CN104669705A - 一种铜/铝复合带及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜/铝复合带及其制备方法，属于金属材料加工技术领域，该复合带表层为铜层，中间为铝-硅合金层，底层为铝层，各层厚度比为：1:0.02:2；各化学成分的重量百分比为：铜62.00%，硅0.05%，铝37.95%。其制备方法是先将原始金属带材铜带、铝硅合金带、铝带进行退火处理，再将经退火处理的带材依次经过开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中、复合轧机完成第一次复合轧制，最后进行8道次精轧。本发明提供的一种铜/铝复合带及其制备方法，较普通铜/铝复合带的制备可节约体积百分比为66.7%的铜材，而且由于中间加一层铝-硅合金层，有效抑制了铜带和铝带直接作用形成金属间化合物，并且该铜/铝复合带的塑性较高。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种铜/铝复合带及其制备方法。
背景技术
随着现代工业对金属材料的性能要求越来越高、对材料结构的改进要求也越来越强烈，单一金属材料已经无法满足这些需求，于是集不同材料的物理、化学、力学性能和价格差别于一体的新型复合材料应运而生，这将更有效的利用材料的特性，并克服和弥补单一材料性能的不足，从而获得综合性能更加优异的新材料。因此开发和制备这些具备优异或特殊性能新材料的相关技术也就成了当代冶金材料领域科技人员的研究重点，其中低成本、高性能的金属复合材料的加工成型技术不仅受到工程技术人员的重视，并且被列入国家重点支持的高新技术领域，今后必将从政策和资金两个方面给予扶持。
中国是一个贫铜富铝的国家，中国电工行业中载流导体材料年消耗铜材占全世界铜材消耗总量的近三分之一，因此铜材成为中国除了石油之外的另一重要的战略资源。自上世纪90年代以来，随着有色金属资源短缺加剧，铜材价格大幅上涨，导致铜材生产企业及客户的生产与使用成本大幅提高。因此在保证原有铜材使用性能基础上，开发新型材料替代传统材料成为国内外生产企业研发的热点，采用替代性复合材料进而降低原料成本已经成为国内外铜材生产与应用的一种发展趋势。
金属铜具有很好的导电性能和焊接性能，但资源稀缺，加工昂贵，金属铝导电性好，价格相对低廉，但铝的焊接、灭弧、耐磨以及导电、导热性能等都比铜的差，在很多场合以铝材直接替代铜材较困难，以铜包铝形成铜包铝的复合带材，既可节省金属铜的消耗，还能保持纯铜材料所具有的延展性、导电性、可焊性、耐蚀性等特点。加上我国铝资源很丰富，铝的价格低于铜，其密度不到铜的1/3，这就意味着在重量相同的条件下，铝材的长度是纯铜材的3倍。特别是在通讯领域，有线电视信号和移动通讯信号频率较高，一般在500-800MHZ，由于“趋肤效应”使高频电流集中在导体的表面传输，当用纯铜进行信息传输时，中心部位的铜没有起到主要传输信号的作用，所以用铝材来部分替代中间层的铜材是非常理想的方法，可以大大节省我国较为缺乏并且价格昂贵的铜资源。实际上不止通信领域，以铜包铝复合带代替应用面特别广、需求量特别大的铜带，在电力传输领域也将具有更广泛的应用前景，有望形成巨大的产业。开发适合工业规模生产的高效、低能耗复合技术，制备铜/铝复合带新型材料，无疑将会给我国迅速发展的电子、电力、机械制造等工业领域提供可供选择的理想的新产品，产生显著的经济效益，而且对于合理利用资源，保证国民经济可持续发展具有重要的社会效益。所以此项技术的开发己经成为国内外研究者努力的目标。
铜/铝两种金属冷轧复合后在界面上的结合仅仅是物理结合，并没有达到冶金结合的程度，同时，由于两种材料的不均匀变形，会在基体产生较严重的残余应力，对复合后性能影响很大。因此，为了提高复合带的综合性能，必须进行轧后退火。通过退火，一方面可以使组元层间金属相互扩散，使结合面实现冶金结合，从而提高结合强度；另一方面使基体内部残余应力松弛，塑性得到恢复。但是，在铜/铝复合及热处理过程中，界面处的铜与铝会相互作用，既能形成固溶体也能形成化合物。铜铝间可以形成CuAl、CuAl2、Cu2Al4、Cu4Al9等多种硬而且脆的化合物，这些化合物生长速度很快，存在形式复杂，扩散区无论产生哪种晶格类型的铜/铝金属间化合物，均会导致复合带的结合强度降低，导电性能变差，因此这种过渡层不宜太厚。控制界面层厚度与控制界面化合物的形态与分布问题，归根到底是控制扩散问题，控制铜铝间的扩散，使其既达到冶金结合的目的，又保持其界面薄而均匀，实现复合带既保持有一定强度，塑性又有很大的提高。
对于厚度在1.0mm左右的复合带，其界面对复合材料的性能（主要是塑性）有着更加显著的影响，复合材料界面的很多问题，诸如复合后界面形态的控制问题、界面化合物的抑制问题、界面与复合带组织性能的关系问题、基体的回复、再结晶问题等等，现有热处理技术并不能够给予完美解决，使得复合薄带在使用中由于塑性低，易于断带，而造成铜铝冷轧复合薄带应用的巨大障碍。
发明内容
