CN116175085A - 一种高导热高导电复合板的制造方法及复合板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热高导电性复合板的制造方法，其中所述高导热高导电性复合板包括铜覆层和碳钢基层，其中铜覆层位于面层，所述制造方法包括步骤：(1)将铜板坯与碳钢板坯进行真空组坯，焊接成具有若干层的复合坯，焊接过程在仅在铜与铜之间或碳钢与碳钢之间进行，铜与碳钢之间不进行焊接；(2)复合坯进加热炉进行加热；(3)加热后进行多道次轧制；(4)热矫直，然后上冷床空冷，然后进行精整；(5)冷矫直。相应地，本发明还公开了一种高导热高导电性复合板，其采用上述的制造方法制得。

Description

一种高导热高导电复合板的制造方法及复合板
技术领域
本发明涉及一种金属材料的制造方法，尤其涉及一种复合板的制造方法。
背景技术
在现有的钢铁材料中，轧制复合材料的种类很多，大多均是以碳钢与不锈钢结合获得的复合材料，其独特的兼具不锈钢耐蚀性能和碳钢力学性能的综合性能优势，使之被广泛应用于海水淡化、热交换器、造纸设备、磷酸储罐、烟气脱硫装置、电站冷凝管、军工及船舶制造等行业。
近年来，随着轧制复合板的推广和应用，市场对于特殊用途的复合板的需求也随之而来；以往采用机械复合、爆炸复合和堆焊或熔覆工艺的产品，均希望能够采用轧制复合材料来进行优化和替代。
众所周知，铜具有良好的导热、导电性能，为了满足市场需求，期望开发一种采用铜和钢复合的复合板。但是，在当前现有技术中，铜和钢的复合非常少见，传统的铜和钢主要是通过堆焊、机械复合(钎焊)、半固态压铸成型、爆炸复合和冷轧复合等方式进行复合。
因铜和钢的受热特性差异非常大，铜与钢的焊接非常的困难；铜的熔点仅为1083℃，较之钢的熔点1540℃低了很多，因此在实际操作中，多以爆炸复合和冷轧复合的制造工艺制备铜和钢的复合板，但实际制备的复合板结合质量和强度稳定性并不理想。
基于此，针对现有技术中的不足，本发明期望获得一种高导热高导电性复合板的制造方法，该制造方法能够通过热轧制复合铜和碳钢，采用该制造方法制备的高导热高导电性复合板具有十分优异的结合质量。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高导热高导电性复合板的制造方法，该制造方法通过热轧制复合的方式，可以有效复合铜和碳钢，采用该制造方法可以制备结合质量相当优异的高导热高导电性复合板，其铜覆层和碳钢基层的界面结合强度大于150MPa，且铜覆层具有极佳的导电导热性能，碳钢基层具有较好的力学性能，如强度、塑性和低温冲击韧性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高导热高导电性复合板的制造方法，其中所述高导热高导电性复合板包括铜覆层和碳钢基层，其中铜覆层位于面层，所述制造方法包括步骤：
(1)将铜板坯与碳钢板坯进行真空组坯，焊接成具有若干层的复合坯，焊接过程仅在铜与铜之间或碳钢与碳钢之间进行，铜与碳钢之间不进行焊接；
(2)复合坯进加热炉进行加热；
(3)加热后进行多道次轧制；
(4)热矫直，然后上冷床空冷，然后进行精整；
(5)冷矫直。
在现有技术中，铜和钢的复合非常少见，且制造方法上多以爆炸复合和冷轧复合为主，其结合质量和强度稳定性较差。
而不同于现有技术中的技术方案，发明人研究设计了一种将铜和钢进行热轧复合的制造方法，采用该制造方法可以将铜和钢热轧复合，得到优良的结合质量，并生产出各种规格的高导热高导电性复合板。
在采用本发明上述制造方法时，在上述步骤(1)中，为了复合坯的质量，在真空组坯前，可以对铜板坯与碳钢板坯需要复合的表面进行机加工处理，以去除氧化铁皮。
采用本发明上述制造方法可以获得多层结构的复合板，其可以包括：两层复合板和三层复合板。其中，两层复合板(铜-碳钢两层复合板)的两个面层分别为铜覆层和碳钢基层；三层复合板(铜-碳钢-铜三层复合板)的铜覆层位于面层，碳钢基层位于芯层。需要说明的是，上述制得的铜-碳钢两层复合板和铜-碳钢-铜三层复合板均采用铜覆层作为面层，其可以大幅提高材料单面的导热导电性能。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述复合坯具有三层，所述步骤(5)包括：对三层复合板进行一次冷矫直，然后对三层复合板进行表面处理，得到铜-碳钢-铜复合板。
