铜铝复合散热器的挤出工艺手艺 阐明与研究

散热器型材其构造 均是由多个齿形构成 ，为了提高散热效力 ，增年夜 散热面积，在每一个齿上年夜 都布有多个尖牙，这类 构造 固然 有用 地提高了散热效力 ，改善了散热结果 ，增添 了散热面积， 然则 却给型材挤压带来了很年夜 的阻力。

摘要：铝合金散热器型材是铝合金挤压型材中难度较年夜 ，手艺 含量较高的一种。散热器产物 由于其特别的机能 要求，对 与热源直接接触的外观，需要镶嵌铜片提高散热器的导热率，而今朝 的各类 铜铝连系 的工艺普遍在两者之间存在粘结层，不成避免地影响到散热器的机能 。

　　本文提出了一种覆铜散热器复合型材一次挤压成形的方式 ，文中具体 论说 了铜铝复合加工机理和散热器覆铜设计及其构造 剖析 ，经由过程 传统的铝型材挤压装备 及模具的构造 进行设计革新 。离别 在挤压装备 上增添 了铜板的送料机构，在挤压模具、模套、模座等挤压对象 上增添 输送铜板的进料口，初步实现了覆铜散热器复合型材一次挤压成形。

1　引言

　　跟着 科学手艺 的不竭提高 ，新构造 、新材料和新工艺的运用 日趋 普遍 。现代工程中的许多零部件需要工作在高温或低温、侵蚀 介质、电磁场或放射脾气 况 中，所选用的材料应当 是能知足 工作要求的特别材料，零丁 使用一种材料经常 不克不及 知足 现实 运用 中的各类 要求，而且 有色金属材料的用量也比力年夜 。为了节俭年夜 量的优良 珍贵 有色金属材料，下降 本钱 ，简化制造工艺，包管 分歧 的工作前提 下使用分歧 的材料，充实行 展 分歧 材料的机能 优势，异种有色金属材料的复合手艺 在现实 出产中有着普遍 的运用 。

　　今朝 ，工程上年夜 量采取 的是纯真 的铝散热器，由于铝的导热系数较低，仅为230W/m℃(0℃时)，年夜 量的热量很难被敏捷 带走。而铜的导热系数较高，为382W/ m℃(0℃时)，但铜散热器的重量较年夜 ，而且 在卑劣 情况 下的三防(防潮、防霉、防盐雾)较难。

　　铜铝复合建造 的散热器，较好地施展 了两种金属各自的优势，做到了优势互补，不仅能使散热器耐侵蚀 ，产物 重量轻寿命长，而且还提高了散热器其他方面的手艺 参数指标。

　　近几年来，散热器出产商在原有铝合金散热器的根蒂根基 上作了手艺 改善 ，在散热翅片不和 加上5～6mm厚的紫铜板，或 在铝制散热翅中到场 紫铜散热管，以利于提高散热结果 。今朝 高速CPU芯片就采取 了此种设计的散热器进行散热，但由于铝－铜的物理性质差别 较年夜 ，构成 致密靠得住 的毗连难度较年夜 ，是以 若何 将两者 有用 地毗连在一路 成了此项手艺 运用 的枢纽。现有的焊接办 艺 是先在铝外观镀镍，再与铜板执行 软钎焊，即构成 铝－镍－铜系统 。这一工艺方式 根基 上能到达 产物 设计的手艺 要求，但由于需要增添 电镀工艺，因今生 产本钱 较高，而且由于镍的热传导性较差，阻碍了散热器散热结果 的进一步提高，没有最年夜 限度的施展 此种(铜－铝)散热器设计的手艺 优势。

　　今朝 市道上充溢 着各类 各样的铜铝连系 的散热器，采取 分歧 的工艺将铜与铝连系 在一路 。经常使用 的有钎焊、螺丝锁合、热胀冷缩连系 、机械式压合等方式。

2　覆铜散热器的加工机理与设计

　　覆铜散热器凸起 的问题是铜/铝接头的毗连[1]。实践证实 ，在负荷较年夜 的情况下，用传统方式 对铜与铝毗连所出产的电工产物 是极不成靠的[2]。采取 表而堆焊、爆炸复合、轧制复合等多种方式 都可 成功制备铜/铝毗连件，但是 就机能 和价钱 比而言，采取 挤压法制备复合接头具有显着 的优势，经由过程 该方式 构成 的铜/铝毗连件可以下降 本钱 、减轻构件质量和 施展 铜、铝各自的长处 ，并能变异种金属的焊接为同种金属的焊接[3-5]。铜、铝复应时 ，在复合界而上会生成一层金属间化合物(如CuAl2等)，这类金属间化合物硬而脆，会致使 复合板的连系 强度和曲折 机能 等下降 ，且导电性变差[6]，是以 ，这类 过渡层不克不及 太厚，不然 将对材料的使用特征 发生 影响。别的 ，由于铝的线缩短 系数年夜 于铜的线缩短 系数，在冷却进程 中铜/铝复合界而四周 发生 很年夜 的应力，当界面连系 强度不足时，将致使本来 杰出的锻造 连系 而开裂。是以 ，选择公道 的复合工艺相当 主要 。

