[发明专利]一种提高铜/铝冷轧复合超薄带材界面结合强度的方法

说明书

 

技术领域

    本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种提高铜/铝冷轧复合超薄带材界面结合强度的方法。

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，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较困难，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/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。

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。主要问题是控制复合界面宽度和界面化合物的形态及分布问题。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。

对于厚度在0.15mm以下的超薄复合带，其界面对复合材料的性能（主要是塑性）有着更加显著的影响，在实施热处理以提高界面强度的研究中，人们的现有技术也仅仅局限于常规的热处理手段，但是，复合材料界面的很多问题，诸如复合后界面形态的控制问题、界面化合物的抑制问题、界面与复合带组织性能的关系问题、基体的回复、再结晶问题等等，现有常规热处理技术并不足以给予解决，使得复合薄带在使用中由于塑性低，易于断带，而造成铜铝冷轧复合薄带应用的巨大障碍。