在本发明上述的铜-碳钢-铜复合板中，碳钢基层位于芯层，铜覆层位于面层。当制得的复合板为铜-碳钢-铜复合板时，则实际上在铜板坯与碳钢板坯进行真空组坯，并进一步焊接成三层可分离复合坯的过程中，其焊接过程为铜与铜的焊接；此种焊接方式，不需要铜与钢焊接，减小了焊接难度，提高了焊缝的强度和耐受度。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述复合坯具有四层，所述步骤(5)包括：
对四层复合板进行第一次冷矫直，并且在第一次冷矫直过程将上下两块二层复合板进行错动；
对四层复合板进行切割分离得到铜-碳钢两层复合板坯；
对铜-碳钢两层复合板坯进行第二次冷矫直；
对铜-碳钢两层复合板坯进行表面处理，得到铜-碳钢两层复合板。
在本发明上述技术方案中，在步骤(1)中，当焊接成的是四层可分离复合坯时，其实际焊接过程为钢与钢的焊接，并不需要铜与钢进行焊接，从而可以减小焊接难度，提高焊缝的强度和耐受度。当复合坯为四层时，可以对应制得四层复合板，其在后续步骤(5)的冷矫直过程中能够分离获得两个铜-碳钢两层复合板。
需要说明的是，在上述步骤(5)中，对四层复合板进行第一次冷矫直，通过矫直可以降低复合板轧制过程中累计的应力不均，保证切割时的板形；并且冷矫直过程将上下两块铜-碳钢两层复合板坯进行了错动，保证切割分离过程可以分开，而不是黏连在一起。
此外，在本发明步骤(5)中，通过切割方式将四层复合板边部切除，能够使上下两个铜-碳钢两层复合板坯得以分离；另外，因铜硬度低，分离物质或在加工过程中容易造成铜表面凹坑，故而需要对获得的铜-碳钢两层复合板坯进行打磨，打磨可以保证复合板的表面状态。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述碳钢板坯的各化学元素质量百分配比为：
0＜C≤0.18％、Si≤0.35％、Mn：0.50～1.70％、Al：0.020～0.040％、Ti≤0.050％、Nb≤0.1％、Mo≤2.0％、Cr≤3.0％、Ni≤0.3％、B≤0.0005％，余量为铁和不可避免杂质。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述碳钢板坯的不可避免的杂质中，P≤0.015％、S≤0.010％、N≤0.006％。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，加热温度为900～1050℃。
在本发明上述技术方案中，可以控制复合坯加热温度为900～1050℃，复合坯在900～1050℃的温度下加热，铜不会熔化，并且使得铜钢复合界面的原子得到充分的激活，保证在高温轧制时原子扩散充分。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制轧制总压下率≥30％，控制终轧温度为700～1000℃。
在本发明上述技术方案中，为了进一步激活促进铜钢复合界面原子的相互扩散，实现冶金结合轧制，在本发明步骤(3)的多道次轧制过程中，可以优选地控制轧制总压下率≥30％。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述铜覆层的单层厚度为1mm～50mm；并且/或者所述碳钢基层的厚度为1～150mm。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述铜覆层的材质为紫铜。
在本发明上述技术方案中，铜层的材质可以采用紫铜(包括T1、T2、T3)，其成分只需满足相应国家或国际标准即可，其主要作用是保障复合板具有良好的导热和导电性能；而碳钢基层可选的钢种牌号范围则比较广泛，其成分只需满足本发明设计要求即可，其主要作用是保障复合板具有较高的强度(钢的强度远高于紫铜)。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，所述铜覆层与碳钢基层的界面结合强度大于150MPa。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种高导热高导电性复合板，该高导热高导电性复合板采用上述的制造方法制得，其具备良好的导热导电性，较高的强度，较好的耐腐蚀性能，较优的结合质量，可用于电力设备、核能设备、热交换设备等行业。
