一种耐高温稀土热管坯及其制备方法
阅读说明：本技术 一种耐高温稀土热管坯及其制备方法 (High-temperature-resistant rare earth heat pipe blank and preparation method thereof ) 是由 陈岩 李坤 肖桥平 游婧 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种耐高温稀土热管坯及其制备方法。具体步骤如下：熔炼保护,将电解铜板加热熔化,控制熔体温度,并加大熔化炉木炭覆盖厚度；洗炉,主要是降低P含量,在熔化炉里先采用氧化捞渣的办法降低P含量,然后,再通过加入纯铜不断稀释的方法,进一步降低熔化炉、铸造炉里面的P含量；在线监控O、P含量,当其小于10ppm以下时,开始投加稀土中间合金,降低铜管牵引速度,提高铸造炉熔体温度,连续铸造铜管铸坯；通过ICP在线监测铸坯稀土含量；采用三辊行星轧制、联合拉拔、盘拉等工序获得耐高温稀土热管坯。本发明制备的稀土热管管坯,经烧结弯曲和压扁加工后,表面质量良好,满足高精密热管材料加工要求。(The invention discloses a high-temperature-resistant rare earth heat pipe blank and a preparation method thereof. The method comprises the following specific steps: smelting protection, namely heating and melting the electrolytic copper plate, controlling the temperature of a melt, and increasing the charcoal coverage thickness of a melting furnace; washing the furnace, mainly reducing the P content, firstly reducing the P content in the melting furnace by adopting an oxidation slag-off method, and then further reducing the P content in the melting furnace and the casting furnace by adding pure copper for continuous dilution; the content of O, P is monitored on line, when the content is less than 10ppm, rare earth intermediate alloy is added, the traction speed of the copper pipe is reduced, the melt temperature of the casting furnace is increased, and the copper pipe casting blank is continuously cast; monitoring the rare earth content of the casting blank on line through ICP; the high-temperature resistant rare earth hot tube blank is obtained by adopting the procedures of three-roller planetary rolling, combined drawing, disc drawing and the like. The rare earth heat pipe blank prepared by the invention has good surface quality after sintering, bending and flattening processing, and meets the processing requirements of high-precision heat pipe materials.)
