CN111618093B - 一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法 - Google Patents

一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法。其技术方案：将待轧制铜材料的打磨面朝上和待轧制铝材料的打磨面朝下整齐叠置，将整齐叠置的双层结构的铜铝叠装材料装进复合轧制导卫系统，采用二辊轧机进行复合轧制，得到铜铝双层结构复合带材。置于真空罩式退火炉中，于565～675℃条件下保温24～36h，在16辊多辊系轧机进行带有前后张力的可逆轧制，经过三道次可逆轧制，制得铜铝双层结构复合薄带。本发明具有工艺简单、生产周期短和制备成本低的特点，所制备的铜铝双层结构复合薄带不仅强度高、韧性好、结合界面强度大、精度高和板形好，且节约铜材达70％以上，效果明显。

Description

一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法
技术领域
本发明属于金属双层结构复合薄带技术领域。具体涉及一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法。
背景技术
我国铜资源相对贫乏，铝资源相对富足，应用于能源及电子通讯领域的铜材在使用过程中主要是表面传输高频电流，使得位于芯部的铜材有奢侈浪费之嫌，而铜铝双层复合材料，既不影响铜材的使用表面，还兼具铜铝两种金属的性能，而且还能大量节约稀缺铜资源，使之应用于其他更需要的地方。因此，铜铝复合材料应用及其制备方法是社会经济飞速发展和科技进步的必然要求，其中低成本、高性能的铜铝复合材料及其制备技术成为本领域技术人员重点关注与研究的对象。
当前制备双层结构金属复合材料的方式主要有爆炸复合，固液连铸复合和轧制复合法，其中以轧制复合法更具有巨大的生产潜力，但是铜铝复合的原料控制及其复合界面结合强度一直是难点。“一种铜/铝复合带及其制备方法”(201510092152.3)专利技术，所制得的铜铝双金属复合材料在节约铜铝原料方面还不足，并度成品的厚度控制亦不足，从而限制了其在精密电子器件领域的使用；“一种轧制极薄层状铜铝复合箔材的制备方法”(201910623010.3)专利技术，制得了极薄层状的铜铝复合箔材，复合时结合界面的形成主要为机械啮合，虽在箔材厚度方面有一定控制，但所得的箔材表面形状和板形以及结合界面强度仍存在不足。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单、生产周期短和制备成本低的铜铝双层结构复合薄带的制备方法，用该方法所制备的铜铝双层结构复合薄带强度高、韧性好、界面结合强度大、精度高、板形好和节约铜材。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：
第一步、铜材料的预处理
先将铜材料在360～480℃和氩气保护气氛中进行均匀化退火，退火时间为2～5h；然后用盐酸溶液进行表面清洗，再用30～50g/L的氢氧化钠溶液进行表面中和处理，热风吹干，得到待轧制铜材料。
所述铜材料：形状为带状，厚度为0.8～1.5mm，宽度为60～100mm，退火后抗拉强度为190～210MPa。
第二步、待轧制铜材和铝材的表面打磨及叠装
将所述待轧制铜材料的一面和待轧制铝材料的一面分别用电动钢丝刷进行表面打磨，打磨待轧制铜材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铜材料的宽度方向呈0～5°夹角，打磨后的待轧制铜材料表面粗糙度为Ra20～60μm；打磨待轧制铝材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铝材料的宽度方向呈180～185°夹角，打磨后的待轧制铝材料表面粗糙度为Ra100～200μm。
将待轧制铜材料的打磨面朝上和待轧制铝材料的打磨面朝下整齐叠置，得到双层结构的铜铝叠装材料，所述整齐叠置是指两个打磨面的宽度中心线重合。
所述待轧制铝材料：形状为薄板状，厚度为3～5mm，宽度为66～110mm。
第三步、铜铝双层结构材料复合轧制
