一种铜/铝侧面复合带材的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜/铝侧面复合带材的制备方法，属于金属材料成型领域。

背景技术

在电子元器件、新能源电池等行业，由于导电和焊接的要求，往往需要复合材料来实现其功能性和工艺性。其中，铜/铝复合材料不仅具有功能性和工艺性，而且以铝替铜显著降低了生产成本，是电子、电池领域最受欢迎的复合材料之一。目前铜铝复合材料主要有层状复合和侧面复合两大类。层状复合技术相对比较成熟，采用轧制复合、固液复合、爆炸复合等方法生产的层状复合材料均能达到使用要求，但是却存在铜铝混合后不易回收利用的不足。而侧面复合带材制造零部件时，可实现铜和铝分别回收，因而表现出显著的经济效益和更广阔的应用前景。

目前，侧面复合材料的制备主要采用轧制复合、电子束焊接、挤压复合或者结合几种工艺来实现，但均存在不同程度的问题。如电子束焊接法容易造成材料组织缺陷；轧制复合制备的材料结合强度不高，且轧制过程难以控制；挤压复合存在尺寸不可控的问题。

为解决以上异种金属侧面复合存在的问题，专利ZL202211111891.9公开了一种Cu/Al侧面复合材料及其制备方法。该方法首先将铜条和铝条侧面进行预设结构并配对拼合，然后进行包覆退火、凹槽辊限位轧制、热轧开坯、温轧、退火、冷精轧、分条等工艺处理，并结合轧制过程较高的轧制速度。专利ZL202110262998.2公开了一种侧向叠轧铜铝复合材料及其生产方法。该方法首先需要对铜板带和铝板带进行软化退火以及表面处理，然后错位叠层后进行轧制复合。由于属于固固复合中的轧制复合，就必须保证单道次变形量大于55％，才能实现有效结合，这对装备提出了较高的要求。并且由于固固轧制复合的界面结合强度有限，因此还需要进行退火，以增强界面结合强度后，才能进行进一步冷精轧，冷精轧后仍需进一步退火处理，以提高界面结合强度，可见该技术工艺路径较为繁琐。ZL200410062242.X，ZL201910957319.6，ZL200710068784.1，ZL200910176432.7等专利公开的侧面复合带材的制备方法中均需要先进行侧面开槽和后续退火处理，均显著影响了生产效率，增加了控制难度。

因此，亟需提供一种工艺路线简单，生产成本低的铜/铝侧面复合带材的制备方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铜/铝侧面复合带材的制备方法。本发明先制备出铜/铝层状复合厚板，然后将铜/铝层状复合厚板分切，并翻转90度使切口朝上或朝下进行冷轧，在冷轧过程中，通过小变形量轧制以保证铜和铝的变形均匀性，避免了界面开裂，从而获得铜/铝侧面复合带材，本发明的制备方法简单可控，适合于工业化大生产。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种铜/铝侧面复合带材的制备方法，将铜/铝层状复合厚板沿垂直于铜铝结合面的方向进行分切获得铜/铝复合坯料，将铜铝复合坯料翻转90度，使切口朝上或朝下进行冷轧即得铜/铝侧面复合带材，所述冷轧时，控制道次变形量为5～20％。

本发明的制备方法，将铜/铝层状复合厚板沿垂直于铜铝结合面的方向进行分切，获得铜铝复合坯料，再将铜铝复合坯料翻转90度，使切口朝上或朝下进行冷轧，冷轧过程中无需中间退火处理，仅需控制冷轧过程中的变形量，采用小变形量以保证铜和铝的变形均匀性，即能够获得铜/铝侧面复合带材。

作为优选方案，所述铜/铝层状复合厚板通过将铜板与铝板层叠后爆炸复合制备。发明人发现，采用爆炸复合既可使铜/铝之间形成冶金结合，且避免形成金属间化合物，因此后续冷轧过程中无需中间退火处理。