本发明所述的高导热高导电性复合板的导热导电性能接近于纯铜材；且复合板的强度接近于同牌号钢板材质碳钢，具体强度与铜和碳钢厚度配比相关：铜占配比越大则强度越低于碳钢材质强度；铜占比越小则强度越接近于碳钢材质强度。
相较于现有技术，本发明所述的高导热高导电性复合板的制造方法及复合板具有如下所述的优点以及有益效果：
(1)本发明所述的高导热高导电性复合板的制造方法通过加热轧制复合的方式，可以有效复合铜和钢，采用该制造方法可以制备结合质量相当优异的高导热高导电性复合板的铜覆层具有极佳的导电导热性能，碳钢基层具有较好的力学性能如强度、塑性和低温冲击韧性，其铜覆层和碳钢基层的界面结合强度大于150MPa。
(2)在本发明所述的制造方法中，在铜板坯与碳钢板坯进行真空组坯前，可以对铜板坯与碳钢板坯进行机加工处理，以去除表面的氧化铁皮，保证复合质量；同时，由于铜与钢难以焊接，本发明采用了特殊的焊接方式以确保焊接过程仅在钢钢之间或铜铜之间进行，从而减小了焊接难度，提高了焊缝的强度和耐受度。
附图说明
图1示意性地显示了铜-钢-铜三层复合板坯的层间结构图。
图2示意性地显示了四层复合板坯的层间结构图。
图3为实施例1的高导热高导电性复合板的层间结构照片。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和说明书附图对本发明所述的高导热高导电性复合板的制造方法及复合板做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6
在本发明中，实施例1为铜-碳钢两层复合板，且其铜覆层的材质选用紫铜T2，碳钢基层的材质选用Q235B钢。
实施例2为铜-碳钢-铜三层复合板，其碳钢基层位于芯层，铜覆层位于面层，且其铜覆层的材质选用紫铜T2，碳钢基层的材质选用Q345B钢。
实施例3为铜-碳钢两层复合板，且其铜覆层的材质选用紫铜T2，碳钢基层的材质选用Q370qE钢。
实施例4为铜-碳钢-铜三层复合板，其碳钢基层位于芯层，铜覆层位于面层，且其铜覆层的材质选用紫铜T2，碳钢基层的材质选用AH32钢。
实施例5为铜-碳钢两层复合板，且其铜覆层的材质选用紫铜T2，碳钢基层的材质选用FH40船用钢。
实施例6为铜-碳钢-铜三层复合板，其碳钢基层位于芯层，铜覆层位于面层，且其铜覆层的材质选用紫铜T2，碳钢基层的材质选用A387钢。
表1列出了实施例1-6的碳钢基层所选用的钢材的各化学元素质量百分比。
表1.
(wt％，余量为Fe和除了P、S、N以外的其他不可避免的杂质)
Figure BDA0003381239830000061
/>
在本发明中，实施例1-6的高导热高导电性复合板采用以下步骤制得：
(1)对铜板坯与碳钢板坯需要复合的表面进行机加工处理，以去除氧化铁皮；将铜板坯与碳钢板坯进行真空组坯，焊接成具有若干层的复合坯，焊接过程仅在铜与铜之间或碳钢与碳钢之间进行，铜与碳钢之间不进行焊接。
(2)复合坯进加热炉进行加热，并控制加热温度为900～1050℃。
(3)加热后进行多道次轧制，控制轧制总压下率≥30％，控制终轧温度为700～1000℃。
(4)热矫直，然后上冷床空冷，然后进行精整。
(5)冷矫直：当复合坯具有四层时，对四层复合板进行第一次冷矫直，并且在第一次冷矫直过程将上下两块二层复合板进行错动；对四层复合板进行切割分离得到铜-碳钢两层复合板坯；对铜-碳钢两层复合板坯进行第二次冷矫直；对铜-碳钢两层复合板坯进行表面处理，得到铜-碳钢两层复合板。当复合坯具有三层时，对三层复合板进行一次冷矫直，然后对三层复合板进行表面处理，得到铜-碳钢-铜复合板。
在本发明中，实施例1-6的高导热高导电性复合板的相关工艺参数均满足本发明设计规范控制要求。
需要说明的是，在进行本发明上述制造方法之间，为了确保获得步骤(1)中所需求的铜板坯与碳钢板坯，需要基于各实施例所选用的材料进行备料，而后对备料进行修磨，以获得所需的铜板坯和碳钢板坯。
表2列出了实施例1-6的备料建议厚度以及经修磨过后获得的铜板坯和碳钢板坯厚度。
表2.
