CN114347586A - 一种铜-铜复合带材、制备方法以及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜‑铜复合带材，其特征在于：包括第一铜材料层和第二铜材料层，所述第一铜材料层的铜含量为99wt％以上，所述第二铜材料层为高强度铜合金中的任意一种，该高强度铜合金的屈服强度为600MPa以上。本发明将高纯铜与高强度铜合金材料复合，一方面保留了高纯铜的高导电性，另一方面又结合了高强度铜合金的强度及耐磨性，使其适合用于大电流传输工况中。
Description
技术领域
本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种铜-铜复合带材、制备方法以及应用有该铜-铜复合带材的端子材料。
背景技术
随着电子设备向小型化及高度集成化方向发展，基于终端客户设计需求，未来Type-C端子用铜合金带材不仅要求具备高强度，同时，还要具备高导电(80％IACS以上)以及较好的耐摩擦磨损性以满足大电流传输和耐磨的工况使用环境。
现有合金体系中，纯铜虽然具有较高的导电，导电率100％IACS，但强度较低，屈服强度仅250MPa左右，且耐磨性差；铜镍硅合金虽然具有较高的强度，屈服强度最高可达800MPa上，但导电相对较低，最高仅60％IACS。综上，目前单一铜合金材料无法满足以上性能指标，为了获得优异的综合性能，高性能层状金属复合材料越来越受到本领域国内外同行的关注，并在航空航天、汽车轻量化等领域具有广阔的应用前景。其中，铜钢复合带便是一个典型的复合材料的代表，但因其导电率较低、因此不适合用于大电流传输的工况环境中。
为了获得屈服强度450MPa以上，抗剪切强度550MPa以上，导电率80％IACS以上，同时具有优异的折弯及耐磨性能的铜合金带材，填补这一性能合金在市场上的空白，本发明采用铜含量为99wt％以上的铜材料与高强度铜合金材料进行复合，获得了一款高强度、高导电以及耐摩擦磨损等综合性能优异的铜合金。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高强度、高导电以及耐摩擦磨损等综合性能优异的铜-铜复合带材。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铜-铜复合带材，其特征在于：包括第一铜材料层和第二铜材料层，所述第一铜材料层的铜含量为99wt％以上，所述第二铜材料层为高强度铜合金中的任意一种，该高强度铜合金的屈服强度为600MPa以上。
作为优选，所述第一铜材料层的厚度T1为0.1～1mm，所述第二铜材料层的厚度T2为0.01～0.5mm，并且T1与T2满足公式1≤T1/T2≤20。
本发明的目的在于提供一种相比于纯铜具有更好的强度、相比于高强度铜合金具有更高的导电，具体要求为复合带材的屈服强度为450MPa以上，抗剪切强度为550MPa以上，导电性需为80％IACS以上，硬度200HV以上，垂直于轧制方向上的90°折弯R/t≤1不开裂，而第一铜材料层与第二铜材料层的厚度控制对于合金综合性能的实现较为关键，当第一铜材料层的厚度T1为0.1～1mm，第二铜材料层的厚度T2为0.01～0.5mm，并且T1与T2满足公式1≤T1/T2≤20时两层铜带间可以实现最佳的冶金结合，在确保第一铜层的导电性及第二铜层的高强度发挥最大效果的同时双层复合铜带的耐磨与折弯性可以得到显著的提高和改善，若两层铜合金带材仅满足厚度控制要求但不满足关系式时，无法获得所需的强度、导电、耐磨及折弯性能。
作为优选，所述第二铜材料层的平均晶粒尺寸为10μm以下，并且晶粒的长轴x与短轴y满足公式：1≤x/y≤3，所述第二铜材料层为析出强化型铜合金，析出相的平均大小为100nm以下，每mm2析出相数量的最大值N1与最小值N2满足公式：1≤N1/N2≤1.3。