在实际生产过程中，根据产品尺寸要求，选择不同铜和铝厚度比例的铜/铝爆炸复合板。根据厚度要求，爆炸复合板可进行一次爆炸成型也可多次爆炸成型。

进一步的优选，所述爆炸复合采用低爆速炸药，使铜/铝界面为平直界面。

本发明中，低爆速炸药是指爆速为1500m～2500m/s的炸药。

发明人发现，采用低爆速炸药进行爆炸复合时，所制备的复合板铜铝界面为平直界面，平直界面相比于波浪型界面，在后续轧制中更容易使轧制后复合板材界面形状规则，性能更优。

作为优选方案，所述铜/铝层状复合厚板中，铝层和铜层的厚度均为5～50mm，铜/铝层状复合厚板的宽度为0.5～2m，长度为1～2m。

本发明中，将分切后得到的铜铝复合坯料翻转90度使切口朝上或朝下进行冷轧，冷轧时，铜铝复合坯料的宽度方向即为铜/铝层状复合厚板的厚度方向，铜铝复合坯料的厚度方向，即为铜/铝层状复合厚板分切的宽度，铜铝复合坯料的长度方向与原始铜/铝层状复合厚板的长度方向一致。

作为优选方案，待轧的铜铝复合坯料的厚度为铜/铝层状复合厚板厚度的55％～65％。该铜铝复合坯料的厚度以铜铝复合坯料冷轧时的方向定义，发明人发现，将分切的宽度控制为铜/铝层状复合厚板厚度的55％～65％，该厚度比例有利于后续轧制的稳定性。

作为优选方案，所述冷轧过程中，每调整一次辊缝，控制铜铝复合坯料至少两次通过轧辊进行轧制，且第二次通过轧辊时，调换铜铝复合坯料的正反面或调换铜铝复合坯料的头尾。

本发明的冷轧时，每调整一次辊缝，坯料至少往复通过轧辊两次，且控制第二次通过轧辊时，调换铜铝复合坯料的正反面或调换铜铝复合坯料的头尾，保证了伸长较小的金属进一步伸长。因此，每调整一次辊缝，两种金属的总伸长一致，从而避免了弯曲和界面撕裂问题。

作为优选方案，所述冷轧分为三段，其中第一段冷轧时的道次变形量为4～6％，轧制速度为3～5m/min，第一段冷轧至坯料的总变形量为25～35％；第二段冷轧时的道次变形量为10～20％，轧制速度为5～10m/min，第二段冷轧至坯料的总变形量为55～65％；第三段冷轧时的道次变形量为8～10％,轧制速度为10～15m/min，第三段冷轧至坯料的总变形量为80～95％。

在本发明中，第一阶段冷轧时，采用较小的变形量与轧制速度，避免铜和铝因其塑性变形能力不同而导致轧后长度不同，进而导致弯曲和开裂，同时较慢的轧制速度，避免了因轧制温升而导致的铜铝塑性变形能力的差异增大；第二段冷轧时，与常规轧制复合相比，该步骤的道次变形量依然较小，但是相比于第一阶段，第二阶段属于轧制变形的稳定期，适当提高道次变形量与轧制速度，可提高生产效率；第三段冷轧时，再次减小道次变形量可提高最终产品的尺寸精度，同时适当提高轧制速度(相比于前两段)，可提高生产效率。

进一步的优选，第一段冷轧至坯料的总变形量为30～35％，第二段冷轧至坯料的总变形量为60～65％，第三段冷轧至坯料的总变形量为85～95％。

进一步的优选，所述第一段冷轧时，每调整一次辊缝后，需控制铜铝复合坯料至少两次通过轧辊进行轧制，且第二次通过轧辊时，调换铜铝复合坯料的正反面。

本发明的第一段冷轧时，一方面采用小的变形量，避免铜和铝因其塑性变形能力不同而导致轧后长度不同，进而导致的弯曲和开裂，同时较慢的轧制速度，避免了因轧制温升而导致的铜铝塑性变形能力的差异增大，另一方面，轧制过程中，每调整一次辊缝，控制铜铝复合坯料至少两次通过轧辊，且第二次轧制时进行翻面，保证第二次通过轧辊时，伸长较小的金属进一步伸长，从而确保了每调整一次辊缝，两种金属的总伸长一致，避免了弯曲和界面撕裂问题。

