CN102357526B - 一种铜铝铜双面超薄复合带材的两步复合轧制方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜铝铜双面复合带的复合轧制方法，属于材料加工技术领域，该复合带为三层结构，上下层为铜层，中间层为铝层。本发明的方法是在制备铜铝铜双面复合带时，先进行铜铝单面复合带的轧制复合，铜带和铝带的厚度比为1∶1，铜带和铝带依次完成开卷、矫直、打磨、对中、轧制复合；再进行铜铝单面复合带的铝面二次轧制复合，将铜铝单面复合带的铝面相对，进行第二次步轧制，实现铜/铝/铜双面复合带的轧制复合，得到铜铝铜双面复合带，各层厚度比为铜∶铝∶铜＝1∶2∶1。本发明能够在保证节约50％铜材的情况下，得到尺寸小、精度高、复合界面结合牢固、表面质量好的超薄复合带，复合带厚度尺寸在0.1-0.15mm。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及的是铜铝复合带材的轧制方法。
背景技术
由于科学技术的迅速发展，现代工业对于金属材料的性能要求越来越高，对材料结构的改进要求也越来越强烈，单一金属材料已经无法满足这些需求，于是，集不同材料的物理、化学、力学性能和价格差别于一体的新型复合材料应运而生，这将更有效地利用材料的特性，并克服和弥补单一材料性能的不足，从而获得综合性能更加优异的新材料。因此开发和制备这些具备优异或特殊性能新材料的相关技术也就成了当代冶金材料领域科技人员的研究重点，其中低成本、高性能的金属复合材料的加工成型技术不仅受到工程技术人员的重视，并且已经列入到国家重点支持的高新技术领域，今后必将从政策和资金两个方面给予扶持。
中国是一个贫铜富铝的国家，中国电工行业中载流导体材料年消耗铜材占全世界铜材消耗总量的近三分之一，因此铜材成为中国除了石油之外的另一重要的战略资源。自上世纪90年代以来，随着有色金属资源短缺加剧，铜材价格大幅上涨，导致铜材生产企业及客户的生产与使用成本大幅提高。因此在保证原有铜材使用性能基础上，开发新型材料替代传统材料成为国内外生产企业研发的热点，采用替代性复合材料进而降低原料成本已经成为国内外铜材生产与应用的一种发展趋势。
金属铜具有很好的导电性能和焊接性能，但资源稀缺，加工昂贵，金属铝导电性好，价格相对低廉，但铝的焊接、灭弧、耐磨以及导电、导热性能等都比铜的差，在很多场合以铝材直接替代铜材是困难，以铜包铝形成铜包铝的复合带材，既可节省金属铜的消耗，还能保持纯铜材料所具有的延展性、导电性、可焊性、耐蚀性等特点。加上我国铝资源很丰富，铝的价格低于铜，其密度不到铜的1/3，这就意味着在重量相同的条件下，铝材的长度是纯铜材的3倍。特别是在通讯领域，有线电视信号和移动通讯信号频率较高，一般在500-800MHZ，由于“趋肤效应”使高频电流集中在导体的表面传输，当用纯铜进行信息传输时，中心部位的铜没有起到主要传输信号的作用，所以用铝材来部分替代中间层的铜材是非常理想的方法，可以大大节省我国较为缺乏并且价格昂贵的铜资源。实际上不止通信领域，以铜包铝复合带代替应用面特别广、需求量特别大的铜带，在电力传输领域也将具有更广泛的应用前景，有望形成巨大的产业。开发适合工业规模生产的高效、低能耗复合技术，制备铜包铝复合带新型材料，无疑将会给我国迅速发展的电子、电力、机械制造等工业领域提供可供选择的理想的新产品，产生显著的经济效益，而且对于合理利用资源，保证国民经济可持续发展具有重要的社会效益。所以此项技术的开发己经成为国内外研究者努力的目标。
金属复合材料的生产方法有很多种，大体可分为固-固相复合法和液-固相复合法两大类。固-固相复合法包括轧制复合、爆炸复合、挤压-拉拔复合、焊接法等，液-固相复合法包括充芯连铸、双结晶器连铸等。而其中以轧制法应用最为广泛。
