CN117531830B - 一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，包括以下步骤：步骤S1，准备待复合铜板和不锈钢板；步骤S2，待复合板表面洁净处理；步骤S3，不锈钢板待复合表面尖晶石型结构化处理；步骤S4，轧件组坯并进行轧制复合；步骤S5，热处理；本发明不同于现有技术中通过大压下率下的热轧或冷轧工艺制备铜和不锈钢复合板，也不同于现有技术中异温轧制或采用异步轧制工艺改善异种金属轧制过程中变形不协调的问题。本发明通过对轧制前不锈钢板表面进行尖晶石型结构化处理，将经过处理的不锈钢板与铜板组坯后进行冷轧，实现铜板与不锈钢板的复合，轧后板件进行热处理后有效提高了复合界面的结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合板制备技术领域，特别涉及一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法。
背景技术
铜具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性等物理化学特性，在多个领域有着广泛的用途和重要的地位，比如电气、机械制造和交通等领域，但是其有着易氧化、强度低和价格昂贵等缺点。不锈钢具有强度高、耐腐蚀性好等优点。将铜和不锈钢两种金属材料结合形成层状复合材料，可以兼并两种材料的优点，也可以降低生产成本。铜和不锈钢复合板综合性能优异，在军工、电子、电器、汽车、建筑等领域承担起越来越重要的责任。
现有的制备铜和不锈钢复合板最常见的方法为爆炸复合法和轧制复合法，爆炸复合法制备的复合板结合界面的结合强度良好、生产制备周期短，但是环境污染大且板形难以控制；轧制复合法中热轧法生产铜和不锈钢复合板需要对热轧温度以及加热时间进行精确控制，并且需要通保护气氛等方法来防止轧件在加热过程中表面发生氧化反应影响复合效果，使得制备工艺繁杂；冷轧法制备铜和不锈钢复合板中，需要较大的压下率使得板材产生大变形来破坏待复合表面的加工硬化层，且通常轧制复合的最小压下率高达70％，对轧机要求高。另外，热轧会使得轧制过程中铜和不锈钢板变形不协调加剧，因为高温造成两金属塑性变形差异增大，所以寻求降低冷轧产生复合的最小压下率的方法成为研究焦点，根据薄膜理论，冷轧产生复合的机理在于硬金属表面产生裂纹，同时伴随着软金属的挤入，使得界面形成牢固的机械咬合，机械咬合越容易发生或咬合深度越大，会使得轧后复合板的结合强度越高，也会有效制约轧制过程中异种金属的变形不协调现象的发生。
高温着色法是对不锈钢待复合表面进行尖晶石型结构化处理，具体表现为在不同温度以及时间下不锈钢待复合表面产生不同的颜色，不锈钢待复合表面产生尖晶石型结构，尖晶石型结构相对于不锈钢基底几乎没有延展性，从而对降低冷轧复合的最小压下率产生有利的影响。
发明内容
根据上述问题本发明提供一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，本发明通过高温着色法对不锈钢板待复合表面进行尖晶石型结构化处理，使得尖晶石型结构化处理后的不锈钢板在与铜板进行冷轧复合中，表面极其容易破碎而形成裂纹，从而在45％的轧制压下率下，软金属铜挤入不锈钢板的尖晶石型结构层发生破裂的裂缝中，使得铜和不锈钢复合板结合界面产生机械咬合，实现了铜和不锈钢复合板的初步复合，在经过退火后，结合部分的铜与不锈钢材料发生扩散，进一步提高铜和不锈钢复合板的结合强度。
一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待轧制复合的铜板和不锈钢板；
