超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究.pdf

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超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究1 超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究2 超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究3 超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究4 超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究5 超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究6
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第22卷第5期2014年10月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll5Oct.2014超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究于洋1,宋鸿武1,陈岩1,徐勇1,张士宏1,王守东2(1.中国科学院金属研究所,沈阳110016;2.河南神州重型封头有限公司,河南新乡453731)摘要:针对电缆带以铝节铜的市场需求和超薄铜铝复合板带制备技术缺乏的现状,提出了包含叠轧的多道次累积轧制复合工艺,同时采用快速在线退火工艺成功制备了厚度为0.12mm的超薄铜铝复合电缆带,并对其不同道次和不同退火工艺下的拉伸力学性能进行了分析.研究表明:采用高温短时在线热处理可以达到低温长时退火处理的效果;超薄铜铝复合带的力学性能对厚度特别敏感;改变初始坯料状态和降低中间退火温度可以改善最终复合带的力学性能.关键词:轧制;铜铝复合带;轧制复合;热处理;力学性能中图分类号:TG335.81文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)05-0013-06Investigationonfabricationandmechanicalpropertyof⁃ultrathinCu/AlcladstripusedforcoaxYUYang1,SONGHongwu1,CHENYan1,XUYong1,ZHANGShihong1,WANGShoudong2(1.InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;2.HenanShenzhouHeavyHeadsCo.,Ltd,Xinxiang453731,China)Abstract:AccordingtothemarketdemandofCu/AlbimetalinsteadofpureCuforcoaxstripandthelackof⁃manufacturingtechnologyforultrathinCu/Alcladstrip.⁃Multicyclesaccumulativerollbondingwasproposed,⁃andusingrapidonlineannealingprocess,theultrathinCu/Alcladstripwith0.12mmthickwassuccessfullyfabricated.Itsmechanicalpropertyatdifferentcyclesandannealingprocesswasanalyzed,andtheresultsindicatethat,usinghightemperatureandshorttimeonlineannealingprocesscanreachthesameeffectoflowtemperatureandlongtime.ThemechanicalpropertyofCu/Alcladstripwith0.12mmthickisverysensitivetoitsthickness.ChangingtheoriginalconditionofmaterialsanddecreasingannealingtemperatureamongdifferentcyclescanimprovethemechanicalpropertyofCu/Alcladstrip.Keywords:rolling;Cu/Alcladstrip;rollbonding;heattreatment;mechanicalproperty收稿日期:2013-09-09.