常规的复合轧制技术在三层复合带的生产上采用一次复合技术，对于大尺寸规格的复合带生产，效果明显，工艺稳定，生产效率高。但是对于复合带厚度尺寸在0.15mm以下的超薄带的复合，采用一次复合技术，效果不好，表现为尺寸精度不高，三层复合带的厚度比不易控制，生产效率低，废品率高等问题，因此该项技术应用的比较有限。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种铜/铝/铜(简称铜铝铜)三层超薄复合带的两步复合轧制方法，该方法是一种高效的铜铜/铝/铜三层超薄复合带的生产方法，在制备铜/铝/铜双面复合带时，先进行铜/铝单面复合带的轧制复合，铜带、铝带的厚度比为1∶1，再进行铜/铝单面复合带的铝面二次轧制复合，得到铜/铝/铜双面复合带，各层厚度比为铜∶铝∶铜＝1∶2∶1。使用利用此种方法制备的复合带材，其铜带材的用量可以节约50％。
根据本发明，提供了一种铜铝铜双面复合带材的复合轧制方法，其特征在于使用四辊冷轧机组，采用如下步骤进行复合带材的轧制：(1)将准备好的铜带和铝带对中后进行复合轧制，其轧制速度为15-30mm/s，轧制压力小于4000kN，轧制时铜带温度控制在120-150℃，铝带取常温温度，轧制完成后铜铝复合带的厚度为1.5-3.0mm，然后利用退火炉对于经第一次轧制形成的铜铝复合带进行中间退火处理；(2)将经第一复合轧制获得的铜铝单面复合带材的铝面相对，采用第一次轧制的设备及其工艺参数进行第二次轧制，带材表面温度控制在200-250℃，轧后的铜铝铜复合带材厚度为1.0-1.5mm；然后利用退火炉对获得的铜铝铜复合带材进行中间退火处理；(3)对经退火处理的铜铝铜复合带材进行多道次精确轧制，然后进行最后的退火处理。
优选地，每一步的轧制复合压下率均不小于65％。可选地，所述中间退火的退火温度为260-350℃，退火保温时间为3-5小时，惰性气体保护。
根据本发明，所述对经退火处理的铜铝铜复合带材进行多道次精确轧制是指对铜铝铜复合带材进行7道次轧制，轧制时的厚度变形量为如下所示：
1.0mm→0.75mm→0.55mm→0.4mm→0.3mm→0.22mm→0.16mm→0.12mm。
根据本发明，所述对经退火处理的铜铝铜复合带材进行最后的退火处理的退火炉的温度为500-560℃，连续退火走带的速度为3-5m/min，退火时间6-10分钟。
根据本发明，所述对经退火处理的铜铝铜复合带材的特征在于：表层为铜层，中间层为铝层，各层厚度比为1∶2∶1，复合带材的厚度为0.1-0.15mm。
附图说明
图1为第一步轧制复合示意图，附图中1为铜带，2为铝带，3为铜铝复合带；
图2为第二步轧制复合示意图，附图中4为铜铝复合中的铜层，5为铜铝铜复合带；
图3为厚度为0.12mm铜铝铜三层超薄复合带断面尺寸电镜照片。
具体实施方式
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种铜/铝/铜(简称铜铝铜)三层超薄复合带的两步复合轧制方法，该方法是一种高效的铜/铝/铜三层超薄复合带的生产方法，在制备铜/铝/铜双面复合带时，先进行铜/铝单面复合带的轧制复合，铜带、铝带的厚度比为1∶1，再进行铜/铝单面复合带的铝面二次轧制复合，得到铜/铝/铜双面复合带，各层厚度比为铜∶铝∶铜＝1∶2∶1。使用利用此种方法制备的复合带材，其铜带材的用量可以节约50％。
本项发明所完成的铜/铝/铜三层超薄复合带两步复合轧制方法的具体内容如下：
1.材料选择。选取表面光洁、平整、厚度公差小于0.05mm的铝带和铜带，其中：
铝带厚度HAl＝3.0±0.03mm，宽度220±0.1mm，含铝99.6％以上，软状态σb为70-94Mpa，δ5为25-35％；
铜带厚度HCu＝3.0±0.03mm，宽度220±0.1mm，含铜99.9％以上，含氧量小于0.01％，特软状态，σb为200-220MPa，δ5为38-48％；