析出相颗粒尺寸的大小和分布与合金性能的体现有着密不可分的关系。析出强化型铜合金的晶粒尺寸越细小均匀，析出相分布越细小弥散，合金的强度、导电及力学性能越出色。第二铜材料层中析出相的控制，析出相均匀弥散分布时可保证合金在具有高导电的同时具有较高的强度、硬度、耐磨性及优异的折弯性能。同时第二层铜材料的微观组织分布在一定程度上也反应了铜-铜复合带的结合性，析出相的分布越细小弥散越有利于双层铜带的复合，二者的结合性也就越好，因此，为确保该复合铜带具有较好的结合性同时可以实现整体的性能目标，需使得复合带材的第二铜材料层满足上述微观组织特征。
作为优选，该铜-铜复合带材表面有镀层，所述镀层为选自镀镍、镀银、镀锡中的至少一种。
随着电子部件的高电流及高电压化，当端子部件工作时峰值电流很大，甚至达到数千安培，为保证高电流下端子材料正常工作，提高合金的耐热性及耐磨性，降低接触电阻、减小插入阻力，可对材料表面进行施镀处理。该镀层可以使材料表面具有更高的硬度及耐热性，延长材料的使用寿命。铜-铜复合带材在进行镀层处理前表面粗糙度Ra为2μm以下，更有利于镀层的均匀。
作为优选，所述铜-铜复合带材的残余应力为30MPa以下，侧边弯曲度为5mm/m以下。
复合带材需经过冷轧、退火处理，在此过程中往往会产生侧边弯曲，特别是在固溶过程中合金处于软化状态，带材厚度较薄，尺寸精度较高，固溶后容易造成热应力及组织转变应力分布不均匀，残余应力较大，引起带材曲翘变形，最终会影响到下游客户的再加工及产品的使用。因此，对带材的侧边弯曲度及残余应力进行控制，提高材料的平整度，特别是满足端子材料对高平整度的使用要求。
作为优选，该铜-铜复合带材的屈服强度为450MPa以上，抗剪切强度为550MPa以上，导电率为80％IACS以上，垂直于轧制方向上的90°折弯R/t≤1不开裂，硬度可达200HV以上。本发明选用抗剪切强度作为合金强度性能指标的原因有以下两点，一是抗剪切强度不仅反映了复合带材整体的强度性能，另一方面也代表了复合铜带结合性能的好坏。抗剪切强度越高，复合铜带的强度越高，铜带间的结合性能越好，另外，本发明选用硬度表征合金的耐磨性，硬度越高，耐磨性越好。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种铜-铜复合带材的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铜-铜复合带材的制备方法，其特征在于，包括以下工艺流程：第一铜材料板带和第二铜材料板带表面处理→第一铜材料板带和第二铜材料板带层叠在一起→一次冷轧→一次热处理→二次冷轧→二次热处理→冷精轧→拉弯矫直；所述一次冷轧采用单道次轧制，轧制速度为0.5～5.0m/min，变形量为60％以上；所述一次热处理的温度为850～1000℃，升温速度为20～60℃/s，保温时间为5～300s，之后以180℃/s以上的速度进行冷却。
作为优选，所述二次冷轧的变形量为10～30％，轧制速度为60～120m/min。
作为优选，所述冷精轧至少采用三道次，单道次变形量不超过5％，总变形量为10～20％，工作辊的粗糙度为0.5μm以下。
第一铜材料板带和第二铜材料板带表面处理：由于原材料的表面质量会直接影响到材料的结合性，因此，须对材料表面的平整度、粗糙度及清洁度进行控制。对第一铜材料带材及第二铜材料带材分别进行酸洗，去除表面油污和氧化层，之后将两层铜带的相对接触面用刷辊刷洗表面，做进一步粗糙化处理，获得粗糙的无污染的金属表面，将第一铜材料带材及第二铜材料带材相对的接触面粗糙度Ra控制在0.5～5mm，提高两层铜带复合时的真实结合面积，提高复合铜带的结合强度，当接触面粗糙度不在此范围时无法获得更加有效的结合面积，对双层铜带的结合造成不利影响。