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51104141).作者简介:于洋(1988-),女,硕士研究生;张士宏(1962-),男,研究员,中科院百人计划专家.通信作者:宋鸿武⁃,Email:hwsong@imr.ac.cn.电缆带主要用于生产通讯电缆和射频屏蔽电缆,是一种高导电、高精度、大长度铜带的代表.但铜带造价高,资源短缺,因此,寻求导电性能同纯铜相当的低成本电缆带材料是适应电缆带市场飞速发展的必然需求[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,因此,以铜铝复合板带代替应用面特别广、需求量特别大的纯铜电缆带制备高频电缆是“以铝节铜”的理想方法,在电力和信号传输领域有着广泛的应用前景[2].我国至20世纪60年代开始生产通讯电缆所需外导体电缆带,其厚度从研制开始的0.65mm发展到现在的0.15mm,而随着电缆带使用频率的迅速提高,对电缆带厚度提出了进一步的减薄要求,要实现铜铝复合板带替代现有的纯铜电缆带,则需要开发厚度小于0.15mm的超薄铜铝复合带的制备技术.国内外从上世纪70年代起就针对铜铝复合板带的制备技术开展研究,但目前国内外关于铜铝复合板带的冷轧技术研究均集中在导电排等厚度>0.5mm的板带上[3-8],最新的关于电缆用铜铝带的冷轧复合工艺也是针对厚度为1mm以上的板带开展研究[2,9],对超薄铜铝复合带的制备技术还鲜有报道.因此,针对未来有广泛应用前景的超薄铜铝复合带的制备及组织性能控制开展基础研究具有相当的理论意义和实践价值.本文提出包含叠轧的多道次累积轧制复合工艺,同时采用快速在线退火工艺,成功地制备出厚度为0.12mm的超薄铜铝复合电缆带,并对其不同道次下的拉伸力学性能进行了分析,为超薄铜铝复合带的大规模工业化生产和应用奠定了基础.1超薄铜铝复合电缆带的制备工艺累积叠轧技术(ARB)最早是由日本大阪大学Saito等人在1998年提出的[10],ARB方法制备的超薄带结合强度高,且具有方法简单、设备便宜等工艺优势[11-14]易于实现大规模工业化,同时不存在环境污染问题.何春雨等人[15]利用ARB工艺制备出钢/钛/钢3层复合板,Xu等人[16]提出MARB技术,并制备出铜/铝双层复合板,均为采用叠轧工艺生产双层或三层复合材料提出了新的思路.在此基础上,本文提出了包含叠轧的多道次累积轧制复合工艺,其体工艺原理和制备的0.12mm厚同轴电缆用超薄铜铝复合带如图1所示.表面处理堆叠1.0mm冷轧复合在线热处理表面处理堆叠0.7mm冷轧复合0.2mm在线热处理在线热处理冷轧复合0.35mm0.35mm冷轧复合0.12mm铜铝复合带纸(a)(b)CuAl图1多道次累积轧制复合工艺原理图(a)及0.12mm厚同轴电缆用超薄铜铝复合带(b)2不同制备工艺对力学性能的影响为了研究中间退火工艺和初始带材状态对复合带材力学性能的影响,设计了3种轧制复合实验方案,如表1~3所示.其中,中间退火工艺采用高温短时在线退火方案,表中M代表软态,Y代表硬态.表1超薄铜铝复合带轧制实验方案1材料厚度(d)/mm退火工艺工序状态试样编号铝0.50℃400/30minM1-1铜0.50℃720/60minM1-2铜+铝0.35铜+铝0.35℃450/3.5min道次1Y1-3道次1M1-4铜铝+铝铜0.35铜铝+铝铜0.35℃500/3.5min叠轧,道次2Y1-5叠轧,道次2M1-6铜铝+铝铜0.20铜铝+铝铜0.20℃450/3.5min道次3Y1-7道次3M1-8铜铝+铝铜0.12铜铝+铝铜0.12℃430/3.5min道次4Y1-9道次4M1-10表2超薄铜铝复合带轧制实验方案2材料厚度(d)/mm退火工艺工序状态试样编号铝0.50℃400/30minM铜0.50℃720/60minM铜+铝0.35铜+铝0.35℃450/3.5min道次1Y同方案1道次1M铜铝+铝铜0.35铜铝+铝铜0.35℃550/3.5min叠轧,道次2Y叠轧,道次2M2-1铜铝+铝铜0.20铜铝+铝铜0.20℃480/3.5min道次3Y2-2道次3M2-3铜铝+铝铜0.12铜铝+铝铜0.12℃430/3.5min道次4Y2-4道次4M2-5方案1中的复合带在轧制1道次后经不同退火工艺处理,其拉伸力学性能如图2所示,可以看出,超过℃370的在线退火(约3.5min)处理可以充分实现中间退火的软化效果,其中℃400/3.5min退火后的力学性能同℃350/15min退火后的性能接近,表明采用高温短时的在线热处理可以达到低温长时退火处理的效果,同时,短时在线退火可大大提高退火的效率,因此,与目前的低温长时退火·41·材料科学与工艺第22卷工艺相比,本文所设计的高温短时在线中间退火方案可以成为复合带轧制制备的一种有效手段.