　　铜/铝复合材料采取 固－液复正当 制备，起首 要对铜板进行预处置：将铜板在脱脂剂中进行脱脂处置，用清水冲刷 后在钢丝轮长进 行除锈和打毛处置，打毛的目标 是为增添 界面的接触而积。铜/铝复合层的构成 主如果 铜与铝的界面反映和彼此散布 的了局，复合界面的冶金连系 是经由过程 接触面上金属的融化 和散布 进程 实现的。当液态铝与固态铜接触时，固态铜外观发生界面反映和 铜和铝原子的彼此散布 ，在两种金属中构成 散布 层，在界面上还构成 金属间化合物。复合界面的冶金连系 是经由过程 界面层上固体的局部融化 和原子散布 的物理冶金进程 实现的。

在固－液复合的前提 下，使用熔剂对铜板进行预浸镀，在铝锭挤压温度为480℃以上，铜板预热温度为400℃时，获得了界面过渡层厚度为45μm，剪切强度为57 MPa的杰出复合界面[7]。

　　同时，固－液复合界面上存在融化 区和非融化 区，铜/铝复合界面的连系 是经由过程 铜/铝接触面上铜的融化 和铜与铝之间的散布 实现的。

3　散热器覆铜设计及构造 剖析

　　在铝合金散热器底部镶嵌0.2mm厚度的铜板，可以年夜 年夜 提高散热器的散热效力 ，同时节俭年夜 量本钱 。散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效力 很有扶助，铝的导热系数为735KJ/(M?H?K)，铜的导热系数为1386KJ/(M?H?K)，在所有其它前提 均不异的时辰，铜在单元 时候 内传导的热量是铝的近两倍。

　　若是将铝合金散热片改用铜来制造，对热的传导速度 将会有一个很可观的晋升，如许 固然 就对高度集中的热量具有显着 “疗效”。然则 ，还需要斟酌 铜的比重比铝年夜 ，将不相符 散热片重量限制的要求； 红铜的硬度不如铝合金AA6063，某些机械加工机能 不如铝；铜的熔点比铝高许多 ，晦气 于挤压成形等等问题。所以这里就把铜、铝连系 运用 ，行使 铜的高导热系数特点，把热量传导至铝材质的鳍片，再经由过程 电扇 的对流感化 披发 至空气中。既包管 其重量不超标，又可量产，也获得 了必然 的效能晋升。

　　散热片的肋片散布 间距是5.5mm，厚度从1mm到3mm不等；且肋片数量 较多。很显着 ，肋片散布 区域的挤压力散布 极不平均 ，存在很年夜 的磨擦 力；同时肋片强度较低，在热挤压进程 中很容易发生偏折。反之，散热器底部供料充沛，比拟 力肋片而言，强度年夜 ，挤压力小，热挤压进程 中流速快，从而型材整体很容易发生扭拧和侧弯。同时，铜铝结应时 亲和力较差，必需 严酷节制 铜板与铝锭的接触面、挤压力和 挤压温度，这也增添 了对型材挤压进程 中活动 不乱 性的要求，和 对铜板附出力 的要求。

由于模具的齿顶部是最不容易 填充的部位，为了使此处填充充实，鄙人 模齿顶处的焊合室，设计了可起促流感化 的30°斜面，从而更好地改善了此处的流速。别的 ，此分流模下模焊合室的设计构造 ，分歧 于常规情势 的分流模构造 ，与上模的分流口尺寸不是完全对应的，在焊合室上，下宽度的取值根据 散热器型材宽度，按平模导流口的设计情势 取值，如许 有益 于 齿顶部不容易 填充的部份 充实填充。

4　构造 方案设计

　　4.1　挤压模模面的设计

　　送料机构是一个雷同 于接连挤压装配 的铜卷。经由过程 预先对铜板进行外观处置（主要经由过程 脱脂、除锈、打毛处置等），使铜板外观具有必然 粗拙 度，可以或许 增年夜 与半固态铝锭的接触面积。这里的铜板厚度是0.2mm，所以在液态铝锭的活动 进程 中，行使 外观磨擦 力可以或许 带动薄铜板一路 活动 。由表1可以知：挤压进程 中的模具温度到达 480-500℃,挤压速度为10－30m/min。

