有色金属科学与工程  2010, Vol. 1 Issue (1): 15-17, 23
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电缆用铜/铝复合带制备工艺研究[PDF全文]
赵鸿金 , 张迎晖 , 王达 , 杨斌 , 徐高磊     
江西理工大学材料与化学工程学院,江西 赣州 341000
摘要:研究了制备工艺对电缆用铜/铝复合带组织和性能的影响.结果表明:电缆用铜/铝复合带冷轧复合加工率应大于67%,合理的退火工艺为310℃×1.5h.铜/铝复合界面是通过轧制物理结合-退火冶金结合机理形成的.
关键词铜/铝复合带    冷轧复合    退火工艺    界面复合机理    
Production Process of Cu/Al Cladding Strip Used for Cable
ZHAO Hong-jin, ZHANG Ying-hui, WANG Da, YANG Bin, XU Gao-lei    
Faculty of Materials and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
Abstract: This paper studies the production process of copper/aluminum cladding strip used for cable on different cold rolling and annealing process. The results showed that cold rolling rate should larger than 67 %. And the proper annealing process for Cu/Al cladding strip was carried out at 31℃ for 1.5 hours. The mechanism of interface combination was composed by physical combination in cold rolling and metallurgical combination in annealing.
Key words: copper/aluminum cladding strip    cold rolling    annealing process    mechanism of interface combination    
0 引言

铜/铝层状复合材料兼备铜的导电、导热率高、接触电阻低和外表美观,以及铝的质轻、耐腐蚀、经济等优点,广泛用于电子、电器、电力、冶金设备、机械、汽车、能源和生活用具等领域[1]。高频通讯信号因“集肤效应”电流仅集中在导体的表面传输,用纯铜传输信号时,中心部位的铜没有起到主要传输信号的作用.用铜/铝复合带代替纯铜带制备高频电缆是“以铝节铜”的理想方法,具有显著的应用前景.

近年来对于采用轧制法制备铜/铝复合板、排的复合机理、复合工艺已有一定的研究并取得了初步认识[2-7],而对于射频电缆用外导体替代材料——铜/铝复合带的研究较少.本文研究了电缆用铜/铝复合带的冷轧复合及退火工艺,探讨了冷轧复合机理,为其工业化应用提供理论依据.

1 实验方法

原料采用纯铝和紫铜,铝板规格为2.9 mm× 20 mm,软态;铜板规格为0.8 mm×18 mm,软态.

实验采用三步法复合工艺,即表面处理、轧制复合、热处理.先将铝板和铜板表面清洗干净,经表面处理后立即进行轧制复合.压下率分别为55 %,67 %,80 %。轧后退火温度分别取250 ℃、310 ℃、340 ℃、370 ℃、400 ℃;退火时间分别取1h、1.5h、3h、4.5h、6h.采用ϕ500 mm×1000 mm不可逆轧机进行轧制复合,退火在SX-5-12箱式电阻炉中进行,采用WDW3200电子拉伸实验机测试复合带的力学性能,BT6试验机进行杯突试验,其结果为3个试样的平均值.复合机理研究在带EDAX能谱仪的飞利浦XL30W/TMP型扫描电镜上进行.

2 实验结果分析与讨论 2.1 冷轧加工率对复合带复合效果的影响

不同压下率时复合带的实物照片如图 1所示.当压下率为55 %时,复合带虽然可以复合在一起,但其复合效果不好,界面很容易开裂(图 1(a));当压下率为67 %时,复合带的复合效果良好,界面可以牢固的结合在一起,而且板型良好,没有出现波浪、露铝等缺陷(图 1(b));当压下率为80 %时,复合带的复合效果差,界面虽然可以牢固的结合在一起,但是容易出现明显波浪、露铝等缺陷(图 1(c)).从实物照片来考虑,合适的压下率在67 %比较合适.

图 1 不同压下率时复合带的实物照片

2.2 退火工艺对复合带性能的影响

经67 %冷轧复合的铜/铝复合带在不同退火温度处理1 h后的性能如表 1所示.

表 1 不同退火温度处理1h后复合带的性能
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表 1可以看出:复合带的抗拉强度随着退火温度的升高逐渐降低,且在280~310 ℃时降低的速率最大,从189 MPa降到138 MPa,而后降低的速率逐渐平缓;复合带的延伸率随着退火温度的升高先增加而后再降低,在280~310 ℃时延伸率升高的速率最快,从2.92 %升到18.92 %, 在370 ℃时达到最大值23.09 %,但在400 ℃时降低为21.54 %.

复合带的杯突值随着退火温度的升高先增加而后再降低,340 ℃×1h退火后达到最大值10.8 mm,再升高温度其值开始降低.针对高频电缆用复合带的力学性能要求抗拉强度≥110MPa、延伸率≥30%,初步选择退火温度为310 ℃.

铜/铝复合带经310 ℃不同退火时间后的性能如表 2所示.

表 2 复合带310℃不同退火时间后的性能
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表 2可以看出:复合带的抗拉强度随着退火时间的延长逐渐降低,在1~1.5 h时降低的速率最快,从138 MPa降低到115 MPa,而后降低的速率逐渐平缓;复合带的延伸率随着退火时间的延长先增加而后再降低,在1~1.5 h时延伸率升高的速率最快,从18.92 %升高到33.16 %,在4.5 h时达到最大值35.13 %,但在6 h时降低为28.10 %;复合带的杯突值随着退火时间的延长先增加而后再降低,在4.5 h退火后达到最大值11.8 mm,再延长退火时间其值开始降低.考虑退火效率及力学性能要求,合适的退火时间为1.5 h.