表3超薄铜铝复合带轧制实验方案3材料厚度(d)/mm退火工艺工序状态试样编号铝0.50铜0.50℃720/60minY3-1M3-2铜+铝0.35铜+铝0.35℃450/3.5min道次1Y3-3道次1M3-4铜铝+铝铜0.35铜铝+铝铜0.35℃550/3.5min叠轧,道次2Y3-5叠轧,道次2M3-6铜铝+铝铜0.20铜铝+铝铜0.20℃480/3.5min道次3Y3-7道次3M3-8铜铝+铝铜0.12铜铝+铝铜0.12℃430/3.5min道次4Y3-9道次4M3-10450℃3.5min350℃10min350℃3.5min375℃3.5min385℃3.5min400℃3.5min430℃3.5min350℃15min热处理条件(a)延伸率454035302520151050延伸率/%热处理条件抗拉强度/MPa(b)抗拉强度250200150100500450℃3.5min350℃10min350℃3.5min375℃3.5min385℃3.5min400℃3.5min430℃3.5min350℃15min图2方案1中轧制1道次后的试样在不同退火工艺下的拉伸力学性能图3为各方案不同状态的轧制试样对应的拉伸力学性能.由图3可以看出,初始的软态铜带和铝带之间的力学性能差别较大,初始硬态铝的强度相比软态稍有提高,延伸率稍有下降,但同软态铜带相比,性能差别依然明显,不同的力学性能表明两者在复合轧制时会具有不同的变形行为,这也是铜铝复合带经常出现壁厚不均、漏铝或断带的原因.3种轧制实验方案下的力学性能变化具有相似的规律:随着轧制道次的增加和复合带厚度的减小,轧制态的延伸率普遍逐渐减小,而抗拉强度则是先增大,而后在厚度小于0.2mm时又开始减小,这同普通叠轧随道次增加延伸率降低、强度提高的规律不同.同时,随轧制道次的增加,退火态复合带的延伸率也是普遍逐渐降低,特别是厚度小于0.35mm后,退火态延伸率降低到10%左右,同时强度在厚度小于0.2mm时也大幅度降低,表明超薄铜铝复合带的力学性能对厚度特别敏感,在厚度小于0.2mm时,轧制态和退火态的强度和延伸率普遍大幅度降低,这也是导致0.12mm厚的超薄铜铝复合电缆带在使用时经常出现断带问题的原因.50403020100延伸率/%1-11-21-3(a)延伸率(b)抗拉强度350300250200150100500抗拉强度/MPa1-52-22-41-51-71-93-73-91-11-21-31-52-22-41-51-71-93-73-9试样编号试样编号图3各轧制实验方案下不同状态的复合带对应的拉伸力学性能各轧制方案制备得到的0.12mm厚超薄铜铝复合带在不同退火工艺下的拉伸力学性能如图4所示.从图4可以看出,最终道次的退火工艺对复合带的力学性能特别是延伸率有显著影响,调整最终道次的退火工艺可以一定程度上改善复合带·51·第5期于洋,等:超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究的延伸率指标,但其抗拉强度和延伸率值均远低于图2中对应的第一道次复合后的性能,表明仅通过调整最终道次的退火工艺很难显著改善复合带的力学性能.总体来看,轧制方案3获得的超薄铜铝复合带最佳退火工艺下对应的最大延伸率较高,而轧制方案2获得的超薄铜铝复合带的最大延伸率较低,表明改变初始坯料状态和降低中间退火温度可以改善最终复合带的力学性能.500℃480℃430℃350℃2.0min2.0min3.5min15min500℃480℃430℃350℃2.0min2.0min3.5min15min500℃480℃450℃430℃410℃350℃2.0min2.0min15min3.5min3.5min15min500℃480℃430℃350℃2.0min2.0min3.5min15min500℃480℃430℃350℃2.0min2.0min3.5min15min500℃480℃450℃430℃410℃350℃2.0min2.0min15min3.5min3.5min15min方案1方案2方案3方案1方案2方案3热处理条件(a)延伸率热处理条件(b)抗拉强度121086420180160140120100806040200抗拉强度/MPa延伸率/%图4超薄铜铝复合带在不同退火工艺下的拉伸力学性能在本实验中,试样在前几道次轧制后的热处理过程中,Cu/Al复合带的界面区域会生成脆性的金属间化合物,且随着热处理温度和时间的提高,脆性金属间化合物的厚度也会增加.