表1　铝合金散热器型材挤压工艺参数[8]

　　由上一节所述，在铝锭挤压温度为480℃以上，铜板预热温度为400℃时，可以获得界面过渡层厚度为45μm，剪切强度为57 MPa的杰出复合界面。所以铜板还要颠末预热处置，使整体温度到达 400℃。颠末预热处置后的铜板要实时送入到挤压模具的模腔内，与半固态铝锭一路 颠末工作带、一级空刀、二级空刀，最后从模垫送出铜铝复合的散热器型材。

　　在送入铜板的进程 中，为了确保铜板可以或许 顺遂 的进入到模腔内，同时铝锭不至于从所开的侧孔挤出，在铜板的厚度上增开0.08mm的厚度，即挤压模模面开出厚度为0.28mm的送铜板的槽。如图1所示。

图1 挤压模模面设计

4.2　模套构造 要素的设计

　　模套主要用于对导流模、挤压模、模垫的固定，及其在挤压机中的定位感化 。可将铜板输送机构设计在挤压机的下方，在输送铝锭的同时，将铜带也输入挤压机中。所以在模套的下端开一条0.3mm（＝0.2mm＋0.1mm）厚度的罅缝，供铜板送料。如图2所示。

图2　模套设计

　　4.3　铜板送料机构的工作机理及进程 剖析

　　本设计中，铜板送料机构位于挤压机的下侧，操作人员站在挤压机右边 进行遥控操作。预热后的铝锭从挤压机的下部输送 到挤压机内。铜板起首 进行外观处置，先将铜板在脱脂剂中进行脱脂处置，然落后 行除锈和打毛处置。又由于铜板要进行预热处置，所以在铜板的外侧有一个保温箱，包管 铜板温度恒定连结 在400～480℃。

　　在型材挤压起头前，操作人员先将必然 长度的铜板穿过模套13、挤压模14，送入到挤压模中。如图3所示。然后运行挤压机，挤压轴起头鞭策 铝锭活动 ；铝锭经由过程 导流模后，在挤压模腔内与铜板会合 。在480℃以上的高温、10MN的高压感化 下，铝锭与铜板带外观敏捷 发生界面反映，铜和铝原子彼此散布 ；在两种金属中构成 散布 层，在界面上还构成 金属间化合物，从而两者 牢凝结 合。成型后的铜铝复合散热器经由过程 空刀、后空刀、模垫11、垫环12等部位后，逐级降温强化，最后构成 覆铜散热器型材，截取恰当 长度落后 行外观处置便可 。

　　如图3所示，在铜板送料进程 中，为了包管 铜板垂直穿过模套、模型 的罅缝，在接近 模套的部位加设一个滚轮机构17，主要起到定型定位的感化 。固然 ，不成避免的会泛起 铜板断裂或 铜板倾斜等问题，这就需要从头对位和植入铜板；为了削减 机械 的频频 起停，滚轮机构对铜板的位置调控显得尤其 主要 。

图3　挤压机各部位构造

为了使模具在挤压时模孔各部的流速平均 、挤压安稳 ，在设计模具构造 时，打破了实心型材年夜 都采取 平模情势 的常规设计理念，将此型材模具设计成带有流口、分流桥的分流模的情势 ，与常规分流模所分歧 的是，在此分流模的上模分流桥上，没有决意 型材内孔尺寸的型 芯部份 ，是以 ，称之为假分流模。

5　小结

　　本章主要介绍了铜铝复合散热器的研究与运用 。轧制复正当 、爆炸复正当 、挤压－拉拔法是出产铜铝复合材料的经常使用 方式 。运用 较多的铜铝复合材料主要有铜包铝复合线材、铜铝复合接头材料、铜铝复合板带等。

　　要使年夜 量热量经由过程 散热器散出，本文论说 的新型散热器以0.2mm紫铜板作为散热器的基板，在基板上压接铝合金型材散热肋片。在高压下，紫铜基板和铝合金型材散热肋片的接触面发生 分了级的接触。用紫铜为基板是由于 紫铜的导热率高，可以或许 使热量尽可能 散布 开。基板上压接的散热肋片很密，可以或许 增年夜 散热面积。

　　具体 接头了挤压模模面和模套构造 要素的设计，具体申明 晰铜板送料机构的工作机理及运行进程 ，包管 了铜板源源不竭的输送到挤压模模腔内，从而获得 及格 的铜铝复合散热器。

枢纽词：铜铝复合散热器，散热器，挤压模具，模具设计