一次冷轧：将第一铜材料板带和第二铜材料板带层叠在一起，在轧机下进行一次冷轧，轧制速度为0.5～5.0m/min，变形量为60％以上。采用单道次大变形冷轧复合，在两层铜带间形成足够的机械咬合，从而实现较好的界面结合性能。采用大变形冷轧复合制备的合金晶粒细化效果明显，同时组织内部含有大量高密度位错、位错胞和亚结构，细晶强化和位错强化相结合使得铜-铜复合带材的强度明显提高。
一次热处理：一次热处理的目的在于调控合金组织，实现组织的超细晶化，进而使得材料具有良好的综合力学性能。此条件下的热处理会使合金组织形成过饱和固溶体，为后续大量的纳米级析出相的析出及均匀分布提供动力，使得合金的屈服强度、导电、硬度等得到充分提高，如果后续的析出相中有耐高温相存在，由于耐高温析出相可在较高温度下保温时仍能保持较小的晶粒尺寸，因此合金的耐高温性能也会得到明显提升。由于一次热处理之后避免了大尺寸析出相的出现，有效改善了合金的折弯性并同时可以保证复合带材的结合性能。同时该条件下的热处理可使两层铜带的原子间发生充分的扩散及冶金结合，有利于双层铜带结合性的提高。另外，由于热处理的过程伴随着应力释放，残余应力会显著降低，带材的侧边弯曲度减小，合金的平整度提高。热处理的温度不宜过高、时间不宜过长，若温度低于850℃、保温时间低于5s，冷却速率低于180℃/s，则材料固溶不完全，会影响后续析出相的析出，合金性能得不到足够的强化提高，若温度高于1000℃、时间多于300s，则可能会使第一铜材料层的晶粒组织产生过热或过烧的现象，对复合带材的强度及导电造成不利影响，升温速度低于20℃/s时，合金的晶粒将会粗化；而升温速度大于60℃/s时，织构的发展不充分，不利于折弯性的提高。因此，一次热处理温度控制在850～1000℃，时间控制在5～300s，升温速度控制在20～60℃/s，冷却速率控制在180℃/s以上。
二次冷轧：将上述热处理后的铜-铜复合带材进行二次冷轧处理，轧制加工率为10～30％，轧制速度为60～120m/min。一次热处理后以加工率10～30％，轧制速度为60～120m/min的条件进行二次冷轧，可进一步促使双层铜带相对接触面的原子紧密排列，提高扩散结合力度，同时可以为析出相的析出提供更多的能量和通道，另外还可以使得复合带材内部的应力重新分配，降低残余应力，减小应力集中，抑制侧边弯曲的发生，提高带材的表面粗糙度。当二次冷轧量低于10％时，将会导致析出相析出不充分，组织内应力释放不均匀，最终导致产品强度较低，带材不平整度增加，而当二次冷轧量高于30％时，会使得带材组织中的织构发生转变，进而导致合金折弯性降低。
二次热处理：将二次冷轧后的复合带材进行二次热处理，温度为350℃～450℃，保温时间为6h～12h。二次热处理的作用是使溶质原子从过饱和固溶体析出，形成均匀弥散分布的纳米级析出相，确保本发明复合带材的强度、导电及折弯等性能达到目标要求。二次热处理温度低于350℃，时间少于6h时，溶质原子扩散速度较慢且没有足够的时间进行扩散，无法从过饱和固溶体中析出足够的析出相数量并均匀分布；时效温度高于450℃时，保温时间超过12h时，析出相颗粒会发生长大，颗粒数量减少，不利于力学性能的提高。另外，此条件下进行二次热处理，由于合金组织均匀细小分布，有利于进一步提高铜-铜复合带材的结合强度，还可以获得均匀一致且光亮度较好的带材表面，从而为后续的电镀创造了条件。