作为优选方案，所述第二段冷轧时，先通过张力牵引装置施加预张力，让铜铝复合坯料处于绷紧状态，同时每调整一次辊缝后，需控制铜铝复合坯料至少两次通过轧辊，且第二次通过轧辊时，调换铜铝复合坯料的正反面。

本发明在第二段轧制过程中，与常规轧制复合相比，该步骤的道次变形量依然较小，不过由于牵引装置的加入以及该阶段处于轧制的稳定变形期，可适当提高道次变形量与轧制速度，从而提高生产效率，此外，同样利用每调整一次辊缝，控制铜铝复合坯料至少两次通过轧辊，且第二次轧制时进行翻面，保证第二次通过轧辊时，伸长较小的金属进一步伸长，从而确保了每调整一次辊缝，两种金属的总伸长一致，避免了弯曲和界面撕裂问题。

在本阶段，通过牵引装置的引入进一步的稳定轧制，使坯料在长度方向的受力稳定，横向拉应力减小，减小了界面因横向拉应力而开裂的风险，因而可以适当提高道次变形量与轧制速度。

作为优选方案，所述第三段冷轧时，先通过张力牵引装置施加预张力，让铜铝复合坯料处于绷紧状态，同时每调整一次辊缝后，需控制铜铝复合坯料至少两次通过轧辊进行轧制，且第二次通过轧辊时，调换铜铝复合坯料的头尾互换。

本发明在第三段冷轧过程中，相对于第二段冷轧，进一步降低了变形量，这是因为接近目标厚度，减小道次变形量可提高最终产品的尺寸精度，同时依然采用较高的轧制速度提高生产效率；此外在第三段冷轧过程中，通过调换铜铝复合坯料的头尾使伸长较小的金属进一步伸长，以确保两种金属的总伸长一致，发明人发现，在第三段冷轧时，由于材料已实施成卷轧制，调换头尾方便操作，且同样能起到确保两种金属的总伸长一致的效果。

在实际操过程中，结束冷轧后，切边，即得铜/铝侧面复合带材。

作为优选方案，所述铜/铝侧面复合带材的厚度为0.5～5mm，铜/铝侧面复合带材中，铜侧与铝侧的宽度均为5～50mm。

在本发明中，所制备的铜/铝侧面复合带材的厚度为0.5～5mm，可满足不同产品对厚度的要求，在实际操作过程中，若所需目标产品较厚，对应从爆炸复合厚板上切取的坯料也厚，目标产品较薄时，对应切取的坯料也较薄。但从性能的角度考虑，需保证总变形量为85～95％，而切边的宽度也是根据轧制后复合带材中铜和铝的宽度以及目标产品对铜和铝宽度的要求而定，铝和铜侧宽度均为5～50mm之间，且宽度可相同也可不同。

本发明制备的铜铝侧面复合带材，铜铝结合界面沿厚度方向呈相互咬合状，且轧制过程不进行任何加热和退火处理。

原理与优势

本发明提供了一种铜/铝侧面复合带材的制备方法，解决了异种金属侧面复合轧制过程面临的两大技术难题：(1)界面冶金结合问题；(2)轧制时，两种金属塑性不同导致变形不均匀而引起的界面撕裂问题。首先，在解决界面结合问题时，摒弃常规方法中通过退火处理，促使元素发生扩散而实现冶金结合。退火在实现冶金结合的同时也导致界面金属间化合物的形成和长大，对界面结合强度不利。本发明利用爆炸复合过程中必然形成的冶金结合，特别是具有平直界面的爆炸复合板，既可以保证良好的冶金结合，又避免形成金属间化合物，从而无需后续加热和退火处理也能解决界面冶金结合问题。其次，在解决异种金属轧制过程不均匀变形的问题时，通过采用较小的道次变形量，能够显著减小每道次轧制后两种金属伸长率的差别(实施过程发现小道次变形量轧制后，两种金属的伸长率的差别不足1％)。结合每调整一次压下量，坯料往复通过轧辊两次的手段，保证第二次通过轧辊时，伸长较小的金属进一步伸长。因此，每调整一次辊缝，两种金属的总伸长一致，从而避免了弯曲和界面撕裂问题。此外，该发明技术中整个轧制过程不进行退火处理，使得异种金属的硬化程度趋于一致，不均匀变形程度进一步缩小。因此，本发明具有工艺路线简单，可连续化生产，成本低的优势。

