CN110721999B - 一种添加镍栅层的铜铝复合板带及其连续生产方法 - Google Patents

一种添加镍栅层的铜铝复合板带及其连续生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种添加镍栅层的铜铝复合板带及其连续生产方法，该材料特征是：由三层金属组成，两外层分别是铜基材和铝覆材，中间层为电镀在铜基材表面的镍栅层。生产方法为先在铜基材表面电镀上相应厚度的镍栅层；然后将带有镍栅层的铜基材和铝覆材同时放入复合轧机中，通过单道次大变形完成复合；再将复合板带放入在线退火炉内进行热处理，制备得到复合强度高且表面质量优良的铜铝复合板带。本发明所述的产品具有成本低、机械性能好、结合强度高等突出优点，广泛应用于电力电子、汽车及通信等技术领域。

Description

一种添加镍栅层的铜铝复合板带及其连续生产方法
技术领域
本发明属于金属复合制备技术领域，具体涉及一种添加镍栅层的铜铝复合板带及其连续生产方法。
背景技术
科学技术的迅猛发展对电子元器件的要求越来越高，其中至关重要的一点就是在极小的空间内担负大量且逐渐增加的功能，这就要求，电力传输要在界面处良好的运行并且热量要迅速、高效地散发出去。铜铝复合板带材料因具有很好的热稳定性、优异的热沉性能和高电导率并可以为电子封装提供一个单金属的焊接系统等优点，可以增加电路容量并稳定运行，从而获得了广泛的关注与研究，有望在汽车领域和电子元器件封装领域形成巨大的产业。
目前制备铜铝双金属复合板带的研究很多，制备方法也有多种。按照一般双金属复合过程的工艺属性划分，有熔铸复合法、爆炸复合法、焊接复合法、轧制复合法等。但熔铸复合过程中铜和铝容易被氧化，导致界面结合强度低；爆炸复合存在版型差、工艺复杂且成本高的问题；焊接复合则因为铜和铝在物理和化学性质方面的巨大差异而不适合；轧制复合中的热轧复合结合强度好但尺寸精度尤其是局部复合时的定位精度较低；冷轧复合以操作简单、容易自动化、尺寸精确且效率高成为一种最具潜力的大规模生产局部铜铝复合板带的加工方法。
但在铜铝复合板带轧制过程中铜铝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，对复合后的性能影响很大。因此，为了提高铜铝复合板带的界面强度等综合性能，必须对铜铝冷轧复合板带进行热处理。但热处理过程中，铜、铝极易互相扩散反应，在界面处形成CuAl、CuAl2、Cu4Al9等脆性相，这些脆性相会导致复合板带的结合强度降低，从而影响材料的使用性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种添加镍栅层的铜铝复合板带及其连续生产方法，通过引入镍栅层，一方面镍阻挡了铜与铝的直接接触，杜绝了铜铝脆性中间相的形成；另一方面铜与镍可形成铜镍固溶体，增强界面结合强度，最终获得界面结合强度高、性能稳定且使用寿命长的铜铝复合板带材料。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案加以实现：
本发明一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，包括如下步骤：在铜基材表面电镀镍获得一层镍栅层，将含镍栅层的铜基材与铝覆材叠加，然后一起于室温下进行单道次轧制获得铜铝轧制复合板带，轧制过程中，控制变形量为55～70％；然后再将铜铝轧制复合板带进行热处理，即得铜铝复合板带。
在实际操作过程中，将含镍栅层的铜基材与铝覆材叠加时，确保铝覆材放置于铜基材中有镍栅层的部位，铝覆材与镍栅层相接触。
本发明在制备铜铝复合板带时，通过在铜表面电镀一层镍栅层，通过单道次、大变形轧制，最后进行一次低温热处理，即意料之外的获得了结合强度高、机械性能好、便于深冲及弯折加工的铜铝复合板带。
本发明所提供的为工业化的连续生产方法，在本发明的实际操作过程中，在铜基材表面电镀镍采用在线连续电镀，具有操作简单，工艺稳定可控的特点，若在铝覆材表面电镀镍，则不利于操作，且所得镀镍铝带抗折性能差，影响后续加工。
在实际操作过程中，根据成品要求选取尺寸符合要求的铜板和铝带。
优选的方案，所述铜基材的厚度为4～6mm、宽度为40～80mm，所述铝覆材的厚度为0.3～0.5mm、宽度为8～20mm。
优选的方案，所述镍栅层的厚度为1～4μm。
