CN109435371B - 一种高强铜铝铜复合板及制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，公开一种具有高强度、良好成形性的铜铝铜层状复合板，具体涉及该种新型复合板的组元设计及制备工艺。本发明所述复合板包括：上下表面纯铜层，内部层选取高强铝合金。所述高强复合板通过轧制工艺制备而成，具体工艺步骤包括：板材预处理，控制温轧复合，后续退火处理。所述工艺步骤关键在于控制预处理层状板材的单道次大压下轧制，并通过调节后续退火工艺获得所需要力学性能。复合板强度较纯铜铝复合板强度有显著提高，有利于材料的轻量化开发，拓宽铜铝复合板的应用领域。

Description

一种高强铜铝铜复合板及制备工艺
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种高强铜铝铜复合板的组员设计和轧制工艺，用于拓宽铜铝复合板的应用领域。
背景技术
铜铝层状复合板，尤其是具有铜/铝/铜“三明治”结构复合板在研究和产业界得到很广泛的关注，其被应用于电子、电力及汽车等领域。铜具有良好的导电导热性，但其价格较高，并且密度较大；铝或铝合金具有轻质且成本较低的特点。铜铝铜复合板以铝层为内部基体，承担主要力学性能，外表铜层起到导电作用，具有轻质、导电导热良好等特点。
层状复合材料，不同于传统板材，其界面结合性能至关重要。在成形过程中，良好的界面结合是基本保障。层状金属复合板加工方法大体可分为三大类：固-固相复合法、液-固相复合法、液-液相复合法。具体方法主要有爆炸焊接、轧制复合、扩散连接、挤压复合、搅拌摩擦焊等，也相继开发了激光覆层、气相沉积、原位自蔓延生长和超塑性连接等新加工技术。其中，轧制复合法，由于成本低、加工工艺简单等特点，是最容易实现大规模工业化生产的方法。迄今为止，全世界80％左右的复合板材采用轧制复合法制备而成。
铜/铝复合板的力学性能在应用过程中也应予以考虑。以输电设备铜包铝复合排为例，在保证核心导电性能的同时，需要提高材料强度和成形极限。选取高强且成形性良好的铝合金基层是一种有效途径。高强变形铝合金品种范围广，如7075铝合金(Al-Zn-Mg-Cu)具有强度高的特点，是一种应用广泛的结构材料。基于其高强特性，如果将7075铝合金作为铜/铝复合板内部基层，对于提高复合板力学性能是一种新的尝试。在Cu/Al/Cu“三明治”结构，中间7075层将提供基体强度，两侧铜表层则起到导电作用。此外，如高强6061铝合金、5083铝合金也有当做内部基层的潜质。
发明内容
本发明的目的是通过选取合适的组员材质，利用单道次大压下温轧及后续退火工艺，获得具有高强特征的铜铝铜复合板。
为实现本发明的目的，提出以下技术方案：
一种高强铜铝铜复合板，其特征在于，所述高强复合板具有“三明治”结构，两侧为纯铜层，内侧为铝合金层；其中，所述铜铝铜复合板通过轧制工艺制备而成。
进一步地，所述铝合金层为7075铝合金、6061铝合金、5083铝合金中的一种。
进一步地，所述纯铜层厚度为0.2～2mm。
进一步地，所述内侧铝合金层厚度为4～10mm。
一种如上所述高强铜铝铜复合板制备工艺，其特征在于：
(1)首先对板材表面进行预处理，之后密封所有接触边缘；
(2)将叠合板材加热至290-310℃，保温15-25min，经单道次大压下控制轧制，压下率为80％，复合板材空冷至室温；
(3)通过后续热处理改善复合板力学性能，退火温度为300℃-500℃，退火时间为2.5-3.5小时，获得所需要的力学性能。
进一步地，板材预处理至关重要，铝合金首先经过固溶处理后水淬。为去除表层氧化膜以及杂质，铝合金板材经由氢氧化钠溶液(10wt％)清洗20分钟，铜板经由盐酸(5wt％)清洗5分钟。之后两种板材接触表面均用直径0.5mm不锈钢钢丝刷打磨，以露出内层新鲜金属。为防止氧化层再次形成，所有铜铝铜“三明治”结构边缘在经过清洗和钢丝刷打磨后，迅速用铝胶带粘贴密封。
进一步地，将密封好铜铝铜板材送至箱式电阻炉中加热到300℃，保温20min。
进一步地，从电阻炉中取出板材，迅速移至二辊轧机进行单道次大压下控制轧制，单道次压下率为80％，轧制速度2m/min或4m/min，轧制后，复合板材空冷至室温。
进一步地，轧制复合之后，典型退火工艺为300～500℃保温3h。为得到不同性能需要的铜铝铜复合板，可以选择不同的退火温度或时间。
