關鍵詞：智能手機熱管；無氧銅；拉拔工藝；組織演變；力學性能；導電率
隨著電子產品的高功耗和輕攜化發展，其芯片內部的熱功耗和熱密度越來越高，以當下典型的輕薄便攜型電子產品———智能手機為例， 隨著 5G 時代的到來，5G 智能手機的 SoC 芯片的熱功耗普遍已達 3~5 Ｗ，其熱功耗較 4G 智能手機增加了 2.5 倍，但是與此同時，整機厚度已減薄至 9 ｍｍ 以下，散熱空間被限制得越來越小。因此，必須采用散熱效率更高的冷卻方法。熱管利用導熱介質在真空下實現氣液相變來進行高效換熱的過程，從而將發熱端的熱量傳遞至冷凝端，并能夠實現熱傳遞的不斷循環。具有導熱系數高、響應速度快、溫度均勻性好、重量輕、體積小、無需額外能源驅動等顯著優點，受限于輕薄便攜型電子產品狹小的散熱空間，超薄超細智能手機熱管將成為解決目前微型電子設備高功耗散熱的主要方案，有著十分廣泛的應用前景。
熱管由傳熱工質、毛細結構和管殼構成，微型熱管所用的管殼一般采用無氧銅管，拉拔作為銅管的主要成形工藝， 一般采用游動芯頭拉拔成形， 該成形工藝具有管材表面光潔度高、 尺寸控制精度高、 拉拔力小、 道次變形量大、 生產效率高的優勢。
關于銅管拉拔成形工藝的研究已經較為深入，曾艷祥借助有限元分析軟件對游動芯頭拉拔和固定芯頭拉拔進行對比分析，發現游動芯頭的拉拔應力明顯小于固定芯頭，且周向殘余應力值更小。劉勁松等借助有限元軟件對 TP2 銅管的拉拔道次進行優化，并研究了多道次銅管拉拔的組織和力學性能演變。
王松偉等進一步研究發現，銅管在拉拔變形時內部織構發生轉動，由原始軋制態 {001｝ <110>、{111}<110>織構轉變為以 {110}<100>、{110}<111>為主的織構類型， 且孿晶顯著減少。
目前銅管拉拔工藝研究集中在 TP2 銅管，且大多數管壁較厚，工藝已經相對較為成熟， 但對于熱管用無氧銅管的研究并不多，特別是壁厚在 0.1 mm 以下的超薄超細無氧銅管。由于智能手機用無氧銅管徑小、壁薄，不同于普通 TP2 銅管的拉拔成形，在普通盤拉成形機上拉拔容易拉斷，且對拉拔模具的設計精度要求較高，需要對拉拔道次和加工量進行優化設計。
本文采用液壓直拉機多道次拉拔成形出 Ф2 mm（外徑）×0.08 ｍｍ（壁厚）規格的熱管用超薄超細無氧銅管，并對各道次的銅管的組織結構、力學性能和導電性能的變化規律進行了研究。
01 試驗方法
采用工頻感應爐熔煉無氧銅，水平連鑄出規格為 Φ92 mm×25 ｍｍ 的無氧銅管，鑄坯成分分析結果表明銅純度（質量分數）為 99.992％，磷含量為 14 ppm，鐵含量為 10.8 ppm，氧含量為 4.1 ppm。無氧銅鑄坯經三輥行星軋制、聯拉、盤拉及在線退火后得到的 Ф8 ｍｍ×0.18 mm 的盤拉管作為本次試驗的原始管坯（定義為 0 道次），取拉拔樣品管 50 根。試驗在圖 1a 所示的液壓直拉機進行多道次直拉，采用游動芯頭拉拔，拉拔速度為40 m·min-1， 拉拔示意圖如圖 1b 所示， 通過文獻并結合生產經驗， 設計了各道次的變形量，如表 1 所示，共 8 道次。
圖 1 液壓拉拔機（a）和游動芯頭拉拔示意圖（b）
采用游標卡尺測量銅管外徑，用壁厚千分尺測量管壁，各取 3 處不同位置來測量記錄數據；采用 OLYMPUS 3D 激光共聚焦顯微鏡觀察平行于拉拔方向（縱向）的銅管內壁微觀組織（腐蝕后）；采用 AFFRIDM 2D 型顯微硬度計測試銅管的維氏硬度值，載荷為 200g；采用 UTM6104 型萬能試驗機進行室溫拉伸試驗；采用 TX-300A 金屬導體電阻率儀測試電導率。