Figure BDA0003381239830000071
表3列出了实施例1-6的高导热高导电性复合板在上述制造方法中的具体工艺参数。
表3.
Figure BDA0003381239830000081
在上述表3之中，实施例1的拆分厚度具有两个数据，这是因为实施例1具有四层复合坯，且这四层复合坯包括：Q235B钢碳钢板坯、紫铜T2铜板坯、紫铜T2铜板坯、Q235B钢碳钢板坯。四层复合坯经加热和轧制后能够得到四层复合板，四层复合板在步骤(5)中会进行切割分离得到铜-碳钢两层复合板坯；表3所示的实施例1的两个拆分厚度，分别表示拆分获得的两个铜-碳钢两层复合板坯的厚度。同理，实施例3和实施例5的两个拆分厚度，也分别表示拆分获得的两个铜-碳钢两层复合板坯的厚度
将制得的实施例1-6的高导热高导电性复合板分别进行取样，并对各实施例复合板的层间结构进行观察和分析，不难获得各实施例1-6的成品高导热高导电性复合板的层间结构以及各层厚度。
表4.
编号 层间结构及各层厚度
实施例1 紫铜T2铜覆层(5mm)+Q235B碳钢基层(25mm)
实施例2 紫铜T2铜覆层(3mm)+Q345B碳钢基层(14mm)+紫铜T2铜覆层(3mm)
实施例3 紫铜T2铜覆层(1mm)+Q370qE碳钢基层(10mm)
实施例4 紫铜T2铜覆层(1.5mm)+AH32碳钢基层(14mm)+紫铜T2铜覆层(1.5mm)
实施例5 紫铜T2铜覆层(3mm)+FH40碳钢基层(16mm)
实施例6 紫铜T2铜覆层(1.5mm)+A387碳钢基层(14mm)+紫铜T2铜覆层(3mm)
如上述表4所示，在本发明中，实施例1为铜-碳钢两层复合板，其铜覆层的单层厚度为5mm，碳钢基层的单层厚度为50mm；实施例2为铜-碳钢-铜三层复合板，其三层厚度分别为3mm、14mm、3mm；实施例3为铜-碳钢两层复合板，其铜覆层的单层厚度为1mm，碳钢基层的单层厚度为10mm；实施例4为铜-碳钢-铜三层复合板，其三层厚度分别为1.5mm、14mm、1.5mm；实施例5为铜-碳钢两层复合板，其铜覆层的单层厚度为3mm，碳钢基层的单层厚度为16mm；实施例6为铜-碳钢-铜三层复合板，其三层厚度分别为1.5mm、14mm、3mm。
完成上述观察和分析后，可以将制得的成品实施例1-6的高导热高导电性复合板再次取样，并对各实施例的抗拉强度以及铜覆层和碳钢基层的界面结合强度进行测试，所得的测试结果列于表5中。
相关性能测试手段，如下所述：
拉伸试验：测试方法按照国家标准GB T 228-87，由此测得各实施例复合板的抗拉强度。
铜覆层与碳钢基层的界面结合强度测试：测试方案按照GB T 6396-2008，由此测得各实施例复合板的铜覆层与碳钢基层的界面结合强度。
表5列出了实施例1-6的高导热高导电性复合板的性能测试结果。
表5.