冷精轧：对二次热处理后的复合铜带使用粗糙度为0.5μm以下的工作辊进行冷精轧处理，轧制道次3道次以上，单道次冷轧变形量不超过5％，总变形控制在10～20％。采用0.5μm以下的工作辊进行多道次冷精轧的目的在于使得带材的应力均匀分布，将成品带材的残余应力控制在30MPa以内，提高带材的平整度，有效抑制侧边弯曲的发生，同时将复合带材的表面粗糙度Ra控制在2μm以内；小变形的冷轧处理有利于析出相的重新分布，使得复合铜带的结合性能、强度、导电、折弯、耐应力松弛性进一步提高，侧边弯曲度降低。当轧制率低于10％，加工硬化效果以及析出相在切应力作用下重新分布的效果较差，合金综合性能强化不明显，而当轧制率大于20％时，过大的冷变形量使合金变形过程中在硬质析出相处产生裂纹等缺陷，割裂合金组织且迫使大角度晶界增加同时位错密度降低，会出现加工软化的结果，进而使合金的强度降低。因此，冷精轧总变形控制在10～20％，得到的铜-铜复合带材的表面粗糙度Ra为2μm以下。
二次冷轧、二次热处理可反复多次进行，直至带材厚度达到所需要求，但冷精轧必须采用多道次轧制且以较小的加工变形率进行。
拉弯矫直：对冷精轧后的复合带材采用拉矫机组进行拉直校平。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种铜-铜复合带材的应用。
本发明解决第三个技术问题所采用的技术方案为：一种铜-铜复合带材的应用，其特征在于：该铜-铜复合带材应用于电子接插件。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明将高纯铜与高强度铜合金材料复合，一方面保留了高纯铜的高导电性，另一方面又结合了高强度铜合金的强度及耐磨性，使其适合用于大电流传输工况中。
(2)本发明铜-铜复合带材的残余应力为30MPa以下，侧边弯曲度为5mm/m以下，屈服强度450MPa以上，抗剪切强度为550MPa以上，导电率为80％IACS以上，垂直于轧制方向上的90°折弯R/t≤1不开裂，硬度可达200HV以上，耐磨性优异，150℃下保温1000h耐应力松弛率相较于C11000紫铜提高了30％以上。
(3)本发明铜-铜复合带材可用于电子接插件领域。
附图说明
图1为本发明铜-铜复合带材截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供3个实施例和2个对比例，实施例采用本发明制备方法进行制备，各实施例的第一铜材料层和第二铜材料层的具体成分见表1，2个对比例的具体成分见表1。
实施例的制备工艺流程：第一铜材料板带和第二铜材料板带表面处理→第一铜材料板带和第二铜材料板带层叠在一起→一次冷轧→一次热处理→二次冷轧→二次热处理→冷精轧→拉弯矫直；
实施例1
第一铜材料板带和第二铜材料板带表面处理：选取1.82mm厚度的C11000紫铜与0.6mm厚度的C70318铜材进行表面处理，酸洗去除表面油污和氧化层，之后对两层铜带的相对接触面刷辊刷洗，获得粗糙无污染的金属表面，C11000和C70318相对接触面的粗糙度Ra控制在0.5～5mm。
第一铜材料板带和第二铜材料板带层叠在一起。
一次冷轧：采用单道次轧制，轧制速度为3.0m/min，变形量为70％，得到0.66mm厚的复合铜带；
一次热处理：将上述复合带材在氩气保护氛围下进行一次热处理，温度为950℃，升温速度30℃/s，保温时间为200s，冷却速度190℃/s。
二次冷轧：以变形量为20％，轧制速度为100m/min的条件进行二次冷轧处理，得到0.4mm厚的复合铜带。
二次热处理：在420℃下保温，保温时间为8h，获得组织均匀且光亮度较好的复合铜带。
冷精轧：单道次变形量为5％，轧制道次3道次，工作辊的粗糙度为0.5μm以下，得到最终厚度为0.32mm的复合铜带。
拉弯矫直：进行拉弯矫直处理，获得成品复合铜带。
实施例2
第一铜材料板带和第二铜材料板带表面处理：选取1.36mm厚度的C11000紫铜与0.2mm厚度的C19000铜材进行表面处理，酸洗去除表面油污和氧化层，之后对两层铜带的相对接触面进行刷辊刷洗，获得粗糙无污染的金属表面，C11000和C19000相对接触面的表面粗糙度Ra控制在0.5～5mm。
第一铜材料板带和第二铜材料板带层叠在一起。