将所述双层结构的铜铝叠装材料装进复合轧制导卫系统，采用二辊轧机进行复合轧制：轧辊直径为180～220mm，轧制力小于600kN，复合轧制的速度为7.5～13m/min；室温条件下进行第一道次轧制，第一道次的轧制压下率为70～80％；再于室温条件下进行第二道次轧制，第二道次的轧制压下率为60～75％；然后在惰性气氛和160～280℃条件下保温0.5～1.5h，室温条件下进行第三道次轧制，第三道次辊缝为临界辊缝，轧制压下率为60～65％，得到厚度为0.12～0.15mm的铜铝双层结构复合带材。
第四步、铜铝双层结构复合带材结合界面扩散处理
将所述铜铝双层结构复合带材置于真空罩式退火炉中，于565～675℃条件下保温24～36h，即得结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材。
第五步、铜铝双层结构复合薄带的轧制
将结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材在16辊多辊系轧机进行带有前后张力的可逆轧制：轧制速度为0.5～1.2mm/s，前张力为0.32～0.45kN，后张力为0.28～0.42kN，轧制压力为210～230kN；工作辊采用锥度辊，工作辊长度为120～160mm，辊身工作部分长度为30～50mm，工作辊辊径为20～35mm，工作辊锥度为2～5°；经过三道次可逆轧制，制得铜铝双层结构复合薄带。
所述铜铝双层结构复合薄带的厚度为0.015～0.03mm，所述铜铝双层结构复合薄带结合界面稳定，板形质量均匀。
所述铜材料为工业用紫铜材，Cu含量为99～99.9wt％。
所述铝材料为工业退火态铝材，Al含量大于99.5wt％，退火态抗拉强度为75～90MPa。
采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用的铜材和铝材均为工业级，叠置前的表面处理采用机械打磨方式，轧薄过程采用具有一定锥度的工作辊在16辊多辊系轧机完成，避免了常规铜铝双层箔材制备方法中所需要用到的累积叠轧工序而造成的材料及能源损耗，制备工艺简单；本发明不需要专用设备，整个轧制工序为三个道次的粗轧和三个道次的精轧，生产周期短，易于实现工业化，能减少设备投入及人工维护成本，制备成本低。
本发明采用氩气保护气氛均匀化退火以及表面中和处理的方法，避免了待复合材料表面污染和氧化，同时通过两道次大压下量的轧制工序，增大了铜铝结合时的塑性变形功而提高了铜铝结合表面的机械啮合水平，并辅助以气氛保护的扩散退火处理结合大压下量的轧制工艺，避免了铜铝大塑性变形结合不稳定而造成的应力开裂，进一步促使复合界面扩散层增大，从而显著提高了铜铝复合界面的结合强度。
本发明采用多道次大压下量的轧制工艺，细化了铜铝基材的微观晶粒大小，提高了铜铝双层结构复合薄带的强度和韧性；本发明采用带有前后张力且具有一定锥度的工作辊在16辊多辊系轧机完成高精密轧薄工序，避免了铜铝双层结构复合带材在轧薄过程中容易出现的断带、中心瓢曲、两边起浪开裂等缺陷，均匀有效地控制了铜铝双层结构复合薄带中铜层和铝层的变形程度以及复合界面结合稳定性，从而使所制备的铜铝双层结构复合薄带兼具铜、铝的优良性能，使制品具有机械啮合水平高、界面结合强度大和强度高韧性好的综合性能，同时精度高和板形好。
本发明采用的铜材和铝材的原始厚度比约为26.6％～30％，铝材宽度略宽于铜材，避免了铜材在轧制复合过程中的损失，使得在同等工艺条件下节约铜材达70％以上。
因此，本发明具有工艺简单、生产周期短和制备成本低的特点，所制备的铜铝双层结构复合薄带不仅强度高、韧性好、结合界面强度大、精度高和板形好，且节约铜材达70％以上，效果明显。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
本具体实施方式中：
所述铜材料为工业用紫铜材，Cu含量为99～99.9wt％。
所述铝材料为工业退火态铝材，Al含量大于99.5wt％，退火态抗拉强度为75～90MPa。
实施例中不再赘述。
实施例1
一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、铜材料的预处理
先将铜材料在360℃和氩气保护气氛中进行均匀化退火，退火时间为2h；然后用盐酸溶液进行表面清洗，再用30g/L的氢氧化钠溶液进行表面中和处理，热风吹干，得到待轧制铜材料。
所述铜材料：形状为带状，厚度为0.8mm，宽度为60mm，退火后抗拉强度为190MPa。
第二步、待轧制铜材和铝材的表面打磨及叠装