常规锯齿状结合界面的铜/铝侧面复合材料通常经历了退火处理，从而增加了界面金属间化合物层的厚度，而金属间化合物层越厚，界面的结合强度越低。本发明中的相互咬合界面无需退火处理即可形成，因此所制备的复合带材界面中金属间化合物层仅来源于爆炸复合过程，而原始平直界面的爆炸复合板材，界面金属间化合物层通常较少。因此本发明中相互咬合的、较少界面金属间化合物层的界面可保证良好的界面结合强度。

附图说明

图1本发明实施例1中铜/铝侧面复合样品。

图2本发明实施例1中铜/铝侧面复合带材沿厚度方向结合面剖面图。

具体实施方式

以下为本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本工艺创新原理的前提下，凡是利用本发明说明书内容所作的等效工艺变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均视为本发明的专利保护范围。

实施例1

利用低爆速炸药，采用一次爆炸复合获得的铜/铝复合厚板为原料，其中铜(牌号T2)层厚度为50mm，铝(牌号1060)层厚度为10mm，复合板总厚度为60mm，宽度为1m，长度为2m，铜铝界面为平直界面，无明显金属间化合物。沿着爆炸复合板的长度方向切取厚度为40mm，长度为2m的坯料。切取的坯料以40mm方向为轧制的厚度方向，60mm方向(爆炸复合板的厚度)为轧制宽度方向，2m方向为轧制长度方向，在2辊冷轧机上进行冷轧，设置轧制的道次变形量为5％(实际轧制存在不足1％的偏差)，轧制速度为3mm/min，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到28mm时(变形量30％)，调整道次变形量为10％，轧制速度为5mm/min，并增加牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，且第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到16mm时(变形量60％)，调整道次变形量为8％，轧制速度为10mm/min，并增加收卷牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次喂料与第一次喂料头尾互换。当坯料厚度达到4mm时(变形量90％)，结束轧制。切除侧面宽展部分，保证铜侧宽度为50mm，铝侧宽度为10mm，得到总宽度为60mm(50mm铜+10mm铝)，厚度为4mm，长度为20m的铜/铝侧面复合带材，该带材界面沿厚度方向呈相互咬合的特点，拉剪法测得的界面结合强度为103MPa。

实施例2

利用低爆速炸药，采用两次爆炸复合获得的铜/铝复合厚板为原料，其中铜(牌号T2)层厚度为40mm，铝(牌号1060)层厚度为40mm，复合板总厚度为80mm，宽度为0.5m，长度为1.5m，铜铝界面为平直界面，无明显金属间化合物。沿着爆炸复合板的长度方向切取厚度为50mm，长度为1.5m的坯料。将切取的坯料以50mm方向为轧制的厚度方向，80mm方向(爆炸复合板的厚度)为轧制宽度方向，1.5m方向为轧制长度方向，在2辊冷轧机上进行冷轧，设置轧制的道次变形量为5％(实际轧制存在不足1％的偏差)，轧制速度为5mm/min，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到35mm时(变形量30％)，调整道次变形量为12％，轧制速度为10mm/min，并增加牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，且第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到18mm时(变形量64％)，调整道次变形量为10％，轧制速度为15mm/min，并增加收卷牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次轧制喂料与第一次喂料头尾互换。当坯料厚度达到3mm时(变形量93％)，结束轧制。切除侧面宽展部分，保证铜侧宽度为40mm，铝侧宽度为40mm，得到总宽度为80mm(40mm铜+40mm铝)，厚度为3mm，长度为25m的铜/铝侧面复合带材，该带材界面沿厚度方向呈相互咬合的特点，拉剪法测得的界面结合强度为110MPa。

