CN102719772A

CN102719772A - 有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材及成形方法

Info

Publication number: CN102719772A
Application number: CN2012102309909A
Authority: CN
Inventors: 刘雪峰; 谢建新; 汪汐涌
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: CN102719772B

Abstract

本发明属于有色金属材料领域，特别提供了一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材及成形方法。铜材纯度大于等于99.90%，密度为8.90±0.03g/cm³；纯铜材料的晶粒尺寸呈非对称梯度分布：靠近光面区域的晶粒相邻晶界间距平均值为0.35~16.20μm；靠近毛面区域的晶粒相邻晶界间距平均值为0.66~18.50μm；而厚度中性面靠近毛面侧区域的晶粒相邻晶界间距平均值为1.42~24.10μm；光面粗糙度为0.03~0.15μm，毛面粗糙度为0.15~2.0μm。本发明粗糙表面利于与其他材料高强度结合、冲压成型性好，而光滑表面外表美观性好、有利于提高电镀涂层的光亮度；成形方法简单，流程短，效率高，产品质量易于控制。

Description

有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材及成形方法

技术领域：

本发明属于有色金属材料领域，特别是提供了一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材及成形方法。

背景技术：

纯铜材料由于具有优异的导电、导热性，良好的耐疲劳、耐腐蚀性以及塑性成形性能而得到广泛应用，是现代工业发展的重要基础材料之一。随着电子工业的快速发展，纯铜材料在诸如挠性印刷电路板铜箔、电子连接件等许多高新技术领域得到了更为广泛的应用，同时对纯铜材料的综合性能也提出了越来越高的要求。

为了使纯铜材料不同部位满足不同使用工况的要求或是实现不同部位的不同功能，往往希望获得特殊组织结构的纯铜材料。例如，对于用作挠性印刷电路板铜箔的纯铜材料，希望控制上、下表层以及芯部之间的组织差异，获得晶粒大小多尺度化的梯度组织结构，以便提高材料的整体性能[K Lu. The future of metals. Science，2010，328：319-320]，满足应用中对不同部位性能的要求。目前通过表面机械碾磨处理可以获得梯度纳米铜材料（晶粒尺寸由表及里逐渐增大），这种组织结构的材料具备优异的塑性变形能力，同时表面纳米层具备高强度特性，有利于防止材料的表面失效[T H Fang，W L Li，N R Tao，et al．Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper．Science，2011，331：1587-1590]。但是，表面机械碾磨处理需要在较低的温度条件下进行，并且主要针对尺寸较大的块体棒材，难以用于使金属带材获得梯度组织结构。此外，也有通过形变热处理获得晶粒尺寸由表层至芯部呈梯度结构分布的金属带材的方法。该方法的实现主要包括两种途径：一是控制形变时不同区域变形量大小不同，然后进行再结晶退火处理[Y P Jiang，X Y Yang，L Zhang. Grain refinement in AZ61 Mg alloy during hot cyclic bending．Materials Science Forum，2011，667-669：623-627]；二是在形变带材中分区域添加不同质量的形核抑制剂，从而控制热处理时不同区域的再结晶形核速率不同[K H Hwang，M R Plichta，J K Lee．Grain-size-gradient nickel alloys І：Fabrication and tensile properties．Materials Science and Engineering A，1988，101：183-192]。在上述梯度组织结构铜材中，细小晶粒组织提高了裂纹源形成抗力，粗大晶粒组织提高了裂纹扩展抗力，从而使得梯度组织结构材料相比普通均匀组织结构材料而言具有了更高的疲劳寿命。