02 試驗結果與分析
2.1 拉拔試驗
在拉拔試驗過程中，進行 1~5道次拉拔時均未發生斷管現象，可以順利地完成拉拔試驗，但是在第６道次拉拔時出現了頻繁的斷管問題，綜合斷管率為 92％，即使未發生斷管繼續拉拔，在第 7 道次拉拔時也均發生了斷管現象，圖 2 為第 6 道次拉拔斷管實物照片。
圖 2 第 6 道次拉拔斷管實物圖
（a） 拉管工裝（b） 拉管模具
表 1 拉拔道次設計方案
經計算，拉拔至第 5 道次后，銅管的累計變形量達 75.85％，此時加工硬化程度較高，塑性加工能力大幅度下降。為了保證加工過程中不出現斷管的情況，提升后續加工過程的塑性加工能力，在第 5 道次拉拔后將銅管放入管式爐中進行中間退火，采用氬氣和氫氣的混合氣體保護，在 350℃保溫30 min。退火完成后繼續進行第 6、第 7 及第 8 道次拉拔直至完成制備 Ф2 ｍｍ×0.08 mm 規格的超薄超細無氧銅管。
圖 3 為 Ф2 mm×0.08 mm 成品銅管的實物圖和銅管橫截面放大圖。由于拉拔超薄超細銅管，銅管的尺寸公差控制相對普通銅管更為困難且嚴格。本次試驗設計合理的拉拔道次，并通過拋光模具和微調模具尺寸，確保銅管在外徑和壁厚上的公差以滿足客戶要求，測量銅管的外徑和壁厚，結果如表 2 所示，銅管的平均外徑為 Ф1.99 mm，公差可以控制在 ±0.02 mm；平均壁厚為 0.079 ｍｍ，公差可以控制在 ±0.01 ｍｍ。
表 2 Ф2 ｍｍ×0.08 ｍｍ 規格銅管樣品尺寸測量（ｍｍ）
2.2 拉拔過程中晶粒組織的演變
圖 4a 為原始盤拉管在線退火后的金相組織，退火后發生再結晶，形成了平均晶粒尺寸為 7.6 μｍ的等軸再結晶晶粒。圖 4b～圖 4f 為盤拉拔經過第 1～第 5 道次后的金相組織，第 1 道次拉拔后形成的晶粒組織中平均長縱比為 2.4，隨著拉拔道次的增多，變形程度逐漸增大，變形后的晶粒組織中長縱比由 2.4 逐漸增大至 13.8。在第 5 道次拉拔后的晶粒組織基本貫穿整個金相視圖的纖維晶，此時變形程度達到 75.8％，晶內已經形成了高密度的位錯，繼續變形則容易發生斷管現象。因而在第 5 道次拉拔后進行低溫短時間的退火（350℃ 保溫 30 min）以提高后續繼續變形時的塑性加工能力。圖 4g 為退火后的金相組織，退火完成后形成了等軸的完全再結晶組織，平均晶粒尺寸為 11.3 μｍ。退火完成后進行第6～第 8 道次的拉拔，拉拔后金相組織分別如圖 4h～圖 4j 所示，在后續拉拔過程中變形程度逐漸增加，加工硬化程度逐漸增加，等軸的晶粒逐漸被拉長，形成的長軸晶粒組織的長縱比由 2.4 增加至 6.5。
圖 4 無氧銅管在各拉拔道次的金相組織
（a）原始銅管（b）第 1 道次（c）第 2 道次（d）第 3 道次（e）第 4 道次（f）第 5 道次（g）中間退火（h）第 6 道次（i）第 7 道次（j）第 8 道次
2.3 拉拔過程中力學性能的演變