Figure BDA0003381239830000091
如上述表5所示，采用该制造方法制备的实施例1-6的高导热高导电性复合板的铜覆层具有极佳的导电导热性能，碳钢基层具有较好的力学性能；在本发明中，实施例1-6的高导热高导电性复合板的抗拉强度在332-600Mpa之间。此外，实施例1-6的高导热高导电性复合板还具有优异的结合质量，其铜覆层与碳钢基层的界面结合强度在175—245MPa之间，均大于150MPa。
需要说明的是，本发明所述的实施例1-6的高导热高导电性复合板的导热导电性能接近于纯铜材；且复合板的强度接近于同牌号钢板材质碳钢，具体强度与铜和碳钢厚度配比相关：铜占配比越大则强度越低于碳钢材质强度；铜占比越小则强度越接近于碳钢材质强度。
综上所述可以看出，采用本发明所述的高导热高导电性复合板的制造方法可以将指定的铜和碳钢进行焊接组坯，其通过特殊的组坯方式可以解决铜钢受热特性差异难以焊接的问题。组坯后进行真空处理，可以形成三层或四层复合坯(复合分离)，复合坯进加热炉经900～1050℃加热后，经中厚板或热轧轧机轧制成三层复合板(铜-碳钢-铜三层复合板)或两层复合板(铜-碳钢两层复合板)。采用这种制造方法获得的成品复合板具有优异的结合质量，其铜覆层的韧性和导电性能出众，冷弯和成型性能极佳，可以替代Cu熔覆和堆焊工艺；这种复合板可具备高导热、高导电特性，并兼具高强度特性，具有十分广泛的应用前景。
图1示意性地显示了铜-钢-铜三层复合板坯的层间结构图。
如图1所示，在铜-钢-铜三层复合板坯中，铜覆层2位于面层，碳钢基层1位于芯层，且铜覆层2与碳钢基层1之间还具有铜的填充焊接物3。
需要说明的是，在制造该铜-钢-铜三层复合板坯时，在焊接成的三层可分离复合坯中，焊接过程为铜与铜的焊接，此种焊接方式，不需要铜与钢的焊接，减小了焊接难度，提高了焊缝的强度和耐受度。
图2示意性地显示了四层复合板坯的层间结构图。
如图2所示，在四层复合板坯中，其层间结构依次为碳钢基层1、铜覆层2、铜覆层2和碳钢基层1。在制造该四层复合板中，其焊接过程为钢与钢的焊接，而无需铜与钢的焊接。
在该四层复合板坯中，除两个碳钢基层1和两个铜覆层2外，还具有钢的填充焊接物5以及分离剂4。
图3为实施例1的高导热高导电性复合板的层间结构照片。
如图3所示，在实施例1的实施方式中，其可以制备包括紫铜T2铜覆层和Q235B碳钢基层的铜-碳钢两层复合板，图1所示放大倍数为200X，其中上层为紫铜T2铜覆层；下层为Q235B碳钢基层；由图1可见，紫铜T2铜覆层和Q235B碳钢基层的结合面清晰且无任何空洞、裂纹和氧化质点，结合良好。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种高导热高导电性复合板的制造方法，其中所述高导热高导电性复合板包括铜覆层和碳钢基层，其中铜覆层位于面层，其特征在于，所述制造方法包括步骤：
(1)将铜板坯与碳钢板坯进行真空组坯，焊接成具有若干层的复合坯，焊接过程仅在铜与铜之间或碳钢与碳钢之间进行，铜与碳钢之间不进行焊接；
(2)复合坯进加热炉进行加热；
(3)加热后进行多道次轧制；
(4)热矫直，然后上冷床空冷，然后进行精整；
(5)冷矫直。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述复合坯具有三层，所述步骤(5)包括：对三层复合板进行一次冷矫直，然后对三层复合板进行表面处理，得到铜-碳钢-铜复合板。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述复合坯具有四层，所述步骤(5)包括：
对四层复合板进行第一次冷矫直，并且在第一次冷矫直过程将上下两块二层复合板进行错动；
对四层复合板进行切割分离得到铜-碳钢两层复合板坯；
对铜-碳钢两层复合板坯进行第二次冷矫直；
对铜-碳钢两层复合板坯进行表面处理，得到铜-碳钢两层复合板。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的制造方法，其特征在于，所述碳钢板坯的各化学元素质量百分配比为：
0＜C≤0.18％、Si≤0.35％、Mn：0.50～1.70％、Al：0.020～0.040％、Ti≤0.050％、Nb≤0.1％、Mo≤2.0％、Cr≤3.0％、Ni≤0.3％、B≤0.0005％，余量为铁和不可避免杂质。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述碳钢板坯的不可避免的杂质中，P≤0.015％、S≤0.010％、N≤0.006％。
6.如权利要求1-3中任意一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，加热温度为900～1050℃。
7.如权利要求1-3中任意一项所述的制造方法，其特征在于，在步骤(3)中，控制轧制总压下率≥30％，控制终轧温度为700～1000℃。
8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述铜覆层的单层厚度为1mm～50mm；并且/或者所述碳钢基层的厚度为1～150mm。
9.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述铜覆层的材质为紫铜。
10.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述铜覆层与碳钢基层的界面结合强度大于150MPa。
11.一种高导热高导电性复合板，其采用如权利要求1-10中任意一项所述的制造方法制得。
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