将所述待轧制铜材料的一面和待轧制铝材料的一面分别用电动钢丝刷进行表面打磨，打磨待轧制铜材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铜材料的宽度方向呈0°夹角，打磨后的待轧制铜材料表面粗糙度为Ra20μm；打磨待轧制铝材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铝材料的宽度方向呈180°夹角，打磨后的待轧制铝材料表面粗糙度为Ra100μm。
将待轧制铜材料的打磨面朝上和待轧制铝材料的打磨面朝下整齐叠置，得到双层结构的铜铝叠装材料，所述整齐叠置是指两个打磨面的宽度中心线重合。
所述待轧制铝材料：形状为薄板状，厚度为3mm，宽度为66mm。
第三步、铜铝双层结构材料复合轧制
将所述双层结构的铜铝叠装材料装进复合轧制导卫系统，采用二辊轧机进行复合轧制：轧辊直径为180mm，轧制力小于600kN，复合轧制的速度为7.5m/min；室温条件下进行第一道次轧制，第一道次的轧制压下率为80％；再于室温条件下进行第二道次轧制，第二道次的轧制压下率为60％；然后在惰性气氛和160℃条件下保温0.5h，室温条件下进行第三道次轧制，第三道次辊缝为临界辊缝，轧制压下率为60％，得到厚度为0.12mm的铜铝双层结构复合带材。
第四步、铜铝双层结构复合带材结合界面扩散处理
将所述铜铝双层结构复合带材置于真空罩式退火炉中，于565℃条件下保温24h，即得结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材。
第五步、铜铝双层结构复合薄带的轧制
将结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材在16辊多辊系轧机进行带有前后张力的可逆轧制：轧制速度为0.5mm/s，前张力为0.45kN，后张力为0.42kN，轧制压力为230kN；工作辊采用锥度辊，工作辊长度为120mm，辊身工作部分长度为30mm，工作辊辊径为20mm，工作辊锥度为2°；经过三道次可逆轧制，制得铜铝双层结构复合薄带。
所述铜铝双层结构复合薄带的厚度为0.015mm，所述铜铝双层结构复合薄带结合界面稳定，板形质量均匀。
实施例2
一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、铜材料的预处理
先将铜材料在400℃和氩气保护气氛中进行均匀化退火，退火时间为3.5h；然后用盐酸溶液进行表面清洗，再用40g/L的氢氧化钠溶液进行表面中和处理，热风吹干，得到待轧制铜材料。
所述铜材料：形状为带状，厚度为1.2mm，宽度为80mm，退火后抗拉强度为200MPa。
第二步、待轧制铜材和铝材的表面打磨及叠装
将所述待轧制铜材料的一面和待轧制铝材料的一面分别用电动钢丝刷进行表面打磨，打磨待轧制铜材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铜材料的宽度方向呈3°夹角，打磨后的待轧制铜材料表面粗糙度为Ra40μm；打磨待轧制铝材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铝材料的宽度方向呈183°夹角，打磨后的待轧制铝材料表面粗糙度为Ra150μm。
将待轧制铜材料的打磨面朝上和待轧制铝材料的打磨面朝下整齐叠置，得到双层结构的铜铝叠装材料，所述整齐叠置是指两个打磨面的宽度中心线重合。
所述待轧制铝材料：形状为薄板状，厚度为4mm，宽度为88mm。
第三步、铜铝双层结构材料复合轧制
将所述双层结构的铜铝叠装材料装进复合轧制导卫系统，采用二辊轧机进行复合轧制：轧辊直径为200mm，轧制力小于600kN，复合轧制的速度为10m/min；室温条件下进行第一道次轧制，第一道次的轧制压下率为75％；再于室温条件下进行第二道次轧制，第二道次的轧制压下率为70％；然后在惰性气氛和240℃条件下保温1.0h，室温条件下进行第三道次轧制，第三道次辊缝为临界辊缝，轧制压下率为65％，得到厚度为0.14mm的铜铝双层结构复合带材。
第四步、铜铝双层结构复合带材结合界面扩散处理
将所述铜铝双层结构复合带材置于真空罩式退火炉中，于620℃条件下保温30h，即得结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材。
第五步、铜铝双层结构复合薄带的轧制