初始选取的铝带和铜带应该具有同样的厚度，每一种带材的厚度应在1.5-3.0±0.03mm范围内，宽度在200-220±0.1mm范围内。
2.轧前处理。铜带和铝带依次利用开卷机、矫直机、打磨装置进行扎前处理，完成带材的开卷、矫直、打磨的加工过程；
铝带经开卷、矫直后，要求板面平直，无瓢曲和浪形。矫直机重点矫直铝带头、尾部，不采用全长矫直的方案；
铝带打磨可采用砂布轮或钢丝刷，应保证整个板面有效打磨，打磨深度为0.005-0.03mm。铜带钢丝刷光机的刷毛直径选为0.15-0.3mm，经清刷后铜带表面应留有均匀致密的沟纹痕迹，不允许有漏刷和变形等现象；
3.第一次复合轧制。通过光电对中装置对铜带和钢带的上下自动对中，其中位于下边的铝带以轧制中心线为基准，位于上边的铜带以铝带为中心自动对齐，纠偏精度在0.5-1.0毫米范围内。采用规格为Φ250×400/Φ450×380的四辊复合冷轧机组进行轧制，轧制速度为：15-30mm/s，张力稳定，控制好板形，不能出现大的侧弯及边浪等现象，轧制压力小于4000kN，传动方式为工作辊传动，轧制时，铜带温度控制在120-150℃，铝带不加热。第一次复合轧制完成时铜/铝复合带的厚度应为1.5-3.0mm。
4.第一次退火处理。第一次复合后的铜铝复合带材需要进行中间退火处理，中间退火采用退火密闭性好，热效率高的强循环式气体保护罩式退火炉，退火温度为260-350℃，退火保温时间3-5小时，惰性气体保护。
5.第二次复合轧制。第二次复合轧制时，将经第一复合轧制获得的铜铝单面复合带材复合在一起，其中复合带材的铝面相对，采用第一次轧制的设备并依次经过第一步轧制的过程，轧制时，带材表面温度控制在200-250℃，实现铜/铝/铜双面复合带的轧制复合，轧后复合带厚度为1.0-1.5mm。
6.第二次退火处理。第二次复合后进行中间退火处理，中间退火采用强循环式气体保护罩式退火炉，加热温度260-350℃，退火保温时间3-5小时，惰性气体保护。
7.多道次精确轧制。为了加大铜铝铜复合后的复合强度，实现彼此间的冶金结合，同时也是为了进一步降低复合带材的厚度，需要对完成复合的带材进行多道次精确轧制。其中可以扎7次，每次的厚度变形量如下所示：
1.0mm→0.75mm→0.55mm→0.4mm→0.3mm→0.22mm→0.16mm→0.12mm(成品)。
8.成品退火。将经过多道次轧制获得的成品送到连续退火炉中进行成品退火，退火炉的温度为500-560℃，退火走带的速度为3-5m/min，退火时间6-10分钟。
本发明专利的实施分为2步轧制复合过程，首先实现铜/铝的单面复合，其复合后铜铝复合带厚度可在1.5-3.0mm内变动，然后实现铜铝单面复合带的铝面复合，铜/铝/铜三层复合带厚度尺寸可在1.0-1.5mm内变动，界面为冶金结合，各层厚度比1∶2∶1。
下面将详细描述根据本发明的方法的具体实施例。根据本发明的具体实施例包括以下步骤：
原料选取：
铝带HAl＝3.0±0.03mm，宽度220±0.1mm，含铝99.7％，软状态，σb为82MPa，δ5为28％；
铜带HCu＝3.0±0.03mm，宽度220±0.1mm，含铜99.95％，含氧量0.085％，σb为208MPa，δ5为41％；
H＝HAl+HCu＝6.0mm，铜带和铝带表面光洁、平整，厚度公差0.03mm。
第一步复合轧制压下规程：
6mm→1.5mm
铜带和铝带依次经过开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中装置、复合轧机等设备。
铝带经开卷、矫直后，板面平直，无瓢曲和浪形，矫直机矫直铝带头、尾部。
铝带打磨采用砂布轮，整个板面有效打磨，打磨深度为0.005-0.03mm。铜带采用钢丝刷打磨，钢丝刷光机的刷毛直径为0.2mm，经打磨后铜带表面沟纹痕迹均匀、致密，无漏刷和变形等现象。
