薄板轧制

工业制备方法

薄板轧制是一种为了减轻工作辊的机械负荷的工业制备方法。在轧制复合过程中,由于铜铝金属伸长率和变形抗力的不同,属于不对称均匀轧制,其变形规律比较复杂。因此,研究了轧制前铜铝厚度比与临界压下率的关系,以及总压下率与各轧制组元压下率的关系。

简介

铜铝复合材料不仅具有铜的导电、导热率高、接触电阻低和外表美观等优点,也具有铝的质轻、耐腐蚀、经济等优点。采用固相复合技术生产的铜铝复合板,还具有结合面过渡电阻和热阻抗低、耐蚀、耐用、延展性和成型性好等综合性能,可广泛用于电子、电器、电力、冶金设备、机械、汽车、能源和生活用具等各个领域。

通过大量的试验研究,人们对铜铝复合规律和结合机理有了一定的认识,并使用轧制法生产双金属复合板。美国的Metal and Control Cop提出了三步法工艺,即:表面处理--轧制复合--退火强化处理。然而,由于铜铝双韧性金属轧制复合较其他异种金属间的轧制复合更困难(特别是需要大的轧制压下率) ,使该技术实际应用一直受到工艺和设备等条件的限制,轧制复合的铜铝板材也未能得到推广。

轧制变形规律

由于在室温轧制复合,因此铜铝2种金属必须借助于大的压下率才能结合在一起。铜铝实现轧制复合的最小压下率称为临界压下率。在用钢刷对金属表面处理后,暴露出来的新鲜金属与空气接触,形成一层薄的硬质氧化膜。在轧制的过程中,金属表面的氧化膜破裂,漏出内部的新鲜金属,在压力作用下两边的新鲜金属互相咬合,从而达到复合. 当压下率过小时,不足以破坏其氧化层, 2种金属难以复合,所以要使2种金属很好地复合,必须达到临界压下率。

一般认为,轧制率的大小近似地等于新鲜金属表面的暴露率。当压下率小于临界压下率时,金属表面膜的破裂程度小,新鲜表面产生也少,使结合点的键合力不足以抵消表面膜的阻碍作用和复合组元间的弹性恢复作用,不能被复合;反之,当率越大时,能进行键合的新生表面部分就越大,因此也就表现出较大的复合强度。

通过轧制前铜铝厚度比与临界压下率的关系。可以看出,临界轧制压下率随铜铝厚比例的增加而减小。这是由于铜的变形抗力较大,变形小,而铝的变形较大,致使更多的新鲜铝金属的表面暴露,增加了能进行键合的新生表面积的缘故。当铜铝的厚度比例增加时,更小的临界压下率也可以达到轧制复合。

退火热处理对复合板界面的影响

在轧制复合时,铜铝双金属界面主要依赖接触点的塑性流变形成物理结合或表面凹凸不平处的相互嵌入形成机械啮合,称之为机械啮合能,达到物理结合;在退火处理过程中发生冶金结合。铜铝异类金属原子在高温下通过结合界面相互扩散进入相邻金属基体,诱导晶界迁移,在结合面上造成两侧原子有更多的键和新的排列,同时晶界也会迁移。这些原子运动会促使结合面形成更多的重合点阵位置或共有晶界,最终形成铜铝界面层,将结合面由物理结合状态过渡为冶金结合状态。当增加退火温度或延长退火时间时,铜铝金属原子在结合界面继续扩散进入相邻金属基体,发生结晶,铜铝界面层加厚,并有硬而脆的金属化合物形成。

退火热处理对复合板性能的影响

从退火时间1 h,温度对铜铝复合薄板的弯折性能及硬度的影响可以看出,退火大致分成3个温度区间:

①退火温度小于250 ℃时,复合板性能有所提高,但复合板的硬度值仍旧较高,铜和铝难以实现软化。材料弯曲性能较差,与未退火状态相差不大。

②退火温度在250～350 ℃之间时,性能进一步提高,弯折次数随着退火温度的升高而升高,塑性提高明显。在此区间退火时,铜和铝的硬度值已经降低,说明铜和铝发生软化。

③当退火温度超过350 ℃时,铜铝界面在第2次弯折时发生开裂,界面结合强度降低。根据界面分析可知,当退火温度超过350 ℃时,铜铝界面生成了脆性金属间化合物(CuAl3 , CuAl, Cu9Al4 等) ,降低了铜铝复合板的界面结合强度,致使界面在弯折试验中开裂。

总结

1.当铜厚度比例增加时,有更多新鲜铝金属的表面暴露,增加了能进行键合的新生表面积,在较小的临界压下率时可以达到轧制复合。

2. 铜铝组元压下率与总压下率之间成正比关系,随着轧制压下率的增大,各组元压下率也成增长趋势. 在最初阶段,铝的压下率高于铜,但随着总压下率的增大,二者的差值逐渐减小,变形趋于同步,有利于轧制复合。

3.铜铝轧制复合板最佳退火工艺为:采用退火温度350 ℃退火1 h,铜铝轧制复合板通过退火处理提高其塑性(弯折性能) ,随着退火温度的升高,复合界面会形成严重降低复合板结合强度的金属间化合物,导致复合板界面的结合丧失。

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