技术领域
本发明属于一种铜合金材料加工技术，主要应用于5G通讯电子设备散热材料的一种耐高温稀土热管坯及其制备方法。
背景技术
目前，5G时代电子设备面临着重要的导热和散热问题，这也成为消费电子领域的“卡脖子”问题之一。近年来热管技术开始被应用到电子设备散热领域。纯铜管坯是电子热管的关键材料，热管中的毛细结构通常为编织网线或铜粉颗粒，生产中采取高温烧结工艺(≥920℃)使其附着在铜管内壁。而经过烧结，拉拔态纯铜管自身也发生严重的晶粒长大。而严重粗化的热管组织，严重削弱了热管变形能力特别是成形后表面质量。目前在高端电子设备应用中，热管弯曲部位表面出现显著的“橘皮”状粗糙化现象。热管表面的起伏会影响贴合紧密度，形成间隙而降低传热，并且表面形成微裂纹容易发生氧化和腐蚀。因此，烧结热管的管壁组织与弯曲后表面质量成为一对制约因素，也限制了国产热管在高端电子设备中的应用。如何打破这种制约关系，制备出具有良好表面质量的热管材料及工艺方法是极为重要的科学问题和亟待解决的工业难题。
表面粗糙化缺陷的本质是多晶体金属材料在塑性变形过程中表面残留的不均匀的位移场，原表面的个别晶粒在塑性变形后发生位移超过了原有的平面，就会形成一定程度的表面粗糙化现象，严重时会形成宏观可见的“橘皮”状缺陷。引起表面粗糙化的因素可分为内因和外因，内因主要与材料的组织结构有关；外因主要与变形方式、工艺参数及摩擦条件等有关。对于热管来说，目前的烧结工艺难以避免，可采取在弯曲过程对热管进行加热，或采取多道次弯曲等方式降低表面粗糙化程度，然而会降低生产效率，提高成本。因此，本专利提出通过加入稀土元素对热管管壁组织进行调控的新思路来解决这一问题。
发明内容
针对现有技术问题，本发明的目的在于提供一种耐高温稀土热管坯及其制备方法，解决热管弯曲与压扁加工表面粗糙化问题，用于大规模批量化高表面质量热管材料的生产，并应用于制备5G通讯领域高端电子设备的散热材料。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种耐高温稀土热管坯的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1)熔炼保护：将电解铜板加热熔化，控制熔体温度，并增加熔化炉木炭覆盖厚度和铸造炉石墨鳞片覆盖厚度；
S2)洗炉，先采用氧化捞渣的办法降低熔化炉里P含量，然后，再通过加入纯铜进一步降低熔化炉、铸造炉里面的P含量；
S3)在线监控O、P含量，当其小于10ppm以下时，开始投加稀土中间合金，降低铜管牵引速度，提高铸造炉熔体温度，连续铸造铜管铸坯；
S4)通过ICP在线监测铸坯稀土含量；
S5)采用三辊行星轧制、联合拉拔、盘拉工序获得耐高温稀土热管坯。
进一步，所述S1)中木炭和石墨鳞片的厚度为50cm～80cm，二者之间质量比为1：1，石墨鳞片在下木炭在上，而且每隔1.5～2小时更换一次木炭。
进一步，所述S2)中的所述氧化捞渣降低P含量小于20ppm。
所述加纯铜稀释方法进一步降低P含量小于10ppm。
进一步，所述S3)中的中间合金为稀土中间合金，铜管牵引速度为200～400mm/min，铸造炉熔体温度1160～1180℃，铸造管坯直径Φ92～25mm、壁厚24～25mm。
进一步，所述稀土中间合金中的稀土镧含量为10～20％，投加中间合金单块重量为1～1.5公斤。
进一步，所述S4)中测试稀土镧含量为30-70ppm。
进一步，所述S5)中制备的耐高温稀土热管坯经过温度为880-980℃、时间为2-3小时高温烧结后，其晶粒度为50～100μm；烧结后经弯曲和压扁测试，其表面粗糙度为2000～3000nm。
一种耐高温稀土热管坯，所述耐高温稀土热管坯采用上述的方法制备得到。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明加工制备过程流程短，易于操作，工艺简单，便于形成大规模批量化生产。