纯铜材料的使用性能不仅受到微观组织结构的影响，还与其表面形貌有密切的关系。众所周知，表面粗糙度作为纯铜材料的重要特性之一，直接影响其导电性能、冲压性能、耐蚀性能、涂镀性能以及疲劳寿命。因此，对于要求两表面使用性能不同的纯铜材料，通常还需要在其两表面获得不同的表面粗糙度。目前实现纯铜材料两个表面粗糙度不同的方法主要有电镀粗化法和轧辊毛化法两种。电镀粗化法主要应用于铜箔后续表面处理，通过阴极电沉积使纯铜材料表面形成具有高比表面积的粗糙镀层。一般情况下，铜箔需要经过多次粗化处理，才能满足后续使用时与树脂等材料间界面结合力强的要求；但过分的粗化处理又会影响到粗糙表面镀层均匀性，不利于后续精细线路的形成。轧辊毛化法主要是利用轧制过程中轧辊表面粗糙度对板带表面粗糙度的“映射”作用实现纯铜材料的表面粗糙化。通过轧辊毛化技术在两工作辊表面制造出不同的表面粗糙度，而后经过轧制可以获得一种新型的两面具有不同表面粗糙度的板带材[G Hong，G N Chen. Asymmetrical cold rolling realized on plan mill for steel sheet by laser-textured rolls. Iron and Steel，1988，33：66-69]。该类板带材的上、下两表面可以同时分别满足冲压和电镀的工艺要求。

随着现代高新技术的迅猛发展，对兼具两表面不同粗糙度和梯度组织结构的纯铜材料的需求越来越大。以挠性印刷电路板铜箔为例，优异的耐弯曲性能以及与树脂基板之间实现牢固的结合是其基本而重要的性能。从微观组织结构角度出发，若使铜箔获得梯度组织结构，则可以充分利用细晶和粗晶组织对裂纹形成及扩展的阻碍作用，进一步提高其耐弯曲性能；与此同时，若使铜箔两表面具备不同的表面粗糙度，则可以利用粗糙度小的表面保证铜带外表面的美观性及良好的高频导电性，而利用粗糙度大的表面实现与树脂基板的牢固结合，获得高的界面结合强度。

因此，合理地设计并控制纯铜材料的表面粗糙度不同以及组织结构梯度化，是提高其整体性能的一个重要途径，也是高新技术发展的迫切需求。然而，目前尚没有兼具两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料，而在控制纯铜材料表面粗糙度不同的基础上，同步实现其梯度组织结构的成形方法，也未见到相关的报道。

发明内容：

本发明提出了一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材及成形方法。采用双合轧制技术，在室温下对中间均匀涂覆双合油的两层纯铜材料进行单道次或多道次累积轧制，利用轧制过程中轧辊表面粗糙度及中间润滑状况对纯铜材料两表面粗糙度的不同影响，实现纯铜材料两表面的粗糙度不同；同时，结合在不同的轧制工艺条件下，与轧辊接触的纯铜材料表面（以下称作“光面”）以及两层纯铜材料相互接触表面（以下称作“毛面”）处的受力状况的差异，获得纯铜材料沿垂直于轧制方向的非对称梯度组织。本发明的目的在于提供一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材及成形方法，省去传统的纯铜材料表面电镀粗化和固化处理等多道工序，缩短工艺流程，减轻环境污染，降低生产成本，近终形获得两表面粗糙度不同且具有非对称梯度组织特征的高性能纯铜材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料，纯度大于等于99.90%，密度为8.90±0.03g/cm³。纯铜材料的微观组织由拉长的扁平状晶粒组成，在沿垂直于轧制方向上，纯铜材料的晶粒尺寸呈非对称梯度分布：靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为0.35~16.20µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为0.66~18.50µm；而厚度中性面靠近毛面侧区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距平均值为1.42~24.10µm。纯铜材料的光面和毛面两表面粗糙度不同，光面粗糙度为0.03~0.15µm，毛面粗糙度为0.15~2.0µm。

所述一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料的成形方法，分三步进行：

1. 选用厚度为0.1~2.0mm的硬态铜带进行再结晶退火，退火制度为350~600℃保温10~120min；退火铜带的等轴晶平均晶粒尺寸为5~30µm；退火铜带两表面粗糙度相同，在0.05~0.20µm范围内。

2. 将两张退火铜带进行重合，选用运动黏度（40℃）为1~10mm²/s的深度精制馏分矿物油作为双合油，均匀地涂覆于两张退火铜带之间。

3. 将重合的两张退火铜带同时进行单道次双合轧制或多道次（2~6次）累积双合轧制，其中单道次双合轧制的压下率控制在20%~60%之间、累积双合轧制的总压下率控制在20~95%之间，制备出厚度尺寸范围为0.006~1.60mm的纯铜材料。

