CN103934266A - 一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法 - Google Patents

Abstract

一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行：（1）采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量3.25~8.89%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；（2）进行表面处理；（3）进行轧制复合制成轧制复合带；（4）进行扩散热处理，在惰性气体保护条件下，升温到200~400℃，保温0.5~2h，随炉冷却至室温；（5）进行精轧，总压下率为33.3~80%，获得精轧复合带；（6）进行连续退火，空冷至室温。本发明的方法能够在保证节约50%铜材的情况下，得到尺寸精度高、复合界面尺寸小、结合牢固、表面质量好的铜/铝复合带。

Description

一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法。

背景技术

随着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，这将更有效的利用材料的特性，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。

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较困难，以铜包铝形成的复合带材，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/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。

铜/铝两种金属冷轧复合后在界面上的结合仅仅是物理结合，并没有达到冶金结合的程度；同时，由于两种材料的不均匀变形，会在基体产生较严重的残余应力，对复合后性能影响很大；因此，为了提高复合带的综合性能，必须进行轧后退火；通过退火，一方面可以使组元层间金属相互扩散，使结合面实现冶金结合，从而提高结合强度；另一方面使基体内部残余应力松弛，塑性得到恢复；在铜 / 铝复合及其热处理过程中，铜与铝既能形成固溶体，也与铝形成化合物；在铜与铝相互作用时，界面层一般包括如下几部分，靠近基体是固溶体区，中间是铜铝原子相互作用而形成的化合物区，铜铝间可以形成CuAl、CuAl₂、Cu₂Al₄、Cu₄Al₉等多种硬而且脆的化合物，这些化合物生长速度很快，存在形式复杂，扩散区无论产生哪种晶格类型的铜/铝金属间化合物，均会导致复合带的结合强度降低，且导电性变差，因此这种过渡层不能太厚；控制界面层厚度与控制界面化合物的形态与分布问题，归根到底是控制扩散问题，控制铜铝间的扩散，使其既达到冶金结合的目的，又控制复合界面金属间化合物的形态及分布，保持其界面薄而均匀，实现复合带既保持有一定强度，塑性又有很大的提高。

复合带的界面对复合材料的性能（主要是塑性）有着显著的影响，在实施提高界面结合强度的研究中，人们的现有技术也仅仅局限于常规的热处理手段，正如上面所述，现有热处理技术使得复合带由于化合物的大量形成导致界面层厚度快速增加，并不足以解决界面结合强度的大幅度提高问题，使得复合带塑性低，使用中易于断带，而造成铜铝复合带应用的巨大障碍。

发明内容

针对现有铜/铝复合带在制备技术上存在的上述不足，本发明提供一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法，采用复合轧制和热处理技术，通过控制轧制压下率以及热处理的温度和时间，制备出复合界面结合牢固、表面质量好且性能良好的铜/铝复合带。

本发明的减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法按以下步骤进行：

1、采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量3.25~8.89%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；

2、将铜原料与硅铝合金原料分别进行表面处理；

3、将完成表面处理的铜原料与硅铝合金原料进行轧制复合，轧制复合的压下率控制在65~75%，制成轧制复合带；

4、将轧制复合带在惰性气体保护条件下，以8~15℃/s的升温速度升到200~400℃，保温0.5~2h，然后随炉冷却至室温，完成扩散退火；

5、将完成扩散退火的轧制复合带进行精轧，精轧总压下率为33.3~80%，获得厚度在0.1~2mm的精轧复合带；

6、将精轧复合带进行连续退火，连续退火温度为500±10℃，时间为5~10min，连续退火结束后空冷至室温，制成复合界面层平均厚度在0.5~1.6μm的铜/铝复合带。

上述的轧制复合带的厚度在0.5~3mm。

上述的表面处理是采用NaOH溶液清表面去除杂质，然后用钢刷打磨去表面除氧化皮，再用丙酮去除表面油污，风干后完成表面处理。

上述方法中随炉冷却时的平均降温速度在10~30℃/ min。

上述方法获得的铜/铝复合带的剪切强度在94~118MPa，屈服强度在82~90MPa，抗拉强度在95~105 MPa，伸长率在5.5~7.5%。

本发明在铜/铝冷轧复合带的复合过程中，用铝硅合金带取代铝带，在复合带的热处理中，硅元素有效控制了铜、铝的互扩散，进而抑制了铜铝化合物的生成，效果显著；原子的扩散得到抑制，Al-Cu扩散偶的界面层厚度与发生了明显减薄的趋势变化，平均尺寸减少；性能方面，提高了铜/铝冷轧复合超薄带材界面结合强度，表现在界面剪切强度得到了提高，减小了屈强比，提高了塑性储备，塑性指标-伸长率得到了大幅度提升。    