将结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材在16辊多辊系轧机进行带有前后张力的可逆轧制：轧制速度为0.8mm/s，前张力为0.36kN，后张力为0.33kN，轧制压力为220kN；工作辊采用锥度辊，工作辊长度为140mm，辊身工作部分长度为40mm，工作辊辊径为30mm，工作辊锥度为3.5°；经过三道次可逆轧制，制得铜铝双层结构复合薄带。
所述铜铝双层结构复合薄带的厚度为0.02mm，所述铜铝双层结构复合薄带结合界面稳定，板形质量均匀。
实施例3
一种铜铝双层结构复合薄带及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
第一步、铜材料的预处理
先将铜材料在480℃和氩气保护气氛中进行均匀化退火，退火时间为5h；然后用盐酸溶液进行表面清洗，再用50g/L的氢氧化钠溶液进行表面中和处理，热风吹干，得到待轧制铜材料。
所述铜材料：形状为带状，厚度为1.5mm，宽度为100mm，退火后抗拉强度为210MPa。
第二步、待轧制铜材和铝材的表面打磨及叠装
将所述待轧制铜材料的一面和待轧制铝材料的一面分别用电动钢丝刷进行表面打磨，打磨待轧制铜材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铜材料的宽度方向呈5°夹角，打磨后的待轧制铜材料表面粗糙度为Ra60μm；打磨待轧制铝材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铝材料的宽度方向呈185°夹角，打磨后的待轧制铝材料表面粗糙度为Ra200μm。
将待轧制铜材料的打磨面朝上和待轧制铝材料的打磨面朝下整齐叠置，得到双层结构的铜铝叠装材料，所述整齐叠置是指两个打磨面的宽度中心线重合。
所述待轧制铝材料：形状为薄板状，厚度为5mm，宽度为110mm。
第三步、铜铝双层结构材料复合轧制
将所述双层结构的铜铝叠装材料装进复合轧制导卫系统，采用二辊轧机进行复合轧制：轧辊直径为220mm，轧制力小于600kN，复合轧制的速度为13m/min；室温条件下进行第一道次轧制，第一道次的轧制压下率为73％；再于室温条件下进行第二道次轧制，第二道次的轧制压下率为75％；然后在惰性气氛和280℃条件下保温1.5h，室温条件下进行第三道次轧制，第三道次辊缝为临界辊缝，轧制压下率为65％，得到厚度为0.15mm的铜铝双层结构复合带材。
第四步、铜铝双层结构复合带材结合界面扩散处理
将所述铜铝双层结构复合带材置于真空罩式退火炉中，于675℃条件下保温36h，即得结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材。
第五步、铜铝双层结构复合薄带的轧制
将结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材在16辊多辊系轧机进行带有前后张力的可逆轧制：轧制速度为1.2mm/s，前张力为0.32kN，后张力为0.28kN，轧制压力为210kN；工作辊采用锥度辊，工作辊长度为160mm，辊身工作部分长度为50mm，工作辊辊径为35mm，工作辊锥度为5°；经过三道次可逆轧制，制得铜铝双层结构复合薄带。
所述铜铝双层结构复合薄带的厚度为0.03mm，所述铜铝双层结构复合薄带结合界面稳定，板形质量均匀。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式采用的铜材和铝材均为工业级，叠置前的表面处理采用机械打磨方式，轧薄过程采用具有一定锥度的工作辊在16辊多辊系轧机完成，避免了常规铜铝双层箔材制备方法中所需要用到的累积叠轧工序而造成的材料及能源损耗，制备工艺简单；本具体实施方式不需要专用设备，整个轧制工序为三个道次的粗轧和三个道次的精轧，生产周期短，易于实现工业化，能减少设备投入及人工维护成本，制备成本低。
本具体实施方式采用氩气保护气氛均匀化退火以及表面中和处理的方法，避免了待复合材料表面污染和氧化，同时通过两道次大压下量的轧制工序，增大了铜铝结合时的塑性变形功而提高了铜铝结合表面的机械啮合水平，并辅助以气氛保护的扩散退火处理结合大压下量的轧制工艺，避免了铜铝大塑性变形结合不稳定而造成的应力开裂，进一步促使复合界面扩散层增大，从而显著提高了铜铝复合界面的结合强度。