在本发明中，镍栅层的厚度对材料的性能具有一定的影响，控制在本发明的范围内，可以确保加工工艺的顺利进行并且取得优异的复合效果，而若所电镀的镍栅层过厚，将会使得镀层容易剥落，若镍栅层过薄则会在复合轧制过程中破碎严重，无法在铜铝复合界面保持完整的过渡层。
在电镀前，先将铜板进行除油，除氧化层、清洗、干燥，然后在铜板表面非复合区域贴上专用非粘性保护膜进行保护。
优选的方案，所述电镀镍时，电镀液为包含如下成份的水溶液：硫酸镍260～300g/L，氯化镍35～45g/L，硼酸40～50g/L。
优选的方案，所述电镀镍时，其工艺参数为：电镀温度为50～60℃；电镀pH为4～5；电流密度为2～6A/dm2；电镀时间为3～5min。在上述工艺参数下可以将镍栅层的厚度控制为所需的范围内。
在轧制前，用酒精对电镀有镍栅层的铜基材和铝覆材进行清洗，并用冷风吹干备用；将经过清洗、干燥后的铜基材和铝覆材一起放入四辊轧机中进行轧制复合。
优选的方案，所述轧制过程中，轧制速度为1～4m/min。
进一步的优选，所述轧制过程中，轧制速度为1.2～3.5m/min。
在发明中，采用单道次、大变形轧制，使得工艺大幅简化，使得连续生产简单便捷，在轧制过程中不能加轧制油润滑冷却，采用上述轧制速度，有效的避免了复合材料及轧辊过热，保证了复合效果以及轧制工艺的顺利进行。而如果轧制速度过快会造成材料及轧辊发热严重，进而铝会在轧制过程中粘附在轧辊表面，影响复合效果与轧制过程。
优选的方案，所述热处理在保护气氛下进行，所述保温气氛为氮气与氢气的混合气体。即在本发明中，热处理为在氮气与氢气混合气体保护的在线退火炉内完成的在线热处理。
优选的方案，所述热处理温度为450℃～540℃、处理时间为2～5min。
作为进一步的优选，所述热处理温度为450℃～480℃、处理时间为3～4min。
在本明中，热处理可以起到两方面的作用，①退火软化铜铝材料，消除复合轧制过程中产生的内应力；②促进铜、镍、铝之间的扩散，使之形成冶金结合，增加结合强度。由于本发明采用的是连续生产工艺方法，采用短时间在线热处理的方式，因而需保证热处理温度在本发明范围内，否则若热处理温度过低，则无法达到上述两种目的。
本发明还提供所述的制备方法制得的铜铝复合板带，所得添加镍栅层的铜铝复合板带，由三层金属组成，两外层分别为铜基材和铝覆材，中间层为电镀在铜基材表面的镍栅层。
本发明所得铜铝复合板带，通过弯折实验对成品结合强度进行检测，用扫描电子显微镜对结合界面进行显微组织分析；经检测，产品经3～5次90℃弯折后无界面开裂、覆铝层起皮、破裂等现象，结合良好；结合界面有1.5～2.4μm的扩散层，但无铜铝脆性相产生。
有益效果：
本发明生产的铜铝复合板带结合强度高、机械性能好，便于深冲及弯折加工，使用范围及其广泛。通过引入镍栅层，改善了铜铝复合板带结合界面组织，阻止了Al2Cu、CuAl等铜铝脆性中间相的生成，取而代之的是AlNi和Ni-Cu固溶体扩散层，使得铜铝界面结合强度高。制备所得的铜铝复合板带材料铜铝结合优良，在具有铜基材高导热、高导电等优良性能的基础上，可为铝焊接提供广阔的同质焊接工区，广泛应用于电子、汽车、通信等技术领域。其优点在于：
1、本发明所述的一种添加镍栅层的铜铝复合板带界面结合强度高，在后续冲压、折弯等加工过程中不开裂，铝层不分离、破裂；
2、本发明所提供的是一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，相对于现有技术，加工及热处理过程均大幅简化，即仅通过单道次、大变形轧制，进行一次低温热处理，即获得了结合强度高、机械性能好、便于深冲及弯折加工的铜铝复合板带，因而操作简单、成本低、便于批量化大规模的工业化连续生产。
附图说明
图1为本发明的添加镍栅层的铜铝复合板带的制备流程图；
图2为本发明中添加镍栅层的铜铝复合板复合轧制前复合部分局部示意图；
图3为实施例1制得的添加镍栅层的铜铝复合板带的界面显微组织照片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
实施例1：制备厚度为1.2mm的添加镍栅层的铜铝复合板带
1、原料：选取厚度为4mm、宽度为50mm的铜板为铜基材原料；厚度为0.5mm、宽度为10mm的铝带为铝覆材原料；
2、电镀镍栅层：
①用10％的氢氧化钠溶液洗去铜板表面的油污，冲洗至中性；
②在10％的稀硝酸溶液中浸泡20s，去除铜板表面的氧化层，冲洗至中性；
③用酒精进行冲洗，并用冷风吹干备用；
④在铜板表面非复合区域贴上专用非粘性保护膜进行保护；