图5为方案1制备得到的0.12mm厚超薄铜铝复合带经℃500,2min热处理后其界面区域的背散射照片及XRD谱图,可以看到,最终轧制并热处理后的试样其界面区域形成了3层金属间化合物,由XRD分析结果可知,这3种金属间化合物分别为Al2Cu、AlCu和Al4Cu9.采用EDS分析手段研究各金属间化合物层的成分,由EDS分析结果可知从Al侧到Cu侧依次为Al2Cu、AlCu、Al4Cu9.方案2以及方案3制备得到的0.12mm厚超薄铜铝复合带在不同退火工艺下其Cu/Al界面扩散区域也是由3层不同的金属间化合物组成,由Al侧到Cu侧依次为:Al2Cu、AlCu、Al4Cu9.5μmAl2CuAlCuAl4Cu9Cu(a)扫描电镜背散射像(b)XRD谱图IAlCuAlCuAl4Cu9Al2Cu20304050607080902θ/(?)Al图5超薄铜铝复合带经℃500/2min热处理后界面区域的SEM和XRD结果在累积轧制复合工艺中,这些累积生成的脆性金属间化合物会降低铜铝复合带的塑性并导致界面的结合性能下降.Chen[17]等人在研究冷轧Al/Cu双金属板界面结构的发展对其断裂机制和结合强度的影响中指出,金属间化合物的形成和增厚促使裂纹扩展并减小了双金属板的结合强度,随着界面结构的发展,Al/Cu双金属板的断裂机制从塑性断裂转变为脆性断裂.图6为不同方案制备的超薄铜铝复合带在相同退火工艺下其界面层厚度-力学性能关系图.从图6可以看出,在相同热处理条件下,方案2获得的超薄复合带其界面形成的各层金属间化合物厚度均比方案1中的厚,且其延伸率也低于方案1中的超薄复合带.而方案3获得的超薄复合带在相同热处理条件下,其界面形成的各层金属间化合物厚度均比方案2中的薄,且其延伸率高于方案2中的超薄复合带.·61·材料科学与工艺第22卷这是因为方案2制备获得的超薄复合带在第2和第3道次轧制后,其中间退火温度高于方案1,累积生成的金属间化合物厚度更厚,这些脆性金属间化合物会降低铜铝复合带的塑性并导致界面的结合性能下降,因此,方案2制备获得的超薄复合带其性能较方案1中的差.方案3与方案2相比,改变了材料的初始状态,最终获得的超薄复合带其性能较方案2中的好.由此可知,合理控制铜铝复合带在退火处理过程中金属间化合物的生成具有十分重要的意义,其中最主要的途径是改变初始坯料状态以及调整每个道次轧制后的热处理温度,使得最终获得的产品得到较好的性能并满足要求.8.34.53界面层厚度延伸率6.57.73界面层厚度延伸率86420864203.02.52.01.51.00.501086420界面层厚度/μm延伸率/%界面层厚度/μm延伸率/%Al4Cu9AlCuAl2Cu全部Al4Cu9AlCuAl2Cu全部方案1500℃/2min方案2500℃/2min(a)方案1和方案2Al4Cu9AlCuAl2Cu全部Al4Cu9AlCuAl2Cu全部方案2350℃/15min方案3350℃/15min(b)方案2和方案3图6不同方案制备的超薄铜铝复合带在相同退火工艺下其界面层厚度-力学性能关系3结论1)采用高温短时的在线热处理可以达到低温长时退火处理的效果,且短时在线退火可大大提高退火的效率,因此,高温在线中间退火方案可以成为复合带轧制制备的一种有效手段.2)超薄铜铝复合带的力学性能对厚度特别敏感,在厚度小于0.2mm时,轧制态和退火态的强度和延伸率均大幅度降低.3)改变初始坯料状态和降低中间退火温度可以改善最终复合带的力学性能.参考文献:[1]孙永辉.电缆带发展展望[J].中国金属通报,2010(12):18-19.SUNYonghui.Thedevelopmentprospectofcablestrip[J].ChinaMetalBulletin,2010(12):18-19.[2]赵鸿金,张迎晖,王达,等.电缆用铜/铝复合带制备工艺研究[J].有色金属科学与工程,2010,1(1):15-17,23.ZHAOHongjin,ZHANGYinghui,WANGDa,etal.ProductionprocessofCu/Alcladdingstripusedforcable[J].FacultyofMaterialsandChemicalEngineering,2010,1(1):15-17,23.[3]邓华,姚若浩,杨建武.铜—铝轧制复合工艺研究[J].南方冶金学院学报,1997,18(2):118-123,142.DENGHua,YAORuohao,YANGJianwu.