本发明的优点在于：通过轧制复合，实现了结合良好的铜铝铜复合板制备，成形工艺简单，生产效率高，复合板强度级别较铜纯铝铜复合板有了显著提高，具有轻质高强的特点，可用于力学性能要求更高的场合。
附图说明
图1是本发明板材预处理过程示意图；
图2是本发明轧制复合及热处理工艺曲线；
图3是本发明制备铜铝铜复合板横截面实物图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例选取材料分别为7075铝合金和纯铜。7075铝合金强度级别高，具有良好的机械性能，其化学成分如表1所示。纯铜则具有良好的导电性，承担复合板主要的导电性能。
表1实施例7075铝合金化学成分(wt％)
元素 Zn Mg Cu Fe Cr Al
含量 5.65 2.67 1.51 0.17 0.20 余量
首先需要对板材表面进行预处理，如图1所示。铝合金板材表层的氧化膜会阻碍轧制复合，降低界面结合强度，因此需要预先除去。首先对铝合金板进行固溶处理以便利于后续轧制，在475℃固溶3小时后水淬，之后用质量分数10％的NaOH溶液清除表层氧化膜，清洗20分钟。纯铜层表层的油脂等杂质则用质量分数5％的HCl溶液清洗。在清洗结束后，分别用直径0.5mm的钢丝刷打磨铜铝铜复合接触表面，以漏出新鲜金属，酒精清洗后迅速将2层铜板与1层7075铝合金板叠合，用铝胶带密封所有边缘。
具体制备工艺包括加热和轧制过程，预处理后叠合板材进行温轧复合。首先将预处理板材加热至300℃保温20分钟，之后设定压下率80％进行单道次轧制，轧制速度设定为2m/min和4m/min，根据轧机实际工作能力，复合板成品厚度约为1.5～4.0mm。
大变形轧制后，材料存在强烈加工硬化。通过后续退火有助于改善材料力学性能，设定退火温度分别为300℃，400℃，500℃，退火时间为3小时(分别对应A300、A400、A500)。不同状态下“三明治”复合板力学性能如表2所示。
表2复合板力学性能
处理状态 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后伸长率/％
轧态 507 540 6.2
A300 128 232 17.5
A400 115 216 11.2
A500 98 196 14.5
本发明的有益效果在于通过单道次大压下轧制复合，实现了界面结合良好的铜铝铜“三明治”结构复合板制备，成形工艺简单，生产效率高，复合板强度级别较铜纯铝铜复合板有了显著提高，并可以通过调控后续热处理工艺来获得所需要的性能。
尽管在此已详细列出并说明了优选实施实例，但是本领域技术人员可知，可以在不脱离本发明精髓的情况下进行各种结构调整和控制参数搭配，这些内容都被认为处于权力要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种高强铜铝铜复合板，其特征在于，所述高强复合板具有“三明治”结构，两侧为纯铜层，内侧为铝合金层；其中，所述铜铝铜复合板通过轧制工艺制备而成；
所述铝合金层为7075铝合金、6061铝合金、5083铝合金中的一种；
所述纯铜层厚度为0.2～2mm；
所述内侧铝合金层厚度为4～10mm；
一种所述高强铜铝铜复合板制备工艺，
(1)首先对板材表面进行预处理，之后密封所有接触边缘；
(2)将叠合板材加热至290-310℃，保温15-25min，经单道次大压下控制轧制，压下率为80％，复合板材空冷至室温；
(3)通过后续热处理改善复合板力学性能，退火温度为300℃-500℃，退火时间为2.5-3.5小时，获得所需要的力学性能。
2.如权利要求1所述高强铜铝铜复合板，其特征在于：板材预处理过程中，铝合金首先经过固溶处理后水淬；为去除表层氧化膜以及杂质，铝合金板材经由10wt％氢氧化钠溶液清洗20分钟，铜板经由5wt％盐酸清洗5分钟；之后两种板材接触表面均用直径0.5mm不锈钢钢丝刷打磨，以露出内层新鲜金属；为防止氧化层再次形成，所有铜铝铜“三明治”结构边缘在经过清洗和钢丝刷打磨后，迅速用铝胶带粘贴密封。
3.如权利要求1所述高强铜铝铜复合板，其特征在于：步骤(2)所述加热将密封好铜铝铜板材送至箱式电阻炉中加热到300℃，保温20min。
4.如权利要求1所述高强铜铝铜复合板，其特征在于：步骤(2)所述控制轧制是从电阻炉中取出板材，迅速移至二辊轧机进行单道次大压下控制轧制，单道次压下率为80％，轧制速度2m/min或4m/min，轧制后，复合板材空冷至室温。
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