表 3 為各道次拉拔后的銅管室溫拉伸的屈服強度、抗拉強度和伸長率，原始銅管的抗拉強度和伸長率為 244.2 ＭPa 和 24.11％， 經過第 1 道次拉拔后，銅管的抗拉強度迅速上升至 355.5 ＭPa，而伸長率下降至 5.13％。隨著拉拔道次量的逐漸增加，抗拉強度逐漸升高，當拉拔至第 5 道次時，抗拉強度和屈服強度分別升高至 416.5 和 415.2 ＭPa，伸長率降低至 1.56％。拉拔過程中強度的逐漸增加是因為隨著拉拔道次的增加，不斷的變形使得晶內的位錯密度逐漸增加，加工硬化程度不斷提升。
而另一方面，晶內位錯密度的增多導致室溫拉伸過程中因位錯密度過大而快速發生應力集中，使得銅管的伸長率逐漸降低。此外，同樣因為位錯增多，加工硬化程度過高導致管材的塑性變形能力減弱，達到臨界值后繼續拉拔而出現斷管現象。中間退火后，晶粒發生回復再結晶，從力學數據也可以發現，強度降低，銅管軟化，塑性提高，因此可以保證后續第 6、7、8 道次銅管的拉拔過程的進行，退火后抗拉強度和屈服強度分別降低至 222.6 和 176.2 ＭPa，伸長率快速增加至 26.56％。后續繼續進行第 6～第 8道次的拉拔，加工硬度程度不斷增加，抗拉強度和屈服強度逐漸升高至 403.8 和 402.9 ＭPa，伸長率下降至 1.78％。圖 5 為室溫拉伸的抗拉強度和維氏硬度隨著拉拔道次變化的折線圖，可以發現，各道次銅管的維氏硬度和抗拉強度的變化趨勢一致。
圖 5 拉拔過程中各道次拉拔后銅管維氏硬度和抗拉強度變化曲線
2.4 拉拔過程中導電率的演變
圖 6 為各道次拉拔后的銅管的導電率變化曲線，可以發現， 原始銅管導電率達到 101.25％ IACS，經過第 1 道次拉拔后，導電率下降至 95.90％ IACS。繼續拉拔變形，銅管的導電率平緩波動，說明銅管在第 1 道次變形之后的變形對導電率的影響不大。中間退火后，晶粒組織發生回復再結晶，導電率升高至 101.44％ IACS。退火后再進行第 6 道次拉拔，導電率下降至 98.58％ IACS，后續繼進行第 7 和第 8 道次拉拔后，銅管的導電率變化不大，第 8 道次拉拔后最終制備的 Ф2 mm×0.08 ｍｍ 銅管的導電率為 98.85 IACS。因此可以認為，銅管的變形程度的增加對導電率的影響較小。根據 Matthiessen 定律，室溫下主要是固溶原子對銅合金導電率的損害比較大，位錯、晶界對銅合金導電率的影響不是很大，多道次拉拔也可以保證無氧銅管保持較高的導電性能。
03 結論
（1）無氧銅管經游動芯頭拉拔變形后，維氏硬度和抗拉強度顯著提高，而對電導率的影響比較小。經過 5 道次拉拔后，累計變形量為 75.8％，抗拉強度為 416.5 ＭPa，繼續拉拔，銅管拉拔容易發生斷管問題，綜合斷管率為 92％，但經 350℃保溫 30 min的中間退火處理， 無氧銅管得以繼續拉拔變形。
（2）無氧銅管在拉拔過程中，隨著變形量的增加，沿拉拔方向逐漸變為細長的纖維組織。第 5 道次拉拔后，晶粒組織的長縱比由等軸晶逐漸拉長至 13.8；中間退火后，銅管拉拔至第 8 道次后，晶粒組織的長縱比由 2.4 增加至 6.5。
（3）通過采用液壓直拉拉拔機，在經過 8 道次拉拔、1 次中間退火后，制備出抗拉強度為 403.8 ＭPa、伸長率為 1.78％、導電率為 98.85％ IACS、外徑公差為 ±0.02 ｍｍ、壁厚公差為 ±0.01 ｍｍ 的 Ф2 ｍｍ×0.08 ｍｍ 規格的超薄超細智能手機無氧銅熱管。
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