⑤将铜板作为阴极放入电镀槽内，电镀液配方为：280g/L硫酸镍，40g/L氯化镍，45g/L硼酸；pH保持在4.0～4.5，电镀温度设定为55℃，电流密度设定为4A/dm2，电镀时间为5min；在铜板表面获得厚度为3.6μm的镍栅层；
⑥电镀完成后，从镀液中取出电镀好的铜板，去掉保护膜并用酒精清洗、冷风吹干备用。
3、复合轧制：将电镀有镍栅层的铜基材与洁净处理的铝覆材一起放入四辊轧机中进行轧制复合，其中铝覆材放置在电镀有镍栅层的部位；轧制单道次绝对变形量为2.8mm，轧制速度为1.2m/min，轧制温度为室温。
4、在线热处理：对复合轧制后的铜铝复合板带进行在线热处理，炉内由氮气与氢气的混合气体保护，热处理温度为480℃，热处理时间为4min。
本发明实施例1所得铜铝复合板带，用扫描电子显微镜对结合界面进行显微组织分析；可以看到，结合界面有1.5～2.4μm的扩散层，但无铜铝脆性相产生。通过弯折实验对成品结合强度进行检测，经检测，产品经5次90℃弯折后无界面开裂、覆铝层起皮、破裂等现象，结合良好。
制备所得的铜铝复合板带材料中铜、铝两种金属材料结合成为不可分割的整体，其中镍栅层改善了铜、铝之间的结合界面，从而使复合材料获得较高的复合强度，可以像加工单一金属那样进行折弯、钻孔、冲压等深加工，完全满足不同产品的加工需求。
实施例2：制备厚度为0.8mm的添加镍栅层的铜铝复合板带
1、原料：选取厚度为2.4mm、宽度为50mm的铜板为铜基材原料；厚度为0.4mm、宽度为15mm的铝带为铝覆材原料；
2、电镀镍栅层：
①用10％的氢氧化钠溶液洗去铜板表面的油污，冲洗至中性；
②在10％的稀硝酸溶液中浸泡20s，去除铜板表面的氧化层，冲洗至中性；
③用酒精进行冲洗，并用冷风吹干备用；
④在铜板表面非复合区域贴上专用非粘性保护膜进行保护；
⑤将铜板作为阴极放入电镀槽内，电镀液配方为：280g/L硫酸镍，40g/L氯化镍，45g/L硼酸；pH保持在4.0～4.5，电镀温度设定为55℃，电流密度设定为4A/dm2，电镀时间为3min；在铜板表面获得厚度为2.2μm的镍栅层；
⑥电镀完成后，从镀液中取出电镀好的铜板，去掉保护膜并用酒精清洗、冷风吹干备用。
3、复合轧制：将电镀有镍栅层的铜基材与洁净处理的铝覆材一起放入四辊轧机中进行轧制复合，其中铝覆材放置在电镀有镍栅层的部位；轧制单道次绝对变形量为1.6mm，轧制速度为2.0m/min，轧制温度为室温。
4、在线热处理：对复合轧制后的铜铝复合板带进行在线热处理，炉内由氮气与氢气的混合气体保护，热处理温度为450℃，热处理时间为3min。
本发明实施例2所得铜铝复合板带，宏观表面结合良好，热处理后覆铝位置无起皮、起泡等异常；用扫描电子显微镜对结合结合界面进行显微组织分析，可以观察到厚度为1.5～2.4μm且平滑的界面扩散层；经5次90度弯折实验，铜铝界面不开裂，覆铝层无起皮、破裂等现象。
制备所得的铜铝复合板带材料中铜、铝两种金属材料结合成为不可分割的整体，其中镍栅层改善了铜、铝之间的结合界面，从而使复合材料获得较高的复合强度，可以像加工单一金属那样进行折弯、钻孔、冲压等深加工，完全满足不同产品的加工需求。
实施例3：制备厚度为0.5mm的添加镍栅层的铜铝复合板带
1、原料：选取厚度为2mm、宽度为50mm的铜板为铜基材原料；厚度为0.3mm、宽度为10mm的铝带为铝覆材原料；
2、电镀镍栅层：
①用10％的氢氧化钠溶液洗去铜板表面的油污，冲洗至中性；
②在10％的稀硝酸溶液中浸泡20s，去除铜板表面的氧化层，冲洗至中性；
③用酒精进行冲洗，并用冷风吹干备用；
④在铜板表面非复合区域贴上专用非粘性保护膜进行保护；
⑤将铜板作为阴极放入电镀槽内，电镀液配方为：280g/L硫酸镍，40g/L氯化镍，45g/L硼酸；pH保持在4.0～4.5，电镀温度设定为55℃，电流密度设定为4A/dm2，电镀时间为3min；在铜板表面获得厚度为2.2μm的镍栅层；
⑥电镀完成后，从镀液中取出电镀好的铜板，去掉保护膜并用酒精清洗、冷风吹干备用。
3、复合轧制：将电镀有镍栅层的铜基材与洁净处理的铝覆材一起放入四辊轧机中进行轧制复合，其中铝覆材放置在电镀有镍栅层的部位；轧制单道次绝对变形量为1.5mm，轧制速度为3.5m/min，轧制温度为室温。
4、在线热处理：对复合轧制后的铜铝复合板带进行在线热处理，炉内由氮气与氢气的混合气体保护，热处理温度为450℃，热处理时间为2min。