一次冷轧：采用单道次轧制，轧制速度为1.0m/min，变形量为65％，得到0.46mm厚的复合铜带；
一次热处理：将上述复合带材进行一次热处理，温度为860℃，升温速度20℃/s，保温时间为10s，冷却速度210℃/s。
二次冷轧：以变形量为10％，轧制速度为80m/min的条件进行二次冷轧处理，得到0.4mm厚的复合铜带。
二次热处理：在350℃下保温，保温时间为6h。
三次冷轧：以变形量为15％，轧制速度为100m/min的条件进行二次冷轧处理，得到0.3mm厚的复合铜带。
三次热处理：在420℃下保温，保温时间为10h。
冷精轧：单道次变形量为4％，轧制道次5道次，工作辊的粗糙度为0.5μm以下，得到最终厚度为0.22mm的复合铜带。
拉弯矫直：进行拉弯矫直处理，获得成品复合铜带。
实施例3
第一铜材料板带和第二铜材料板带表面处理：选取6.8mm厚度的C11000紫铜与0.6mm厚度的C18160铜材进行表面处理，酸洗去除表面油污和氧化层，之后对两层铜带的相对接触表面进行刷辊刷洗，获得粗糙无污染的金属表面，将C11000和C18160相对接触面粗糙度Ra控制在0.5～5mm。
第一铜材料板带和第二铜材料板带层叠在一起。
一次冷轧：采用单道次轧制，轧制速度为5.0m/min，变形量为85％，得到0.95mm厚的复合铜带；
一次热处理：将上述复合带材在氩气保护氛围下进行一次热处理，温度为950℃，升温速度60℃/s，保温时间为100s，冷却速度230℃/s。
二次冷轧：以变形量为25％，轧制速度为60m/min的条件进行二次冷轧处理，得到0.65mm厚的复合铜带。
二次热处理：在450℃下保温，保温时间为7h。
冷精轧：单道次变形量为5％，轧制道次4道次，工作辊的粗糙度为0.5μm以下，得到最终厚度为0.5mm的复合铜带。
拉弯矫直：进行拉弯矫直处理，获得成品复合铜带。
对于得到的实施例进行特性评价。
室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。
导电率测试按照《GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品宽度为20mm，长度为500mm。
折弯性采用《JCBA T307-2007 Test method of bend formability for sheetsand strips of copper and copper alloys》检测，测试带材的宽度为10mm。
测试析出物大小时在扫描电镜以及透射电镜下观察样品的组织，根据观察结果计算合金析出的金属间化合物的平均粒径，并分别计算其数量密度。
耐应力松弛性能采用如下方法测定：将铜合金带材沿轧制方向取样，样品为10mm宽的长条样，随后将长条样一端固定在试验夹具上，在另一端施加一个应力使长条样弯曲形成悬臂梁，悬臂梁上的应力可以采用如下公式计算：6Etδ/L2，其中E为铜合金带材的杨氏弹性模量，t为带材的厚度，δ为挠度，L为悬臂梁长度，可以通过改变挠度、固定其它参数来改变加载的应力值大小。常用的测试应力为80％屈服强度，在150℃的烘箱中保温1000h后撤除加载的应力，此时悬臂梁会发生永久弯曲，弯曲的高度除以初始挠度为应力松弛率，用百分比表示。(100％﹣应力松弛率)即为材料的耐应力松弛率，用百分比表示。记紫铜的耐应力松弛率为H1，本发明铜-铜复合带的耐应力松弛率为H2，则(H2-H1)/H1*100％为本发明合金耐应力松弛提高率。
侧边弯曲度测试方法为：取长度大于1000mm的带材，平直摆放在检验平台上，将1000mm长度直尺平靠在带材侧面，用另一直尺测量带材侧面与直尺侧面的最大距离。
平均晶粒尺寸按照《YS/T 347-2004铜及铜合金平均晶粒度测定方法》的测试方法进行测定。
维氏硬度测试按照《GB-T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》进行。