实施例3

利用低爆速炸药，采用一次爆炸复合获得的铜/铝复合厚板为原料，其中铜(牌号T2)层厚度为5mm，铝(牌号1060)层厚度为20mm，复合板总厚度为25mm，宽度为1m，长度为2m，铜铝界面为平直界面，无明显金属间化合物。沿着爆炸复合板的长度方向切取厚度为15mm，长度为2m的坯料。将切取的坯料以15mm方向为轧制的厚度方向，25mm方向(爆炸复合板的厚度)为轧制宽度方向，2m方向为轧制长度方向，在2辊冷轧机上进行冷轧，设置轧制的道次变形量为5％(实际轧制存在不足1％的偏差)，轧制速度为4mm/min，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到10mm时(变形量33％)，调整道次变形量为15％，轧制速度为8mm/min，并增加牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，且第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到6mm时(变形量60％)，调整道次变形量为10％，轧制速度为12mm/min，并增加收卷牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次轧制喂料与第一次喂料头尾互换。当坯料厚度达到0.8mm时(变形量95％)，结束轧制。切除侧面宽展部分，保证铜侧宽度为5mm，铝侧宽度为20mm，得到总宽度为25mm(5mm铜+20mm铝)，厚度为0.8mm，长度为37.5m的铜/铝侧面复合带材，该带材界面沿厚度方向呈相互咬合的特点，拉剪法测得的界面结合强度为106MPa。

实施例4

利用低爆速炸药，采用一次爆炸复合获得的铜/铝复合厚板为原料，其中铜(牌号T2)层厚度为8mm，铝(牌号1060)层厚度为8mm，复合板总厚度为16mm，宽度为1m，长度为2m，铜铝界面为平直界面，无明显金属间化合物。沿着爆炸复合板的长度方向切取厚度为10mm，长度为2m的坯料。将切取的坯料以10mm方向为轧制的厚度方向，16mm方向(爆炸复合板的厚度)为轧制宽度方向，2m方向为轧制长度方向，在2辊冷轧机上进行冷轧，设置轧制的道次变形量为5％(实际轧制存在不足1％的偏差)，轧制速度为5mm/min，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到7mm时(变形量30％)，调整道次变形量为10％，轧制速度为10mm/min，并增加牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，且第二次通过轧辊时调换喂料的正反面。当坯料厚度达到3.5mm时(变形量65％)，调整道次变形量为8％，轧制速度为15mm/min，并增加收卷牵引装置继续轧制，每调整一次辊缝，坯料往复通过两次轧辊，第二次轧制喂料与第一次喂料头尾互换。当坯料厚度达到0.5mm时(变形量95％)，结束轧制。切除侧面宽展部分，保证铜侧宽度为8mm，铝侧宽度为8mm，得到总宽度为16mm(8mm铜+8mm铝)，厚度为0.5mm，长度为40m的铜/铝侧面复合带材，该带材界面沿厚度方向呈相互咬合的特点，拉剪法测得的界面结合强度为105MPa。

对比例1

其它条件与实施例1相同，仅第一段冷轧的道次变形量调整为50％，由于铜和铝的塑性变形能力不同，铝侧的伸长显著大于铜侧，直接导致结合界面裂开，无法继续进行。

对比例2

其它条件与实施例2相同，仅第二段冷轧的道次变形量调整为50％，仅经过一个道次轧制，结合界面就直接裂开，无法继续进行。

对比例3

其它条件与实施例1相同，仅第一段冷轧时每调整一次压下量，坯料仅通过一次轧辊(未进行二次往复)，经5道次轧制后，坯料弯曲严重，无法喂料，轧制失败。

对比例4

其它条件与实施例4相同，原始爆炸复合厚板的结合界面呈波浪形分布，存在明显的金属间化合物，轧制过程前期顺利进行，当总变形量达到68％时，由于界面脆性化合物的影响，界面出现部分开裂，轧制失败。