本发明具有如下优点：

（1）制备的纯铜材料同时具有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织结构两个特点。在沿垂直于轧制方向上，纯铜材料的晶粒尺寸呈非对称梯度分布：靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为0.35~16.20µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为0.66~18.50µm；而厚度中性面靠近毛面侧区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距平均值为1.42~24.10µm。此外，纯铜材料光面和毛面两表面粗糙度差异显著，光面粗糙度为0.03~0.15µm，毛面粗糙度为0.15~2.0µm。

（2）制备的纯铜材料将两表面不同粗糙度和梯度组织结构所带来的优良性能相结合，赋予传统纯铜材料特殊的性能，在基础研究和工程应用方面有广阔的前景。表层晶粒细小、芯部晶粒粗大的梯度组织结构有利于延长材料的使用寿命。晶粒细小的表层增强了裂纹形成抗力，而晶粒相对粗大的芯部则增强了裂纹扩展抗力。同时，两表面不同粗糙度可以同时满足纯铜材料两表面不同的使用性能及加工性能要求。粗糙表面利于与其他材料高强度结合、冲压成型性好，而光滑表面外表美观性好、有利于提高电镀涂层的光亮度。

（3）成形方法简单，流程短，效率高，产品质量易于控制。本发明主要利用双合轧制技术，实现大批量、短流程高效生产所需表面粗糙度和梯度组织的纯铜材料，并可以较容易地通过调整工艺参数（双合油黏度、双合轧制压下率等）实现对纯铜材料的表面粗糙度大小和梯度组织结构的合理控制。

附图说明：

图1：双合轧制成形方法的示意图。

图2：实施例1纯铜材料沿垂直于轧制方向的微观组织。

图3：实施例1纯铜材料的光面和毛面的表面形貌，其中（a）为光面，（b）为毛面。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

利用双合轧制技术制备有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料。

对厚度为0.18mm的硬态纯铜带进行再结晶退火，退火制度为500℃保温10min，退火后等轴晶平均晶粒尺寸为15µm。退火铜带两表面粗糙度相同，均为0.05µm。将两张退火铜带进行重合，选用运动黏度（40℃）为2mm²/s的深度精制馏分矿物油作为双合油，均匀地涂覆于两张铜带之间。将重合的两张退火铜带同时进行1道次轧制，轧制压下率为35%。

制备出厚度为0.117mm的有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料，其纯度为99.96%，密度为8.92g/cm³。在沿垂直于轧制方向上，靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为4.40µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为5.98µm；厚度中性面靠近毛面区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距值为7.80µm。纯铜材料的光面和毛面两表面粗糙度不同，光面粗糙度为0.04µm，毛面粗糙度为0.20µm。

实施例2：

对厚度为2.0mm的硬态纯铜带进行再结晶退火，退火制度为600℃保温60min，退火后等轴晶平均晶粒尺寸为30µm。退火铜带两表面粗糙度相同，均为0.05µm。将两张退火铜带进行重合，选用运动黏度（40℃）为1mm²/s的深度精制馏分矿物油作为双合油，均匀地涂覆于两张铜带之间。将重合的两张退火铜带同时进行1道次轧制，轧制压下率为20%。

制备出厚度为1.60mm的有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料，其纯度为99.98%，密度为8.93g/cm³。在沿垂直于轧制方向上，靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为16.20µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为18.50µm；厚度中性面靠近毛面区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距值为24.10µm。纯铜材料的光面和毛面两表面粗糙度不同，光面粗糙度为0.04µm，毛面粗糙度为0.15µm。

实施例3：

对厚度为0.1mm的硬态纯铜带进行再结晶退火，退火制度为350℃保温30min，退火后等轴晶平均晶粒尺寸为5µm。退火铜带两表面粗糙度相同，均为0.20µm。将两张退火铜带进行重合，选用运动黏度（40℃）为3mm²/s的深度精制馏分矿物油作为双合油，均匀地涂覆于两张铜带之间。将重合的两张退火铜带同时进行1道次轧制，轧制压下率为60%。