2、本发明制备的稀土热管管坯，经烧结弯曲和压扁加工后，表面质量良好，满足高精密热管材料加工要求。
附图说明
图1为本发明实施例1中未添加稀土热管烧结后的微观金相组织示意图。
图2为本发明实施例1中添加稀土热管烧结后的微观金相组织示意图。
图3为本发明实施例2中未添加稀土热管烧结后的微观金相组织示意图。
图4为本发明实施例2中添加稀土热管烧结后的微观金相组织示意图。
图5为本发明实施例1中通过透射电镜观察铜镧第二相在孪晶界的分布形貌示意图。
图6为本发明实施例2中未添加稀土热管烧结后的EBSD微观组织形貌示意图。
图7为本发明实施例2中添加稀土热管烧结后的EBSD微观组织形貌示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
在具体实施方式中，本发明获得一种耐高温稀土热管坯的制备方法，具体步骤如下：
1)将电解铜板经过加热熔化，控制熔体温度1150～1170℃范围内。
2)熔炼保护，加大熔化炉木炭覆盖厚度、铸造炉石墨鳞片覆盖厚度，隔绝空气，防止空气中的氧气进入铜熔体。厚度为50cm～80cm，而且每隔两个1.5～2小时更换一次木炭。
3)洗炉，主要是降低磷含量，在熔化炉里先采用氧化捞渣的办法降低磷含量至20ppm左右，然后，再通过不断稀释的方法，将熔化炉、铸造炉里面的磷含量控制在10ppm以下。
4)在线监控O、P含量，当其小于10ppm以下时，开始投加稀土中间合金。稀土中间合金投加方式如下：稀土中间合金中稀土镧含量为10～20％，投加中间合金单块重量1～2公斤，熔化炉每炉转液10分钟前进行投加，投加前对中间合金进行30-40分钟烘烤处理，烘烤温度400-500℃。
5)水平连铸牵引铜管铸坯，铜管牵引速度为200～400mm/min范围内，提高铸造炉熔体温度至1160～1180℃范围内，连续铸造直径Φ92～94mm、壁厚24～25mm的铜管铸坯。
6)通过ICP在线监测铸坯稀土含量，保证铸坯中稀土镧含量为30-100ppm。
7)采用三辊行星轧制、联合拉拔、盘拉等工序获得直径为5～8mm壁厚为0.1～0.4mm成品电子稀土热管管坯。
8)对稀土热管管坯进行测试：经过980℃×3小时高温烧结后，通过金相显微镜和EBSD观察其晶粒度；通过透射电镜观察稀土热管中的析出相；烧结后经弯曲和压扁测试，通过激光共聚焦显微镜测试其表面粗糙度。
所述S1)中木炭和石墨鳞片的厚度为50cm～80cm，二者之间质量比为1：1石墨鳞片在下木炭在上，而且每隔1.5～2小时更换一次木炭。
所述S2)中的所述氧化捞渣降低P含量小于20ppm。
所述加纯铜稀释方法进一步降低P含量小于10ppm。
所述S3)中的中间合金为稀土中间合金，铜管牵引速度为200～400mm/min，铸造炉熔体温度1160～1180℃，铸造管坯直径Φ92～25mm、壁厚24～25mm。
所述稀土中间合金中的稀土镧含量为10～20％，投加中间合金单块重量为1～1.5公斤。
所述S4)中测试稀土镧含量为30-70ppm。
所述S5)中制备的耐高温稀土热管坯经过温度为880-980℃、时间为2-3小时高温烧结后，其晶粒度为50～100μm；烧结后经弯曲和压扁测试，其表面粗糙度为2000～3000nm。
一种耐高温稀土热管坯，所述耐高温稀土热管坯采用上述的方法制备得到。
实施例1
制备过程：将电解铜板经过加热熔化，连续添加铜板达到10吨，控制熔体温度1160℃。
熔炼保护，加大熔化炉木炭覆盖厚度、铸造炉石墨鳞片覆盖厚度，隔绝空气，防止空气中的氧气进入铜熔体。厚度为60cm，而且每隔两个1.5小时更换一次木炭。
洗炉，主要是降低磷含量，在熔化炉里先采用氧化捞渣的办法降低磷含量至20ppm，然后，再通过不断稀释的方法，将熔化炉、铸造炉里面的磷含量控制在9ppm。