步骤S2，铜板和不锈钢板待复合的表面洁净处理：清除铜板和不锈钢板待复合表面的氧化物、油污和杂质；
步骤S3，不锈钢待复合表面尖晶石型结构化处理：对步骤S2中得到的洁净不锈钢板进行加热，使其表面形成尖晶石型结构并着色，不锈钢板待复合表面尖晶石型结构不同，所呈现的颜色不同，对于铜和不锈钢的复合性能影响不同，公式（1.1）为尖晶石化程度的表示，公式（1.2）为尖晶石化程度允许范围；
（1.1）
（1.2）
其中，ε为尖晶石化程度，T为尖晶石化处理温度，，t为尖晶石化处理时间，/>；
步骤S4，轧件组坯并进行轧制复合：将铜板与步骤S3中经过处理的不锈钢板进行组坯，将组坯后的轧件通过冷轧得到铜和不锈钢复合板；
步骤S5，热处理：对步骤S4中得到的铜和不锈钢复合板进行退火处理。
进一步地，在步骤S1中准备T2纯铜板和304不锈钢板，利用剪板机或线切割进行尺寸加工。
进一步地，在步骤S2铜板和不锈钢板待复合的表面洁净处理中，用砂纸或钢丝刷对铜板和不锈钢板待复合的表面进行机械打磨处理，去除表面的氧化层，并用酒精和丙酮对铜板和不锈钢板待复合的表面进行擦拭，清除表面油污、灰尘以及杂质颗粒等，再用吹风机进行吹干处理。
进一步地，步骤S3中不锈钢板待复合表面尖晶石型结构化处理中，利用高温着色使不锈钢板待复合表面形成尖晶石型结构并着色，利用喷火枪处理15~20s，或利用马弗炉在700~1000°C处理25~35s，得到的不锈钢板待复合表面颜色为黄色、蓝色、蓝紫色，不锈钢板待复合表面尖晶石型结构不同，所呈现的颜色不同，对于铜和不锈钢的复合性能影响不同。
进一步地，步骤S3中不锈钢板待复合表面尖晶石型结构化处理后需在空气中冷却至室温。
进一步地，步骤S4中，对组坯的轧件使用轧机进行冷轧，轧制速度为0.01~0.5m/s，轧制复合的最小压下率为45%，实现铜和不锈钢的初步结合。
进一步地，步骤S5中初步结合的铜和不锈钢复合板在温度为900~1000°C的保温炉中进行退火处理10~30min，冷却到室温后获得铜和不锈钢复合板，铜和不锈钢复合板剪切强度为90MPa以上。
本的有益效果为：本发明对不锈钢板待复合表面进行尖晶石型结构化处理，制备铜和不锈钢复合板，冷轧时降低轧制力，以较小的压下率使铜和不锈钢两层金属实现良好的结合，降低了对轧机的要求，操作便捷，铜和不锈钢复合板结合界面有明显的机械咬合，有效提高冷轧铜和不锈钢复合板的结合强度，通过铜和不锈钢复合板结合界面形成的互锁结构有效抑制了两种金属在轧制过程中产生的变形不协调的问题。
附图说明
图1为本发明表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法流程图。
图2为实施例1中压下率为45%，920°C退火20min的剪切强度-位移关系图。
图3（a）为实施例1轧后复合界面扫描原图1。
图3（b）为实施例1轧后复合界面扫描原图2，图3（b）是图3（a）的放大图。
图3（c）为实施例1轧后复合界面图3（b）选取部分SEM面扫描Fe元素分布图。
图3（d）为实施例1轧后复合界面图3（b）选取部分SEM面扫描Cu元素分布图。
图3（e）为实施例1轧后复合界面SEM图3（b）选取部分面扫描O元素分布图。
图3（f）为实施例1轧后复合界面SEM图3（b）选取部分面扫描Cr元素分布图。
图4为实施例2中压下率为55%，930°C退火10min的剪切强度-位移关系图。
图5（a）为实施例2轧后复合界面扫描原图1。
图5（b）为实施例2轧后复合界面扫描原图2，图5（b）是图5（a）的放大图。
图5（c）为实施例2轧后复合界面图5（b）选取部分SEM面扫描Fe元素分布图。