本具体实施方式采用多道次大压下量的轧制工艺，细化了铜铝基材的微观晶粒大小，提高了铜铝双层结构复合薄带的强度和韧性；本具体实施方式采用带有前后张力且具有一定锥度的工作辊在16辊多辊系轧机完成高精密轧薄工序，避免了铜铝双层结构复合带材在轧薄过程中容易出现的断带、中心瓢曲、两边起浪开裂等缺陷，均匀有效地控制了铜铝双层结构复合薄带中铜层和铝层的变形程度以及复合界面结合稳定性，从而使所制备的铜铝双层结构复合薄带兼具铜、铝的优良性能，使制品具有机械啮合水平高、界面结合强度大和强度高韧性好的综合性能，同时精度高和板形好。
本具体实施方式采用的铜材和铝材的原始厚度比约为26.6％～30％，铝材宽度略宽于铜材，避免了铜材在轧制复合过程中的损失，使得在同等工艺条件下节约铜材达70％以上。
因此，本具体实施方式具有工艺简单、生产周期短和制备成本低的特点，所制备的铜铝双层结构复合薄带不仅强度高、韧性好、结合界面强度大、精度高和板形好，且节约铜材达70％以上，效果明显。

Claims (4)

1.一种铜铝双层结构复合薄带的制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤是：
第一步、铜材料的预处理
先将铜材料在360～480℃和氩气保护气氛中进行均匀化退火，退火时间为2～5h；然后用盐酸溶液进行表面清洗，再用30～50g/L的氢氧化钠溶液进行表面中和处理，热风吹干，得到待轧制铜材料；
所述铜材料：形状为带状，厚度为0.8～1.5mm，宽度为60～100mm，退火后抗拉强度为190～210MPa；
第二步、待轧制铜材和铝材的表面打磨及叠装
将所述待轧制铜材料的一面和待轧制铝材料的一面分别用电动钢丝刷进行表面打磨，打磨待轧制铜材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铜材料的宽度方向呈0～5°夹角，打磨后的待轧制铜材料表面粗糙度为Ra20～60μm；打磨待轧制铝材料表面时，电动钢丝刷的打磨方向与待轧制铝材料的宽度方向呈180～185°夹角，打磨后的待轧制铝材料表面粗糙度为Ra100～200μm；
将待轧制铜材料的打磨面朝上和待轧制铝材料的打磨面朝下整齐叠置，得到双层结构的铜铝叠装材料，所述整齐叠置是指两个打磨面的宽度中心线重合；
所述待轧制铝材料：形状为薄板状，厚度为3～5mm，宽度为66～110mm；
第三步、铜铝双层结构材料复合轧制
将所述双层结构的铜铝叠装材料装进复合轧制导卫系统，采用二辊轧机进行复合轧制：轧辊直径为180～220mm，轧制力小于600kN，复合轧制的速度为7.5～13m/min；室温条件下进行第一道次轧制，第一道次的轧制压下率为70～80％；再于室温条件下进行第二道次轧制，第二道次的轧制压下率为60～75％；然后在惰性气氛和160～280℃条件下保温0.5～1.5h，室温条件下进行第三道次轧制，第三道次辊缝为临界辊缝，轧制压下率为60～65％，得到厚度为0.12～0.15mm的铜铝双层结构复合带材；
第四步、铜铝双层结构复合带材结合界面扩散处理
将所述铜铝双层结构复合带材置于真空罩式退火炉中，于565～675℃条件下保温24～36h，即得结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材；
第五步、铜铝双层结构复合薄带的轧制
将结合界面稳定的铜铝双层结构复合带材在16辊多辊系轧机进行带有前后张力的可逆轧制：轧制速度为0.5～1.2mm/s，前张力为0.32～0.45kN，后张力为0.28～0.42kN，轧制压力为210～230kN；工作辊采用锥度辊，工作辊长度为120～160mm，辊身工作部分长度为30～50mm，工作辊辊径为20～35mm，工作辊锥度为2～5°；经过三道次可逆轧制，制得铜铝双层结构复合薄带；
所述铜铝双层结构复合薄带的厚度为0.015～0.03mm，所述铜铝双层结构复合薄带结合界面稳定，板形质量均匀。
2.根据权利要求1所述铜铝双层结构复合薄带的制备方法，其特征在于所述铜材料为工业用紫铜材，Cu含量为99～99.9wt％。
3.根据权利要求1所述铜铝双层结构复合薄带的制备方法，其特征在于所述铝材料为工业退火态铝材，Al含量大于99.5wt％，退火态抗拉强度为75～90MPa。
4.一种铜铝双层结构复合薄带，其特征在于所述铜铝双层结构复合薄带是根据权利要求1～3项中任一项所述铜铝双层结构复合薄带的制备方法所制备的铜铝双层结构复合薄带。
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