在线监控O、P含量，当其小于10ppm以下时，开始投加稀土中间合金。稀土中间合金投加方式如下：稀土中间合金中稀土镧含量为15％，依据14吨铜熔体计算，共投加12公斤中间合金，投加中间合金单块重量2公斤，熔化炉每炉转液10分钟前进行投加，每炉转铜液约1吨，依次投加四次中间合金分别为4公斤、4公斤、2公斤、2公斤。考虑30％烧损，预计得到稀土镧含量为90ppm。投加前对中间合金进行40分钟烘烤处理，烘烤温度500℃。
水平连铸牵引铜管铸坯，铜管牵引速度为300mm/min，提高铸造炉熔体温度至1165℃，连续铸造直径Φ92mm、壁厚25mm的铜管铸坯。
通过ICP在线监测铸坯稀土含量，铸坯中稀土镧含量为75ppm。
采用三辊行星轧制、联合拉拔、盘拉等工序获得直径为8mm壁厚为0.3mm成品电子稀土热管管坯。
对稀土热管管坯进行测试：经过980℃×3小时高温烧结后，通过金相显微镜观察了含有75ppm的稀土管的组织，其晶粒度为50μm，与不含有稀土的普通纯铜管相比(晶粒度为200μm)，晶粒尺寸减小1/4，可以发现稀土添加对纯铜管高温烧结晶粒长大得到明显的抑制；通过透射电镜观察烧结后稀土热管中的稀土相在栾晶界上析出，如图5所示，这也说明了，稀土添加抑制晶粒长大的原因；烧结后经弯曲和压扁测试，通过激光共聚焦显微镜测试其表面粗糙度为2467nm，与普通纯铜管相比(表面粗糙度为4911nm)得到明显的改善，如图1所示为未添加稀土热管烧结后的微观金相组织，如图2所示为添加稀土热管烧结后的微观金相组织。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
制备过程：将电解铜板经过加热熔化，连续添加铜板达到8吨，控制熔体温度1165℃。
熔炼保护，加大熔化炉木炭覆盖厚度、铸造炉石墨鳞片覆盖厚度，隔绝空气，防止空气中的氧气进入铜熔体。厚度为70cm，而且每隔两个2小时更换一次木炭。
洗炉，主要是降低磷含量，在熔化炉里先采用氧化捞渣的办法降低磷含量至18ppm，然后，再通过不断稀释的方法，将熔化炉、铸造炉里面的磷含量控制在8ppm。
在线监控O、P含量，当其小于10ppm以下时，开始投加稀土中间合金。稀土中间合金投加方式如下：稀土中间合金中稀土镧含量为20％，依据10吨铜熔体计算，共投加3公斤中间合金，投加中间合金单块重量1.5公斤，熔化炉每炉转液10分钟前进行投加，每炉转铜液约1吨，依次投加四次中间合金分别为1.5公斤、1.5公斤。考虑30％烧损，预计得到稀土镧含量为42ppm。投加前对中间合金进行30分钟烘烤处理，烘烤温度400℃。
水平连铸牵引铜管铸坯，铜管牵引速度为400mm/min，提高铸造炉熔体温度至1160℃，连续铸造直径Φ94mm、壁厚24mm的铜管铸坯。
通过ICP在线监测铸坯稀土含量，铸坯中稀土镧含量为34ppm。
采用三辊行星轧制、联合拉拔、盘拉等工序获得直径为6mm壁厚为0.2mm成品电子稀土热管管坯。
对稀土热管管坯进行测试：经过980℃×3小时高温烧结后，通过金相显微镜观察了含有34ppm的稀土管的组织，其晶粒度为100μm，与不含有稀土的普通纯铜管相比(晶粒度为200μm)，晶粒尺寸减小1/2，可以发现稀土添加对纯铜管高温烧结晶粒长大得到明显的抑制；通过EBSD进一步深入观察，稀土加入后晶粒得到明显的细化。烧结后经弯曲和压扁测试，通过激光共聚焦显微镜测试其表面粗糙度为2719nm，如图6所示为未添加稀土热管烧结后的EBSD微观组织形貌示意图。如图7所示为添加稀土热管烧结后的EBSD微观组织形貌示意图，与普通纯铜管相比(表面粗糙度为4911nm)得到明显的改善，如图3所示为未添加稀土热管烧结后的微观金相组织，如图4所示为添加稀土热管烧结后的微观金相组织。
实施例结果表明，本发明方法能够抑制热管在高温烧结加工过程中的晶粒长大问题，进一步解决热管烧结后弯曲和压扁加工表面粗糙化缺陷问题，因此，本发明制备的稀土热管管坯，经烧结弯曲和压扁加工后，表面质量良好，满足高精密热管材料加工要求。
以上对本申请实施例所提供的一种耐高温稀土热管坯及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
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