本发明实施例3所得铜铝复合板带，宏观表面结合良好，热处理后覆铝位置无起皮、起泡等异常；用扫描电子显微镜对结合界面进行显微组织分析，可以观察到厚度为1.5～2.4μm且平滑的界面扩散层；经5次90度弯折实验，铜铝界面不开裂，覆铝层无起皮、破裂等现象。
制备所得的铜铝复合板带材料中铜、铝两种金属材料结合成为不可分割的整体，其中镍栅层改善了铜、铝之间的结合界面，从而使复合材料获得较高的复合强度，可以像加工单一金属那样进行折弯、钻孔、冲压等深加工，完全满足不同产品的加工需求。
可以看出，上述三个实施例中，界面扩散层的厚度均为1.5～2.4μm，这是由于，扩散层厚度由复合轧制时的绝对变形量、热处理时的温度和时间共同决定，而本发明工艺简单可控，工艺在本发明的范围内，可确保获得一致厚度的扩散层，以确保材料的优异性能以及性能的稳定性。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅是在铜板上表面先覆盖一层镍箔，之后与铝覆材进行复合轧制，因镍箔厚度通常在0.01～0.02mm，且表面有一层致密的镍的氧化物，在其他复合条件不变的情况下会造成铜铝无法实现复合。
对比例2
其他条件与实施例1相同，不加镍层，相接复合。所得复合材料在热处理过程中，铜铝扩散加剧，界面扩散层厚度会大于6μm，形成明显的铜铝脆性中间相(Al2Cu)，使得材料弯折、冲压时从界面结合处开裂、剥落。
对比例3
其他条件与实施例3相同，仅是轧制速度为6m/min，在复合轧制过程中带材发热严重，轧机轧辊温度为超过200℃，造成覆铝层粘着在轧辊上，严重时会造成覆铝层破损、粘着铝层反复压入后咬入部分表面，无法得到表面质量良好、满足使用要求的材料。
对比例4
其他条件与实施例2相同，仅是热处理温度为400℃，10min以内的在线热处理都无法使得轧制复合得到的铜铝复合带在界面处形成冶金结合，严重时复合材料界面处仍残留有复合轧制时引入的应力，制备得到的材料界面结合强度差，宏观表现在折弯时会出现覆铝带整体剥落。

Claims (8)

1.一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，其特征在于：包括如下步骤，在铜基材表面电镀镍获得一层镍栅层，将含镍栅层的铜基材与铝覆材叠加，然后一起于室温下进行单道次轧制获得铜铝轧制复合板带，轧制过程中，控制变形量为55～70％；然后再将铜铝轧制复合板带进行热处理，即得铜铝复合板带；所述轧制过程中，轧制速度为1～4m/min；所述热处理温度为450℃～540℃、处理时间为2～5min。
2.根据权利要求1所述的一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，其特征在于：所述铜基材的厚度为4～6mm、宽度为40～80mm，所述铝覆材的厚度为0.3～0.5mm、宽度为8～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，其特征在于：所述镍栅层的厚度为1～4μm。
4.根据权利要求1或3所述的一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，其特征在于：所述电镀镍时，电镀液为包含如下成份的水溶液：硫酸镍260～300g/L，氯化镍35～45g/L，硼酸40～50g/L。
5.根据权利要求1或3所述的一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，其特征在于：所述电镀镍时，其工艺参数为：电镀温度为50～60℃；电镀pH为4～5；电流密度为2～6A/dm2；电镀时间为3～5min。
6.根据权利要求1所述的一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，其特征在于：所述轧制过程中，轧制速度为1.2～3.5m/min。
7.根据权利要求1所述的一种添加镍栅层的铜铝复合板带的连续生产方法，其特征在于：所述热处理在保护气氛下进行，所述保护气氛为氮气与氢气的混合气体。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的连续生产方法所生产的铜铝复合板带，其特征在于：所得铜铝复合板带，由三层金属组成，两外层分别为铜基材和铝覆材，中间层为电镀在铜基材表面的镍栅层。
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