева в неокислительной среде в пакете с цинкосодержащим сплавом испарителем, например, с латунью, используемым многократно, испаритель периодически деформируют с разовым относительным обжатием не менее 30%
В условиях многократного применения испарителя, когда содержание цинка в нем постепенно снижается, периодическая деформация позволяет восстановить интенсивность испарения цинка, поддерживая на требуемом уровне степень насыщения им поверхности покрываемого металла.

Механизм восстановления интенсивности испарения цинка после деформации используемого испарителя можно пояснить результатами металлографических исследований. Установлено, что испарение цинка происходит двумя путями:
испарение из поверхностных зерен латуни за счет объемной диффузии цинка к поверхности;
испарение из внутренних зерен за счет диффузии цинка по границам зерен.

При деформации, сопровождающейся разрушением зерен, происходит обновление поверхности латуни за счет выхода глубинных более богатых цинком слоев и увеличение количества межзеренных границ, что и обуславливает рост интенсивности испарения цинка.

Решение о проведении обновляющей деформации принимают после выхода параметра насыщения покрываемого металла за нижний предел установленного диапазона.

Толщина используемого испарителя рационализируется исходя из соображений производительности процесса: масса испарителя в общем рулоне не должна превышать массы покрываемого (основного) металла. При толщинах рассматриваемого класса ленточных материалов для деталей полупроводниковых приборов (0,2.2,0) мм толщина испарителя может быть в пределах 0,2.1,0 мм.

Периодичность обновляющих деформаций зависит от интенсивности выбранного режима нагрева, а их количество от выбранной исходной толщины испарителя. При вышеуказанных толщинах испарителя 0,2.1,0 мм количество деформаций составляет 1.3 раза соответственно.

При этом важно, чтобы деформация обеспечивала проработку всего сечения латуни, так как диффузионный процесс испарения охватывает весь объем испарителя.

Экспериментально установили, что при холодной прокатке достаточно равномерная проработка исходного металла толщиной 0,2 1,0 мм достигается при относительном обжатии не менее 30% При этом целесообразно проводить деформацию в 1 проход, т.к. из теории прокатки известно, что разовая деформация приводит к созданию большей плотности дислокаций, чем дробная на ту же величину.

При степенях деформации меньше 30% эффективность деформации резко снижается.

Предлагаемый способ позволяет увеличить срок службы испарителя при термодиффузионном насыщении металла в 1,3.2 раза.

ПРИМЕРЫ.

На поверхности медной ленты толщиной 1 мм формировали слой, насыщенный цинком с концентрацией последнего на поверхности не менее 10% Такое насыщение придает меди антикоррозионную стойкость на уровне стандартной латуни марки Л90 и свариваемость с алюминиевой проволокой методом ультразвуковой микросварки в процессе сборки полупроводниковых приборов, повышает поверхностную твердость.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ:
лента медная марки МОб с размерами поперечного сечения 1 х 100 мм в твердом состоянии;
лента латунная марки Л63 с размерами поперечного сечения 0,3 х 100 мм в твердом состоянии.

Поверхность ленты обезжирили в моющем растворе ОП-7 с наложением ультразвука в промышленной установке.

Небольшие рулоны (по 5.8 витков) получали совместной намоткой латунной и медной лент. Такая намотка двух лент обеспечивает всестороннее насыщение поверхности медной ленты цинком.

Термообработку рулонов проводили в садочной электропечи ОКБ-8085 в интервале температур 500.700^oC с выдержкой в течение 0,5.1,0 часа в среде водорода. После окончания очередной термообработки проводили разделительную перемотку рулона на 2 ленты: на медную с насыщенной цинком поверхностью и технологическую латунную, которую использовали для насыщения следующего рулона меди.

Концентрацию цинка на поверхности меди определяли методом микрорентгеноспектрального анализа (МPCA) на приборе MS-46 фирмы "Камека".

Переходы на более интенсивный режим нагрева рулонов осуществляли по результатам МРСА предыдущего рулона, когда концентрация цинка на поверхности меди приближалась к минимально допустимой (10%).

Режимы нагрева рулонов и результаты термодиффузионного насыщения до деформации испарителя представлены в табл. 1.

В связи со снижением параметра насыщения поверхности меди цинком до 10,7% после 17 цикла использования латуни, что близко к минимально допустимому уровню (10%), провели ее деформацию путем прокатки с толщины 0,3 мм до 0,2 мм (ε = 33%).
Параллельно часть латуни прокатали до толщины 0,24 мм (ε = 20%) для проверки эффективности запредельной величины деформации (менее 30%).

Количество и режимы циклов дальнейшего использования обновленного испарителя, а также степень насыщения покрываемой поверхности цинком приведены в табл. 2.

Таким образом, в интервале рациональных температур термообработки 500. 700^oC и выдержках 0,5.1,0 ч обновляющая прокатка латуни ε увеличила срок ее службы в 1,3 раза (до 22 циклов, в то время как по прототипу число циклов составляло 17). По прототипу после 17 циклов латунь необходимо было бы заменить.

Деформация латуни с относительным обжатием 20% (<30%) неэффективна, так как при этом срок использования увеличился лишь на 1 цикл (700^oC, 1,0 час), причем полученная концентрация насыщения 10,3% находится в области риска. При других более низких режимах концентрация цинка была ниже 10%

Использование: при нанесении сплошных покрытий на высокотеплопроводные ленты из меди и ее сплавов. Существо: изобретение позволяет получать многослойные металлические материалы с меньшими затратами исходных материалов, за счет продления срока службы испарителя (латуни) путем обновляющей деформации его в процессе термодиффузионного насыщения поверхности основного металла цинком. 2 табл.

Способ изготовления слоистых металлических композиционных материалов, включающий единовременное испарение, осаждение и диффузионное насыщение цинком поверхности ленты основного металла в процессе ее совместного отжига в неокислительной среде в рулоне с лентой из цинкосодержащего сплава-испарителя, отличающийся тем, что при снижении содержания цинка в поверхностных слоях ленты-испарителя осуществляют проработку ее структуры холодной прокаткой с относительным обжатием не менее 30%