硅元素之所以在一定的条件下能抑制扩散层的增长，是因为热处理过程中元素扩散的先后顺序取决于扩散所需的扩散激活能大小；在异种金属互扩散过程中，由于原子半径的差异，间隙扩散所需的扩散激活能比空位扩散小；铝硅合金中，铝的质量分数比硅要高很多，因此硅原子在铝基体中的扩散是异种金属间的互扩散，而铝原子是自扩散；此外，铜铝原子半径相差不大，硅原子较小，所以硅原子所需的扩散激活能小，当外界提供足够的扩散驱动力时，硅原子优先扩散，并向界面处迁移，到达界面处后由于扩散阻力增大，形成一层屏障。

由于“趋肤效应”，用铝硅合金带取代纯铝带与铜复合，并不影响复合带的使用性能。 

本发明的方法能够在保证节约50%铜材的情况下，得到尺寸小、精度高、复合界面结合牢固、表面质量好的铜/铝复合带。

附图说明

图1为采用纯铝制备的铜/铝复合带的复合界面形貌电镜照片图；

图2为本发明实施例1中的铜/铝复合带的复合界面形貌电镜照片图；

图3为本发明实施例2中的铜/铝复合带的复合界面形貌电镜照片图；

图4为本发明实施例3中的铜/铝复合带的复合界面形貌电镜照片图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的软状态（M）T2紫铜带为市购产品。

本发明实施例中采用的硅质量百分含量3.25~8.89%的软状态（M）铝硅合金带为市购产品。

本发明实施例中采用的NaOH溶液的重量浓度为45%。

本发明实施例中采用的丙酮为工业丙酮。

本发明实施例中采用的惰性气体为氩气。

本发明实施例中的惰性气体保护条件是指在惰性气体保持流通的条件下进行。

本发明实施例中复合轧制采用的设备为Ф50mm 四辊可逆轧机。

本发明实施例中精轧采用的设备为Ф20mm二十辊不可逆轧机。

本发明实施例中进行轧制复合时，铜原料与硅铝合金原料依次经开卷机、矫直机、打磨装置、光电对中和复合轧机完成开卷、矫直、打磨、对中和轧制复合过程。

本发明实施例中测量复合界面平均尺寸采用的仪器为Leica 金相显微镜及JSM-7001F场发射扫描电镜。  

本发明实施例中测试剪切强度、屈服强度、抗拉强度和延伸率的仪器为CMT 5105电子万能试验机。

实施例1

采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量3.25%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；

将铜原料与硅铝合金原料分别采用NaOH溶液清表面去除杂质，然后用钢刷打磨去表面除氧化皮，再用丙酮去除表面油污，冷风吹干，完成表面处理；

将完成表面处理的铜原料与硅铝合金原料进行轧制复合，轧制复合的压下率控制在75%，制成厚度在0.5mm的轧制复合带；

将轧制复合带在惰性气体保护条件下，以8℃/s的升温速度升到200℃，保温2h，然后随炉冷却至室温，平均降温速度在10℃/ min，完成扩散退火；

将完成扩散退火的轧制复合带进行精轧，精轧总压下率为80%，获得厚度在0.1mm的精轧复合带；

将精轧复合带进行连续退火，连续退火温度为500±10℃，时间为5min，连续退火结束后空冷至室温，制成复合界面层平均厚度1.15μm的铜/铝复合带，其剪切强度96MPa，屈服强度82 MPa，抗拉强度95 MPa，伸长率7.5%；铜/铝复合带基体完全再结晶，界面化合物为CuAl、CuAl₂、Cu₃Al₂和Cu₉Al₄；复合界面形貌电镜照片如图2所示；

采用纯铝带按上述方式与铜带复合轧制，制备成的铜/铝复合带剪切强度68MPa，屈服强度82MPa，抗拉强度85 MPa，伸长率2%，复合界面层平均厚度2.2μm；铜/铝复合带基体完全再结晶，界面化合物为CuAl、CuAl₂、Cu₃Al₂和Cu₉Al₄；复合界面形貌电镜照片如图1所示。

实施例2

采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量5.58%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；

将铜原料与硅铝合金原料分别采用NaOH溶液清表面去除杂质，然后用钢刷打磨去表面除氧化皮，再用丙酮去除表面油污，冷风吹干，完成表面处理；

将完成表面处理的铜原料与硅铝合金原料进行轧制复合，轧制复合的压下率控制在66.7%，制成厚度在1.8mm的轧制复合带；

将轧制复合带在惰性气体保护条件下，以12℃/s的升温速度升到300℃，保温0.5h，然后随炉冷却至室温，平均降温速度在20℃/ min，完成扩散退火；

将完成扩散退火的轧制复合带进行精轧，精轧总压下率为44.4%，获得厚度在1.0mm的精轧复合带；

将精轧复合带进行连续退火，连续退火温度为500±10℃，时间为6min，连续退火结束后空冷至室温，制成复合界面层平均厚度0.5μm的铜/铝复合带，其剪切强度102MPa，屈服强度85 MPa，抗拉强度102 MPa，伸长率6.0%；铜/铝复合带基体完全再结晶，界面化合物为CuAl、CuAl₂、Cu₃Al₂和Cu₉Al₄；复合界面形貌电镜照片如图3所示。