冷轧态的复合带内部存在大量的位错,故其具有较高的强度和较低的塑性.在退火过程中,复合带的纤维态组织通过回复与再结晶转变为等轴晶组织,其位错密度下降,这是复合带的抗拉强度逐渐降低、延伸率和杯突值逐渐升高的一个原因.

2.3 退火工艺对复合带显微组织的影响

复合带界面显微组织如图 2所示.可以看出:冷轧后铜/铝复合带的金相显微组织为变形的纤维组织(图 2(a));310 ℃退火1 h后,复合带Al侧的晶粒明显变短变宽(图 2(b)),Al侧已经开始发生再结晶;对于Cu侧而言,此时出现了明显的等轴晶和退火孪晶. 310 ℃×1.5 h退火时(图 2(c))显微组织呈现大量的类等轴晶粒,中间也夹杂着少量宽化的纤维状晶粒. 310 ℃×4.5 h(图 2(d))退火时,复合带的显微组织已经趋近于完全再结晶.

(a)未退火;(b)310℃×1h;(c)310℃×1.5h;(d)310℃×4.5h 图 2 不同退火工艺下复合带(左侧为Al,右侧为Cu)界面显微组织

值得注意的是,在310 ℃×4.5 h(图 2(d))退火时,界面的Al侧附近开始出现明显的板状细晶区,并且板状细晶区的晶粒呈现逐渐长大的趋势.其原因有两个方面:一方面,在大压下量的塑性变形中,紧邻结合面的晶粒有部分晶界与界面重合而不能自由迁移,即结合面本身存在的对晶粒长大的机械阻碍作用使结合面附近的晶粒较细;另一方面,由于在相同的温度下Cu在Al基体的扩散速率比Al在Cu基体的扩散速率大一个数量级左右,因此界面上的扩散物流主要是Cu原子向Al基体运动,导致结合面Al侧一定范围内优先形成富Cu的固溶体,而固溶体晶界受溶质原子的拖拽,其迁移速率一般要低于纯组元晶粒迁移速率.

2.4 界面复合机理

双金属复合研究的一个关键问题是界面的复合机理[2-9].研究表明,轧制复合是通过铜硬化层产生裂口,新鲜金属铝挤入铜裂口中而形成物理相互结合(图 3(a)).在退火过程中,铜、铝两种原子在高温下通过结合面相互扩散进入相邻的金属基体同时诱导晶界迁移,在结合面上造成两侧原子更多的键合机会[8];另外金属基体发生再结晶,界面缺陷消失,残余应力得到释放,原子重新排列,促进结合面形成更多的整合点阵位置或者共有晶界;这些有利元素促使结合面有物理结合过渡为冶金结合(图 3(b)).复合带界面由物理结合转变为冶金结合后,其界面的结合性能显著提高[8];当铜与铝实现良好的复合后,变形过程则体现明显的“整体性”特点,铜与铝结合得越好则复合带的延伸率和杯突值也越高;因复合带的“整体性”特点,其抗拉强度下降的速率也逐渐平缓.

图 3 复合带Cu侧的剥离形貌

但是,当退火温度较高或时间较长,铜、铝都已经发生了完全再结晶,且复合界面的扩散层逐渐增厚,并产生硬而脆的金属间化合物,这将导致复合带的结合性能急剧恶化,故复合带的延伸率和杯突值开始下降,抗拉强度的降低速率变大.

3 结论

(1) 电缆用铜/铝复合带冷轧加工率应大于67%.

(2) 合适的退火工艺可以改善复合带的力学性能和成形性能,310℃×1.5h退火时可以满足电缆用铜/铝复合带的使用要求.

(3) 铜/铝复合界面是通过轧制物理结合-退火冶金结合机理形成的.

参考文献
[1]
黄伯云, 李成功, 石力开, 等. 中国材料工程大典[M]. 北京: 化工工业出版社, 2006.
[2]
王小红, 唐荻, 许荣昌, 等. 铝-铜轧制复合工艺及界面结合机理[J]. 有色金属, 2007, 59(1): 21–24.
[3]
黄宏军, 贾真, 袁晓光. 铜-铝-铜复合板导电特性的模拟[J]. 特种铸造及有色合金, 2007, 27(5): 354–356.
[4]
PENG X K, HENSS G, YEUNG W Y. Effect of Rolling Temperature on Interface and Bond Strength Development of Roll Bonded Cop-per-aluminum Metal laminates[J]. Journal of Materials Science, 1999, 34: 277–281. DOI: 10.1023/A:1004497304095.
[5]
PENG X K, WUHRER R, HENESS G, et al. Rolling Strain Effects on the Inter-laminar Properties of Roll Bonded Copper-Aluminum Metal Laminates[J]. Journal of Materials Science, 2000, 35: 4357–4363. DOI: 10.1023/A:1004852806390.
[6]
PENG X K, WUHRER R, HENESS G, et al. On the Interface Development and Fracture Behaviour of Roll Bonded CopperaluMinum Metal Laminates[J]. Journal of Materials Science, 1999, 34: 2029–2038. DOI: 10.1023/A:1004543306110.
[7]
孟亮, 张雷, 周世平, 等. 退火工艺对Ag/Cu层复合板分离强度的作用[J]. 材料热处理学报, 2002, 23(9): 31–33.
[8]
张胜华, 郭祖军. 铝/铜轧制复合板的界面结合机制[J]. 中南工业大学学报, 1995, 26(4): 510–512.
[9]
李民权, 张辉, 李落星. 热轧钢/铝复合板结合强度及界面的研究[J]. 热加工工艺, 2008, 37(24): 34–37. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3814.2008.24.011.