针对现有技术存在的各种问题，本发明提供一种塑性高、成本低的铜/铝复合带及其制备方法。本发明的技术方案为：
一种铜/铝复合带，表层为铜层，中间为铝-硅合金层，底层为铝层，各层厚度比为：1:0.02:2；各化学成分的重量百分比为：铜62.00%，硅0.05%，铝37.95%。
所述铜/铝复合带总厚度为0.12-1.2mm，其界面结合为冶金结合。
一种铜/铝复合带的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）将厚度比为1:0.02:2的原始金属带材铜带、铝硅合金带、铝带采用退火炉分别进行退火处理，其中铜带的退火温度为350±10℃，保温时间为3-5小时；铝硅合金带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-4小时；铝带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-3小时；均为惰性气体保护；
（2）将经退火处理的铜带、铝-硅合金带、铝带依次经过开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中、复合轧机完成第一次复合轧制，压下率控制在70~75%，将得到的复合轧制带材采用退火炉进行中间退火处理；
（3）将经中间退火处理的复合轧制带材进行8道次精轧，每道次的压下率控制在25-28%，然后进行最后退火处理得到铜/铝复合带。
所述原始金属带材铜带、铝-硅合金带、铝带的厚度分别在0.026-26.4mm内变动。
所述原始金属带材铝硅合金带中硅的质量百分比为11.6%。
所述中间退火处理的条件为退火炉加热温度为290~370℃，保温时间为5~8小时，惰性气体保护。
所述最后退火处理的条件为退火炉加热温度为500~560℃，连续退火走带的速度为3-5m/min。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种铜/铝复合带及其制备方法，较普通铜/铝复合带的制备可以节约体积百分比为66.7%的铜材，而且由于中间加一层铝-硅合金层，有效抑制了铜带和铝带直接作用形成金属间化合物，并且该铜/铝复合带的塑性较高，厚度为0.12-1.2mm的复合带在保证铜/铝复合带的铜层和铝层为完全再结晶程度的基础上，其界面剪切强度为92~122MPa、复合带屈服强度为78~82MPa、抗拉强度为84~111MPa、伸长率为4.5~5.8%。
附图说明
图1为轧制复合示意图，附图中1为铝带，2为铝-硅合金带，3为铜带，4为铜/铝复合带；
图2为本发明的厚度为0.12mm的铜/铝复合带和普通铜/铝复合带断面形貌的电镜对比照片。
具体实施方式
本发明实施例中采用的原始金属带材铜带、铝带为市购产品；
本发明实施例中采用的铝-硅合金带为自制，自制方法为：选用硅的质量百分比为20%的铝硅合金与1060工业纯铝，两者按质量百分比23.2%：76.8%混合，在熔炼炉中进行熔铸，然后经过轧制、剪裁得到硅的质量百分比为11.6%的铝-硅合金带；
本发明实施例中采用的惰性气体为氩气。
实施例1
采用原始金属带材铜带厚度为13.2mm，铝-硅带厚度为0.264mm，铝带厚度为26.4mm，制备方法如下：
（1）将厚度比为1:0.02:2的原始金属带材铜带、铝硅合金带、铝带采用退火炉分别进行退火处理，其中铜带的退火温度为350±10℃，保温时间为3-5小时；铝硅合金带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-4小时；铝带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-3小时；均为惰性气体保护；
（2）将经退火处理的铜带、铝-硅合金带、铝带依次经过开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中、复合轧机完成第一次复合轧制，压下率为74.9%，将得到的复合轧制带材采用退火炉进行中间退火处理，条件为：退火炉加热温度为350~370℃，保温时间为8小时，惰性气体保护；
（3）将经中间退火处理的复合轧制带材进行8次精轧得到成品带，每道次的压下率控制在25-28%，然后进行最后退火处理，条件为：加热温度为500~560℃，连续退火走带的速度为3-5m/min，制得厚度在1.2mm的铜/铝复合带。
1.2mm铜/铝复合带的复合界面平均尺寸为23.5μm，剪切强度为122 MPa，铜层铝层完全再结晶，复合带屈服强度为82 MPa，复合带抗拉强度为111 MPa，复合带延伸率为5.8%。表1给出1.2mm铜/铝复合带中加入铝-硅中间层与不加铝-硅中间层的塑性比较结果。
表1
实施例2
采用原始金属带材铜带厚度为1.3mm，铝-硅带厚度为0.026mm，铝带厚度为2.6mm，制备方法如下：