轧制过程自动对中，铝带以轧制中心线为基准，铜带以铝带为中心自动对齐，纠偏精度在0.5-1.0mm范围内。
复合轧机为Φ250×400/Φ450×380四辊复合冷轧机组，轧制速度20mm/s，张力稳定，板形控制良好，无大的侧弯及边浪等现象，轧制压力3800kN，轧制时，铜带温度控制在125-145℃之间，铝带不加热，无氧化现象，轧制完成后，复合出的铜铝复合板厚度为1.5mm。
第一次复合后进行中间退火，采用强循环式气体保护罩式退火炉，加热温度300℃，退火保温时间4.5小时，氩气保护。
第二步复合轧制压下规程：
3.0mm→1.0mm
第二步轧制复合时，铜铝单面复合带的铝面相对，叠加在一起，其总厚度为3.0mm，将其导入到轧机内依次经过第一步轧制的过程，轧制时，带材表面温度控制在220±20℃，实现铜铝铜双面复合带的轧制复合，轧制过程中，辊型和带材板形稳定。轧后复合带厚度为1.0mm。第二次复合后对于制成的复合带再次进行中间退火处理，中间退火采用强循环式气体保护罩式退火炉，加热温度260±10℃，退火保温时间3小时，氩气保护。
最后进行成品精轧，采用如下的压下规程：
1.0mm→0.75mm→0.55mm→0.4mm→0.3mm→0.22mm→0.16mm→0.12mm(成品)
对成品进行最终退火，加热温度550℃，连续退火走带的速度5m/min。退火时间8分钟。
图3为0.12mm超薄复合带断面尺寸电镜照片，由照片可见经过轧制之后，铜铝铜之间完全达到了冶金结合。
本发明专利能够在保证节约50％铜材的情况下，得到尺寸小、精度高、复合界面结合牢固、表面质量好的超薄复合带，三层复合带厚度尺寸在0.1-0.15mm，各层厚度比1∶2∶1。因此，根据本发明，在铜铝铜三层复合带的生产中，采用两步复合轧制技术，在生产复合带最终厚度为0.1-0.15mm的超薄复合带的生产中，效果显著。
本发明方法是在现有的四辊复合冷轧机组生产线上实现的，因此该方法不仅适用于铜/铝/铜三层超薄复合带的生产，也适用于其它三层超薄复合带的生产。
Claims (3)
1.一种铜铝铜双面复合带材的复合轧制方法，其特征在于使用四辊冷轧机组，采用如下步骤进行复合带材的轧制：
(1)将准备好的铜带和铝带对中后进行复合轧制，其轧制速度为15-30mm/s，轧制压力小于4000kN，轧制时铜带温度控制在120-150℃，铝带取常温温度，轧制完成后铜铝复合带的厚度为1.5-3.0mm，然后利用退火炉对于经第一次轧制形成的铜铝复合带进行中间退火处理，其退火温度为260-350℃，退火保温时间为3-5小时，惰性气体保护；
(2)将经第一次复合轧制获得的铜铝单面复合带材的铝面相对，采用第一次轧制的设备及其工艺参数进行第二次轧制，带材表面温度控制在200-250℃，轧后的铜铝铜复合带材厚度为1.0-1.5mm；然后利用退火炉对获得的铜铝铜复合带材进行中间退火处理，其退火温度为260-350℃，退火保温时间为3-5小时，惰性气体保护；
(3)对经退火处理的铜铝铜复合带材进行多道次精确轧制，然后进行最后的退火处理，其退火炉的温度为500-560℃，连续退火走带的速度为3-5m/min，退火时间6-10分钟，最终获得铜铝铜复合带材表层为铜层，中间层为铝层，各层厚度比为1∶2∶1，复合带材的厚度为0.1-0.15mm。
2.按照权利要求1所述的铜铝铜双面复合带材的复合轧制方法，其特征在于每一步的轧制复合压下率均不小于65％。
3.按照权利要求1所述的铜铝铜双面复合带材的复合轧制方法，其特征在于所述对经退火处理的铜铝铜复合带材进行多道次精确轧制是指对铜铝铜复合带材进行7道次轧制，轧制时的厚度变形量为如下所示：
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