图5（d）为实施例2轧后复合界面图5（b）选取部分SEM面扫描Cu元素分布图。
图5（e）为实施例2轧后复合界面图5（b）选取部分SEM面扫描O元素分布图。
图5（f）为实施例2轧后复合界面图5（b）选取部分SEM面扫描Cr元素分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
实施例1是待轧制T2铜板1与待轧制304不锈钢板2冷轧复合实例：一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，其包括以下步骤：步骤S1，准备待轧制复合的铜板和不锈钢板：T2铜板1和304不锈钢板2的厚度均为1.5mm、宽度均为30mm、长度均为100mm。
步骤S2，将T2铜板1和304不锈钢板2待复合的表面进行洁净处理：利用钢丝刷对步骤S1准备的T2铜板1和304不锈钢板2进行机械打磨，去除原有T2铜板1和304不锈钢板2待复合表面的氧化层和杂质，并以酒精-丙酮-酒精试剂的顺序擦拭T2铜板1和304不锈钢板2待复合表面，以清除油污和杂质颗粒，随后用吹风机吹干备用。
步骤S3，304不锈钢板2待复合表面尖晶石型结构化处理：利用高温着色法，利用马弗炉将步骤S2中得到的304不锈钢板2进行高温着色，尖晶石化处理温度T设置为700°C，在700°C时对304不锈钢板2待复合表面进行尖晶石型结构化处理，尖晶石化处理时间t为30s，尖晶石化程度ε的允许范围是，尖晶石化程度ε为21000，在范围允许中，304不锈钢板2待复合表面颜色变化为蓝色，并待着色的304不锈钢板2在空气中冷却至室温。
步骤S4，轧件组坯并进行轧制复合：对T2铜板1和步骤S3中经过处理的304不锈钢板2进行叠合组坯，轧机速度设置为0.1m/s，将组坯后的轧件以45％压下率实现304不锈钢板2与T2铜板1冷轧初步复合，并在结合界面产生了明显连续的机械咬合，得到铜和不锈钢复合板。
步骤S5，热处理：对步骤S4中得到的铜和不锈钢复合板进行退火处理，复合板在温度为920°C的保温炉中进行退火处理20min，随炉冷却，获得铜和不锈钢复合板。
通过制备剪切试件，在压下率为45％的条件下，通过拉伸试验机测得复合板的剪切强度为90.92MPa（如图2所示），通过SEM以及EDS分析（如图3所示），进行尖晶石型结构化处理的不锈钢表面在轧制后有明显的硬化层产生，不锈钢与铜金属板轧制复合，不锈钢尖晶石型结构层产生大量裂口，纯铜基体挤入裂口形成齿状咬合，说明不锈钢与铜金属板可以形成有效的机械啮合，并且不锈钢侧剪切断面含有铜金属的残留，不锈钢侧呈现有断裂的硬化块、大量的韧窝，结合界面的咬合形貌有效的提高铜不锈钢金属复合板的结合强度。
实施例2
实施例2是待轧制T2铜板3和304不锈钢板4冷轧复合实例：一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，包括以下步骤：
步骤S1，准备待轧制复合的铜板和不锈钢板：T2铜板3和304不锈钢板4的厚均为1.5mm、宽度均为30mm、长度均为100mm。
步骤S2，将T2铜板3和304不锈钢板4待复合的表面进行洁净处理：利用钢丝刷对步骤S1准备的T2铜板3和304不锈钢板4进行机械打磨，去除原有T2铜板3和304不锈钢板4待复合表面的氧化层和杂质，并以酒精-丙酮-酒精试剂的顺序擦拭T2铜板3和304不锈钢板4待复合表面，以清除油污和杂质颗粒，随后用吹风机吹干备用。
步骤S3，不锈钢待复合表面尖晶石型结构化处理：利用高温着色法，通过喷火枪将步骤S2中得到的304不锈钢板4进行高温着色，喷火枪对不锈钢待复合表面尖晶石型结构化处理时间t为15s，温度T为1300°C，尖晶石化程度ε的允许范围是，尖晶石化程度ε为19500，在范围允许中，304不锈钢板4待复合表面颜色变化为蓝紫色，并待着色的304不锈钢板4在空气中冷却至室温。