制备出厚度为0.04mm的有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料，其纯度为99.95%，密度为8.91g/cm³。在沿垂直于轧制方向上，靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为0.97µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为1.42µm；厚度中性面靠近毛面区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距值为2.01µm。纯铜材料的光面和毛面两表面粗糙度不同，光面粗糙度为0.15µm，毛面粗糙度为0.95µm。

实施例4：

对厚度为2.0mm的硬态纯铜带进行再结晶退火，退火制度为450℃保温120min，退火后等轴晶平均晶粒尺寸为25µm。退火铜带两表面粗糙度相同，均为0.20µm。将两张退火铜带进行重合，选用运动黏度（40℃）为5mm²/s的深度精制馏分矿物油作为双合油，均匀地涂覆于两张铜带之间。将重合的两张退火铜带同时进行2道次轧制，单道次双合轧制压下率均为60%，累积总轧制压下率为83%。

制备出厚度为0.34mm的有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料，其纯度为99.93%，密度为8.89g/cm³。在沿垂直于轧制方向上，靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为1.10µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为2.30µm；厚度中性面靠近毛面区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距值为4.52µm。纯铜材料的光面和毛面两表面粗糙度不同，光面粗糙度为0.08µm，毛面粗糙度为1.5µm。

实施例5：

对厚度为1.5mm的硬态纯铜带进行再结晶退火，退火制度为400℃保温40min，退火后等轴晶平均晶粒尺寸为15µm。退火铜带两表面粗糙度相同，均为0.1µm。将两张退火铜带进行重合，选用运动黏度（40℃）为10mm²/s的深度精制馏分矿物油作为双合油，均匀地涂覆于两张铜带之间。将重合的两张退火铜带同时进行6道次轧制，单道次双合轧制压下率为20~40%，累积总轧制压下率为95%。

制备出厚度为0.075mm的有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织特征的纯铜材料，其纯度为99.90%，密度为8.87g/cm³。在沿垂直于轧制方向上，靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为0.35µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为0.66µm；厚度中性面靠近毛面区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距值为1.42µm。纯铜材料的光面和毛面两表面粗糙度不同，光面粗糙度为0.03µm，毛面粗糙度为2.0µm。

Claims

1.一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材，其特征在于纯度大于等于99.90%，密度为8.90±0.03g/cm³；纯铜材料的微观组织由拉长的扁平状晶粒组成，在沿垂直于轧制方向上，纯铜材料的晶粒尺寸呈非对称梯度分布：靠近光面区域的晶粒最为细小，相邻晶界间距平均值为0.35~16.20µm；靠近毛面区域的晶粒略大于光面侧晶粒，相邻晶界间距平均值为0.66~18.50µm；而厚度中性面靠近毛面侧区域的晶粒整体最为粗大，相邻晶界间距平均值为1.42~24.10µm；纯铜材料的光面和毛面两表面粗糙度不同，光面粗糙度为0.03~0.15µm，毛面粗糙度为0.15~2.0µm。

2.如权利要求1所述的一种有两表面不同粗糙度和非对称梯度组织的铜材的成形方法，其特征在于，成形分三步进行：

1）厚度为0.1~2.0mm的硬态铜带进行再结晶退火，退火制度为350~600℃保温10~120min；退火铜带的等轴晶平均晶粒尺寸为5~30µm；退火铜带两表面粗糙度相同，在0.05~0.20µm范围内；

2）张退火铜带进行重合，选用40℃运动黏度为1~10mm²/s的深度精制馏分矿物油作为双合油，均匀地涂覆于两张退火铜带之间；

3）合的两张退火铜带同时进行单道次双合轧制或2~6道次累积双合轧制，其中单道次双合轧制的压下率控制在20%~60%之间、累积双合轧制的总压下率控制在20~95%之间，制备出厚度尺寸范围为0.006~1.60mm的纯铜材料。