实施例3

采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量8.89%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；

将铜原料与硅铝合金原料分别采用NaOH溶液清表面去除杂质，然后用钢刷打磨去表面除氧化皮，再用丙酮去除表面油污，冷风吹干，完成表面处理；

将完成表面处理的铜原料与硅铝合金原料进行轧制复合，轧制复合的压下率控制在70%，制成厚度在3mm的轧制复合带；

将轧制复合带在惰性气体保护条件下，以15℃/s的升温速度升到400℃，保温1h，然后随炉冷却至室温，平均降温速度在30℃/ min，完成扩散退火；

将完成扩散退火的轧制复合带进行精轧，精轧总压下率为33.3%，获得厚度在2mm的精轧复合带；

将精轧复合带进行连续退火，连续退火温度为500±10℃，时间为8min，连续退火结束后空冷至室温，制成复合界面层平均厚度1.6μm的铜/铝复合带，其剪切强度118Pa，屈服强度86MPa，抗拉强度102MPa，伸长率5.5%；铜/铝复合带基体完全再结晶，界面化合物为CuAl、CuAl₂、Cu₃Al₂和Cu₉Al₄；复合界面形貌电镜照片如图4所示。

实施例4

采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量3.25%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；

将铜原料与硅铝合金原料分别采用NaOH溶液清表面去除杂质，然后用钢刷打磨去表面除氧化皮，再用丙酮去除表面油污，冷风吹干，完成表面处理；

将完成表面处理的铜原料与硅铝合金原料进行轧制复合，轧制复合的压下率控制在65%，制成厚度在1.75mm的轧制复合带；

将轧制复合带在惰性气体保护条件下，以10℃/s的升温速度升到250℃，保温2h，然后随炉冷却至室温，平均降温速度在15℃/ min，完成扩散退火；

将完成扩散退火的轧制复合带进行精轧，精轧总压下率为40%，获得厚度在1.05mm的精轧复合带；

将精轧复合带进行连续退火，连续退火温度为500±10℃，时间为9min，连续退火结束后空冷至室温，制成复合界面层平均厚度0.8μm的铜/铝复合带，其剪切强度106MPa，屈服强度90 MPa，抗拉强度105 MPa，伸长率6.3%。

实施例5

采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量8.89%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；

将铜原料与硅铝合金原料分别采用NaOH溶液清表面去除杂质，然后用钢刷打磨去表面除氧化皮，再用丙酮去除表面油污，冷风吹干，完成表面处理；

将完成表面处理的铜原料与硅铝合金原料进行轧制复合，轧制复合的压下率控制在70%，制成厚度在1.5mm的轧制复合带；

将轧制复合带在惰性气体保护条件下，以15℃/s的升温速度升到350℃，保温0.5h，然后随炉冷却至室温，平均降温速度在25℃/ min，完成扩散退火；

将完成扩散退火的轧制复合带进行精轧，精轧总压下率为60%，获得厚度在0.6mm的精轧复合带；

将精轧复合带进行连续退火，连续退火温度为500±10℃，时间为10min，连续退火结束后空冷至室温，制成复合界面层平均厚度0.9μm的铜/铝复合带，其剪切强度99MPa，屈服强度82 MPa，抗拉强度95 MPa，伸长率7.1%。

Claims (5)

1.一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）采用软状态的T2紫铜带为铜原料；采用硅质量百分含量3.25~8.89%的软状态的铝硅合金带为硅铝合金原料；铜原料与硅铝合金原料的厚度比为1:1；

（2）将铜原料与硅铝合金原料分别进行表面处理；

（3）将完成表面处理的铜原料与硅铝合金原料进行轧制复合，轧制复合的压下率控制在65~75%，制成轧制复合带；

（4）将轧制复合带在惰性气体保护条件下，以8~15℃/s的升温速度升到200~400℃，保温0.5~2h，然后随炉冷却至室温，完成扩散退火；

（5）将完成扩散退火的轧制复合带进行精轧，精轧总压下率为33.3~80%，获得厚度在0.1~2mm的精轧复合带；

（6）将精轧复合带进行连续退火，连续退火温度为500±10℃，时间为5~10min，连续退火结束后空冷至室温，制成复合界面层平均厚度在0.5~1.6μm的铜/铝复合带。

2.根据权利要求1所述的一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法，其特征在于所述的轧制复合带的厚度在0.5~3mm。

3.根据权利要求1所述的一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法，其特征在于随炉冷却时的平均降温速度在10~30℃/ min。

4.根据权利要求1所述的一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法，其特征在于所述的铜/铝复合带的剪切强度在94~118MPa，屈服强度在82~90MPa，抗拉强度在95~105 MPa，伸长率在5.5~7.5%。

5.根据权利要求1所述的一种减少界面层厚度的铜/铝复合带制备方法，其特征在于所述的表面处理是采用NaOH溶液清理表面去除杂质，然后用钢刷打磨去除表面氧化皮，再用丙酮去除表面油污，风干后完成表面处理。