铌管靶材的制造方法.pdf

本发明公开了一种铌管靶材的制造方法。该方法以铌锭为原料，依次包括一次机械加工步骤、加热步骤、扩内孔步骤、挤压步骤、热处理步骤以及二次机械加工成成品步骤。其具有工艺简单，材料利用率高，生产成本低，环保无污染等优点。

权利要求书
1.  一种铌管靶材的制造方法，其特征在于，以铌锭为原料，依次包括一次机械加工步骤、加热步骤、扩内孔步骤、挤压步骤、热处理步骤以及二次机械加工成成品步骤，其中：
在所述一次机械加工步骤中，按挤压要求将原料加工成含内孔的圆柱形锭坯；
在所述加热步骤中，在经一次机械加工后的锭坯表面涂覆抗氧化涂料，然后于900～1350℃保温0.5～2小时；
在所述挤压步骤中，将已扩内孔的锭坯在900～1350℃保温0.1～0.5小时后进行挤压成型，变形量不小于70%；
在所述热处理步骤中，将挤压成型后的铌荒管在真空或惰性气氛下，在900～1350℃保温0.5～3小时，然后随炉冷却。

2.  根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述一次机械加工步骤中，所述锭坯的长度不大于1100mm，内孔直径为50～60mm。

3.  根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述内孔直径为55～60mm。

4.  根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述加热步骤和所述挤压步骤中的加热方式是电阻加热或感应加热。