采用《ASTM E1426-2014 Standard Test Method for Determing the X-RayElastic Constants for Use in the Measurement of Residual Stress using X-RayDiffraction》测试带材的残余应力。
表面粗糙度用接触式表面粗糙度测试仪进行测试。
根据实施例，本发明实施例铜-铜复合带材均实现了屈服强度≥450MPa，抗剪切强度≥550MPa，导电率≥80％IACS，Goodway90°折弯R/t≤1不开裂，(R为折弯半径，t为带材厚度，Goodway是指垂直于轧制方向)，硬度可达200HV以上，侧边弯曲度为5mm/m以下，150℃下保温1000h应力松弛率相较于C11000紫铜提高30％以上。而对比例的铜合金带材无法实现上述综合性能。
表1本发明实施例和对比例的成分
表2本发明实施例带材的特征
表3本发明实施例和对比例的性能
Claims (10)
1.一种铜-铜复合带材，其特征在于：包括第一铜材料层和第二铜材料层，所述第一铜材料层的铜含量为99wt％以上，所述第二铜材料层为高强度铜合金中的任意一种，该高强度铜合金的屈服强度为600MPa以上。
2.根据权利要求1所述的铜-铜复合带材，其特征在于：所述第一铜材料层的厚度T1为0.1～1mm，所述第二铜材料层的厚度T2为0.01～0.5mm，并且T1与T2满足公式1≤T1/T2≤20。
3.根据权利要求1所述的铜-铜复合带材，其特征在于：所述第二铜材料层的平均晶粒尺寸为10μm以下，并且晶粒的长轴x与短轴y满足公式：1≤x/y≤3，所述第二铜材料层为析出强化型铜合金，析出相的平均大小为100nm以下，每mm2析出相数量的最大值N1与最小值N2满足公式：1≤N1/N2≤1.3。
4.根据权利要求1所述的铜-铜复合带材，其特征在于：该铜-铜复合带材表面有镀层，所述镀层为选自镀镍、镀银、镀锡中的至少一种。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的铜-铜复合带材，其特征在于：所述铜-铜复合带材的残余应力为30MPa以下，侧边弯曲度为5mm/m以下。
6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的铜-铜复合带材，其特征在于：该铜-铜复合带材的屈服强度450MPa以上，抗剪切强度为550MPa以上，导电率为80％IACS以上，垂直于轧制方向上的90°折弯R/t≤1不开裂，硬度可达200HV以上。
7.一种权利要求1至4任一权利要求所述的铜-铜复合带材的制备方法，其特征在于，包括以下工艺流程：第一铜材料板带和第二铜材料板带表面处理→第一铜材料板带和第二铜材料板带层叠在一起→一次冷轧→一次热处理→二次冷轧→二次热处理→冷精轧→拉弯矫直；所述一次冷轧采用单道次轧制，轧制速度为0.5～5.0m/min，变形量为60％以上；所述一次热处理的温度为850～1000℃，升温速度为20～60℃/s，保温时间为5～300s，之后以180℃/s以上的速度进行冷却。
8.根据权利要求7所述的铜-铜复合带材的制备方法，其特征在于：所述二次冷轧的变形量为10～30％，轧制速度为60～120m/min。
9.根据权利要求7所述的铜-铜复合带材的制备方法，其特征在于：所述冷精轧至少采用三道次，单道次变形量不超过5％，总变形量为10～20％，工作辊的粗糙度为0.5μm以下。
10.一种权利要求1至4任一权利要求所述的铜-铜复合带材的应用，其特征在于：该铜-铜复合带材应用于电子接插件。
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