步骤S4，轧件组坯及进行轧制复合：对T2铜板3和步骤S3中经过处理的304不锈钢板4进行叠合组坯，轧机速度设置为0.1m/s，将组坯后的轧件以55％压下率实现304不锈钢板2与T2铜板1冷轧初步复合，并在结合界面产生了明显的机械咬合，得到铜和不锈钢复合板。
步骤S5，热处理：对步骤S4中得到的铜和不锈钢复合板进行退火处理，复合板在温度为930°C的保温炉中进行退火处理10min，随炉冷却，获得铜和不锈钢复合板。
通过制备剪切试件，在压下率为55％的条件下，通过拉伸试验机测得复合板的剪切强度为104.90MPa（如图4所示），通过SEM以及EDS分析（如图5所示），进行尖晶石型结构化处理的不锈钢表面在轧制后有明显的硬化层产生，不锈钢与铜金属板轧制复合，不锈钢尖晶石型结构层产生大量裂口，纯铜基体挤入裂口形成齿状咬合，说明不锈钢与铜金属板可以形成有效的机械啮合，并且不锈钢侧剪切断面含有铜金属的残留，不锈钢侧呈现有断裂的硬化块、大量的韧窝，结合界面的咬合形貌有效的提高铜和不锈钢复合板的结合强度。
Claims (4)
1.一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，准备待轧制复合的T2纯铜板和304不锈钢板；
步骤S2，将铜板和不锈钢板待复合的表面洁净处理：清除铜板和不锈钢板待复合表面的氧化物、油污和杂质；
步骤S3，不锈钢板待复合表面尖晶石型结构化处理：对步骤S2中得到的洁净不锈钢板进行加热，使其表面形成尖晶石型结构并着色，不锈钢板待复合表面尖晶石型结构不同，所呈现的颜色不同，对于铜和不锈钢的复合性能影响不同，公式（1.1）为尖晶石化程度的表示，公式（1.2）为尖晶石化程度允许范围；
（1.1）
（1.2）
其中，为尖晶石化程度，T为尖晶石化处理温度，/>，t为尖晶石化处理时间，/>；
步骤S4，轧件组坯并进行轧制复合：将铜板与步骤S3中经过处理的不锈钢板进行组坯，将组坯后的轧件通过冷轧得到铜和不锈钢复合板；
步骤S5，热处理：对步骤S4中得到的铜和不锈钢复合板进行退火处理；
步骤S4中，对组坯的轧件使用轧机进行冷轧，轧制速度为0.01~0.5m/s，轧制复合的最小压下率为45%，实现铜和不锈钢的初步结合；
步骤S5中初步结合的铜和不锈钢复合板在温度为900~1000°C的保温炉中进行10~30min的退火热处理，冷却到室温后获得剪切强度为90MPa以上的铜和不锈钢复合板。
2.根据权利要求1所述的一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，其特征在于，在步骤S2铜板和不锈钢板待复合的表面洁净处理中，用砂纸或钢丝刷对铜板和不锈钢板待复合的表面进行机械打磨处理，去除表面的氧化层，并用酒精和丙酮对铜板和不锈钢板待复合的表面进行擦拭，清除表面油污、灰尘以及杂质颗粒，再用吹风机进行吹干处理。
3.根据权利要求1所述的一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，其特征在于，步骤S3不锈钢板待复合表面尖晶石型结构化处理中，利用喷火枪或马弗炉对不锈钢板加热。
4.根据权利要求1所述的一种表面尖晶石型结构化制备铜和不锈钢复合板的方法，其特征在于，步骤S3中不锈钢板待复合表面尖晶石型结构化处理后需在空气中冷却至室温。
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