5.  根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述挤压步骤中，所述变形量为75%-85%。

6.  根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述原料铌锭是采用真空熔炼方法获得的。

7.  根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，扩内孔前后锭坯 的内孔直径比为1：2～4。

说明书铌管靶材的制造方法
技术领域
本发明属于难熔金属变形加工领域，特别涉及一种铌管靶材的制造方法，该铌管靶材特别适合于磁控溅射用。
背景技术
随着平板显示和光伏产业的迅猛发展，铌靶市场需求量日益增加，由于在靶材的使用过程中，管状靶的利用率远高于平面靶利用率，是其的2倍多，所以开发平面显示和光伏产业用大尺寸铌管靶十分迫切。Nb2O5薄膜具有优异的光学性能，其光学波导损耗小，在波导型SHG（second-harmonic generation）器件中广泛应用。由于Nb2O5薄膜有较强的紫外吸收能力，可用作紫外敏感材料的保护膜。由于Nb2O5薄膜折射率较高，与SiO2等配合可制备具有不同折射率的薄膜。近年来，Nb2O5薄膜作为一种性能优良的电致变色材料，引起研究者的广泛兴趣。
铌的熔点2468℃，沸点4742℃，密度8.57克/立方厘米，体心立方结构。室温下铌在空气中稳定，在氧气中红热时也不被完全氧化，高温下与硫、氮、碳直接化合，能与钛、锆、铪、钨形成合金。不与无机酸或碱作用，也不溶于王水，但可溶于氢氟酸。铌的氧化态为-1、+2、+3、+4和+5，其中以+5价化合物最稳定。Nb2O5薄膜越来越广泛的用途，Nb靶的需求量越来越多，鉴于Nb价格较高，且容易氧化，所以开发成本低廉、大尺寸、环保无污染的铌管靶的生产方法是非常必要的。
目前，制造铌管靶的方法主要有两种，锻造法和包套挤压法。
（1）锻造法：将真空熔炼的铌锭加热后锻造，外圆锻造到所需管坯的外径，再利用机械加工的方法加工内径到规定尺寸。该方法的优点是工艺简单，容易实现；该方法的缺点是材料利用率低，成本高，受内孔机械加工的影响，成品的长度受到限制。
（2）包套挤压法：如公开号为CN102489951A的专利申请中所记载的 方法：采用真空熔炼的铌锭，经机械加工掏内孔（内孔尺寸略大于成品铌管内径，比如说成品铌管内径128mm，所掏内孔为135mm），包套，加热，挤压、酸洗（去除包套皮）、热处理、机械加工成成品。该方法的优点是可生产出各种规格尺寸的铌管靶，晶粒细小均匀；该方法的缺点是工艺流程长，工艺复杂，所掏内孔尺寸太大致材料利用率低，成本高，酸洗对环境有污染。
许多其他的方法中也使用酸洗，对环境污染较大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铌管靶材的制造方法。该方法工艺简单，材料利用率高，生产成本低，环保无污染，采用该方法得到的铌管靶材特别适用于磁控溅射。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铌管靶材的制造方法，该方法以铌锭为原料，依次包括一次机械加工步骤、加热步骤、扩内孔步骤、挤压步骤、热处理步骤以及二次机械加工成成品步骤，其中：
在所述一次机械加工步骤中，按挤压要求将原料加工成含内孔的圆柱形锭坯；
在所述加热步骤中，在经一次机械加工后的锭坯表面涂覆抗氧化涂料，然后于900～1350℃保温0.5～2小时；
在所述挤压步骤中，将已扩内孔的锭坯在900～1350℃保温0.1～0.5小时后进行挤压成型，变形量不小于70%；
在所述热处理步骤中，将挤压成型后的铌荒管在真空或惰性气氛下，在900～1350℃保温0.5～3小时，然后随炉冷却。
为了更加详细的对上述方法进行说明，上述方法可以示例性地描述为：
在所述加热步骤中，在经一次机械加工后的锭坯表面涂覆抗氧化涂料，然后于900℃、950℃、980℃、1100℃、1160℃、1200℃、1300℃、1340℃或1350℃条件下保温0.5h、1h、1.5h或1.8h；
在所述挤压步骤中，将已扩内孔的锭坯在900℃、950℃、980℃、1100℃、1160℃、1200℃、1300℃、1340℃或1350℃条件下保温0.2h、0.3h、0.4h或0.5h后进行挤压成型，变形量72%、75%、80%、85%或90%；
在所述热处理步骤中，将挤压成型后的铌荒管在真空或惰性气氛下，在920℃、950℃、1050℃、1120℃、1290℃、1310℃或1340℃保温0.5h、0.8h、1.5h、2.3h或2.8h，然后随炉冷却。
在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述一次机械加工步骤中，所述锭坯的长度不大于1100mm，内孔直径为50～60mm，示例性地，长度可以是900mm、800mm或700mm，内孔直径为50mm、52mm、55mm、57mm、58mm、60mm。更优选内孔直径为55～60mm。
在上述方法中，所述加热步骤中的抗氧化涂料可以是任何具有抗氧化功能的涂料。
在上述方法中，所述加热步骤和所述挤压步骤中的加热方式在本发明中没有特别限制，作为一种优选实施方式，可以是电阻加热或感应加热。
在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述挤压步骤中，所述变形量为75%-85%，该变形量范围内可以使材料变形更彻底。
在上述方法中，所述加热步骤中的锭坯表面是指锭坯中所有能够与空气接触到的部位，即包括锭坯外表面以及内孔表面。
在上述方法中，所述原料铌锭的制备方法没有特别的限制，但是为了实现成品靶材的高纯度并具有均匀的晶粒组织，所述原料铌锭优选是采用真空熔炼方法获得的。所述真空熔炼方法为本领域技术人员熟知的工艺。
在上述方法中，所述扩内孔步骤是在扩孔机中进行的，优选地，扩内孔前后锭坯的内孔直径比为1：2～4。