（1）将厚度比为1:0.02:2的原始金属带材铜带、铝硅合金带、铝带采用退火炉分别进行退火处理，其中铜带的退火温度为350±10℃，保温时间为3-5小时；铝硅合金带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-4小时；铝带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-3小时；均为惰性气体保护；
（2）将经退火处理的铜带、铝-硅合金带、铝带依次经过开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中、复合轧机完成第一次复合轧制，压下率为74.5%，将得到的复合轧制带材采用退火炉进行中间退火处理，条件为：退火炉加热温度为290~310℃，保温时间为5小时，惰性气体保护；
（3）将经中间退火处理的复合轧制带材进行8次精轧得到成品带，每道次的压下率控制在25-28%，然后进行最后退火处理，条件为：加热温度为500~560℃，连续退火走带的速度为3-5m/min，制得厚度在0.12mm的铜/铝复合带。
0.12mm铜/铝复合带的复合界面平均尺寸为2.4μm，剪切强度为92MPa，铜层铝层完全再结晶，复合带屈服强度为78MPa，复合带抗拉强度为84MPa，复合带延伸率为4.5%。
实施例3
采用原始金属带材铜带厚度为6.6mm，铝-硅带厚度为0.132mm，铝带厚度为13.2mm，制备方法如下：
（1）将厚度比为1:0.02:2的原始金属带材铜带、铝硅合金带、铝带采用退火炉分别进行退火处理，其中铜带的退火温度为350±10℃，保温时间为3-5小时；铝硅合金带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-4小时；铝带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-3小时；均为惰性气体保护；
（2）将经退火处理的铜带、铝-硅合金带、铝带依次经过开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中、复合轧机完成第一次复合轧制，压下率为74.9%，将得到的复合轧制带材采用退火炉进行中间退火处理，条件为：退火炉加热温度为350~370℃，保温时间为8小时，惰性气体保护；
（3）将经中间退火处理的复合轧制带材进行8次精轧得到成品带，每道次的压下率控制在25-28%，然后进行最后退火处理，条件为：加热温度为500~560℃，连续退火走带的速度为3-5m/min， 制得厚度在0.6mm的铜/铝复合带。
0.6mm铜/铝复合带的复合界面平均尺寸为10.2μm，剪切强度为95MPa，铜层、铝层完全再结晶，复合带屈服强度为80MPa，复合带抗拉强度为90MPa，复合带延伸率为4.9%。
Claims (7)
1.一种铜/铝复合带，其特征在于其表层为铜层，中间为铝-硅合金层，底层为铝层，各层厚度比为：1:0.02:2；各化学成分的重量百分比为：铜62.00%，硅0.05%，铝37.95%。
2.根据权利要求1所述的一种铜/铝复合带，其特征在于所述铜/铝复合带总厚度为0.12-1.2mm，其界面结合为冶金结合。
3.权利要求1所述的一种铜/铝复合带的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
（1）将厚度比为1:0.02:2的原始金属带材铜带、铝硅合金带、铝带采用退火炉分别进行退火处理，其中铜带的退火温度为350±10℃，保温时间为3-5小时；铝硅合金带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-4小时；铝带的退火温度为300±10℃，保温时间为2-3小时；均为惰性气体保护；
（2）将经退火处理的铜带、铝-硅合金带、铝带依次经过开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中、复合轧机完成第一次复合轧制，压下率控制在70~75%，将得到的复合轧制带材采用退火炉进行中间退火处理；
（3）将经中间退火处理的复合轧制带材进行8道次精轧，每道次的压下率控制在25-28%，然后进行最后退火处理得到铜/铝复合带。
4.根据权利要求3所述的一种铜/铝复合带的制备方法，其特征在于所述原始金属带材铜带、铝-硅合金带、铝带的厚度分别在0.026-26.4mm内变动。
5.根据权利要求3所述的一种铜/铝复合带的制备方法，其特征在于所述原始金属带材铝硅合金带中硅的质量百分比为11.6%。
6.根据权利要求3所述的一种铜/铝复合带的制备方法，其特征在于所述中间退火处理的条件为退火炉加热温度为290~370℃，保温时间为5~8小时，惰性气体保护。
7.根据权利要求3所述的一种铜/铝复合带的制备方法，其特征在于所述最后退火处理的条件为退火炉加热温度为500~560℃，连续退火走带的速度为3-5m/min。
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