由于铌在超过400℃大气条件下非常容易氧化，所以在加热前对锭坯表面涂覆抗氧化涂层；为了节省原料，提高材料利用率，在挤压前先扩孔。
本发明与现有技术相比具有工艺简单，材料利用率高，生产成本低，环保无污染等优点。上述优点具体如下：由于在铌锭一次机械加工时可以只加工为50～60mm的内孔，所以材料的利用率很高；由于表面涂覆抗氧化涂料，省去了包套和酸洗，缩短了工序，节省了成本，保护了环境。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的铌管靶材的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限于此。
实施例1-3是根据本发明所述的磁控溅射用铌管靶的制造方法即采用真空熔炼的铌锭经挤压工艺制备铌管靶，制备了3种规格的铌管靶。以下实施例中使用的防氧化涂料为购自北京汇鑫瑞成科技有限公司的HX-031耐高温防氧化涂料。
实施例1
本实施例制备的铌管靶材成品（即中空的圆柱形靶材）的规格为：外圆/内孔直径为155/115mm；长度为6200mm。
具体制备方法如下：
（1）原料铌锭的制备：采用真空电子束炉，真空度为10-3Pa，经过二次熔炼，得到的铌锭纯度为99.98%左右。
（2）一次机加工：按挤压要求将原料铌锭机械加工成含内孔的圆柱形锭坯，其锭坯的外圆/内孔直径为300/60mm，长度为1100mm；
（3）加热：将一次机加工后的带内孔的圆柱形的铌锭的所有表面（含内孔表面）涂覆抗氧化涂料，然后放入加热炉中，在1350℃保温0.5小时；
（4）扩内孔：将完成加热步骤的铌锭放入扩孔机中进行扩孔，扩内孔的直径到120mm；
（5）挤压成型：将完成扩内孔的铌锭再次回炉即再次放入加热炉（加热方式是电阻加热）中，在1350℃保温0.2小时后放入挤压机中进行挤压，变形量为85%，挤压后得到的铌荒管的外圆/内孔直径为160/110mm。
（6）热处理：将挤压好的铌荒管放入真空气氛的退火炉中，真空度为10-3Pa，在1350℃保温0.5小时，然后随炉冷却；
（7）二次机械加工：把经过热处理的铌荒管机械加工到规定尺寸的成品管。
本实施例得到的成品管组织均匀，晶粒细小，其性能与成本见表1。其金相组织图见图1。
实施例2
本实施例制备的铌管靶材成品（即中空的圆柱形靶材）的规格为：外圆/内孔直径为73/60mm；长度为2000mm。
具体制备方法如下：
（1）原料铌锭的制备：采用真空电子束炉，真空度为10-3Pa，经过二次
熔炼，得到的铌锭纯度为99.98%左右。
（2）一次机加工：按挤压要求将原料铌锭机械加工成含内孔的圆柱形锭坯，其锭坯的外圆/内孔直径为120/50mm，长度为600mm；
（3）加热：将一次机加工后的带内孔的圆柱形的铌锭的所有表面（含内孔表面）涂覆抗氧化涂料，然后放入加热炉中，在900℃保温2小时；
（4）扩内孔：将完成加热步骤的铌锭放入扩孔机中进行扩孔，扩内孔的直径到65mm；
（5）挤压成型：将完成扩内孔的铌锭再次回炉即再次放入加热炉（加热方式是电阻加热）中，在900℃保温0.5小时后放入挤压机中进行挤压，变形量为75%，挤压后得到的铌荒管的外圆/内孔直径为78/55mm。
（6）热处理：将挤压好的铌荒管放入真空气氛的退火炉中，真空度为10-3Pa，在900℃保温3小时，然后随炉冷却；
（7）二次机械加工：把经过热处理的铌荒管机械加工到规定尺寸的成品管。
本实施例得到的成品管组织均匀，晶粒细小，其性能与成本见表1。
实施例3
本实施例制备的铌管靶材成品（即中空的圆柱形靶材）的规格为：外圆/内孔直径为235/200mm；长度为4000mm。
具体制备方法如下：
（1）原料铌锭的制备：采用真空电子束炉，真空度为10-3Pa，经过二次
熔炼，铌锭的纯度为99.98%左右。
（2）一次机加工：按挤压要求将原料铌锭机械加工成含内孔的圆柱形锭坯，其锭坯的外圆/内孔直径为350/55mm，长度为700；
（3）加热：将一次机加工后的带内孔的圆柱形的铌锭的所有表面（含内孔表面）涂覆抗氧化涂料，然后放入加热炉中，在1100℃保温1小时；
（4）扩内孔：将完成加热步骤的铌锭放入扩孔机中进行扩孔，扩内孔 的直径到206mm；
（5）挤压成型：将完成扩内孔的铌锭再次回炉即再次放入加热炉（加热方式是电阻加热）中，在1100℃保温0.3小时后放入挤压机中进行挤压，变形量为84%%，挤压后得到的铌荒管的外圆/内孔直径为240/195mm。
（6）热处理：将挤压好的铌荒管放入真空气氛的退火炉中，真空度为10-3Pa，在1100℃保温2小时，然后随炉冷却；
（7）二次机械加工：把经过热处理的铌荒管机械加工到规定尺寸的成品管。
本实施例得到的成品管组织均匀，晶粒细小，其性能与成本见表1。
为了进一步说明本发明的优点，下面列举了二个对比例。
对比例1
该对比例制备的铌管靶材的规格为：外圆/内孔直径为155/115mm；长度为1000mm。
制备方法如下：
（1）原料铌锭的制备：与实施例1相同；
（2）锻造：锻造温度为1100℃，终锻温度不小于900℃，采用3吨的
空气锤进行锻造。
（3）机械加工制成成品。
该对比例得到的成品管的性能和成本见表1。采用本对比例的方法制造外圆/内孔直径为155/115mm的铌管靶材，其长度仅能达到1000mm。
对比例2
该对比例制备的铌管靶材的规格为：外圆/内孔直径为148/96mm；长度为2200mm。
制备方法为公开号CN102489951A的专利申请的实施例5中记载的方法。
该对比例得到的成品管的性能见表1。采用本对比例的方法制造内孔直径为96mm的铌管靶材，需要掏出直径100mm的芯部，而实施例1制备内孔直径为115mm的铌管靶材，仅需去掉直径50mm的芯部，而且本发明无 酸洗步骤，所以本发明方法成本低，材料利用率高，无污染。
表1本发明实施例与对比例产品的性能与成本表

平均晶粒度是按GB/T6394-2002（平均晶粒度评级（截点法））计算的。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。