⁃Rollcladding⁃technologyforcopperaluminum[J].Journalofsoutherninstituteofmetallurgy,1997,18(2):118-123,142.[4]PENGXK,WUHRERR,HENESSG,etal.Rollingstraineffectsontheinterlaminarpropertiesofrollbondedcopper/aluminummetallaminates[J].JournalofMaterialsScience,2000,35(17):4357-4363.[5]刘理,祖国胤,王宁,等.铜/铝/铜轧制复合板的退火工艺研究[J].金属热处理,2006,31(9):80-83.LIULi,ZUGuoying,WANGNing,etal.ResearchonannealingprocessofCu/Al/Curollingcladsheet[J].HeatTreatmentofMetals,2006,31(9):80-83.[6]MANESHAHD,TAHERIAK.Theoreticalandexperimentalinvestigationofcoldrollingof⁃trilayerstrip[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2005,166:163-172.[7]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.WANGXiaohong,TANGDi,XURongchang,etal.Al-Cucompoundandbondingmechanismbyrollingprocess[J].NonferrousMetals,2007,59(1):21-24.[8]黄宏军,张泽伟,王书生,等.铜铝薄板轧制复合工艺[J].沈阳工业大学学报,2009,31(5):531-535.HUANGHongjun,ZHANGZewei,WANGShusheng,etal.⁃rollcladdingtechnologyfor⁃copperaluminumthinsheet[J].JournalofShenyangUniversityofTechnology,2009,31(5):531-535.·71·第5期于洋,等:超薄铜铝复合电缆带的制备及其力学性能研究[9]杨斌,徐高磊,姚幼甫,等.同轴电缆用铜铝复合带中间退火工艺的研究[J].特种铸造及有色合金,2010,30(1):78-80.YANGBin,XUGaolei,YAOYoufu,etal.⁃IntermediateannealingofcoppercladdingaluminumstripforHFcable[J].SpecialCastingandNonferrousAlloys,2010,30(1):78-80.[10]SAITOY,UTSUNOMIYAH,TSUJIN,etal.Novel⁃ultrahighstrainingprocessforbulk⁃materialsdevelopmentof⁃theaccumulativerollbonding(ARB)process[J].ActaMater,1999,47(2):579-583.[11]陈彬,林栋樑,曾小勤,等.累积轧合法的研究现状及存在的问题[J].机械工程材料,2005,29(8):4-5,51.CHENBin,LINDongliang,ZENGXiaoqin,etal.Theapplicationofaccumulativerollbondinganditsproblems[J].MaterialsforMechanicalEngineering,2005,29(8):4-5,51.[12]詹美燕,李元元,陈维平.累积叠轧技术的研究现状与展望[J].中国有色金属学报,2007,17(6):841-851.ZHANMeiyan,LIYuanyuan,CHENWeiping.Statusandexpectationofresearchonaccumulative⁃rollbonding[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2007,17(6):841-851.[13]EIZADJOUM,KAZEMITALACHIA,DANESHMANESHH,etal.Investigationofstructureandmechanicalpropertiesof⁃multilayeredAl/Cucompositeproducedbyaccumulativerollbonding(ARB)process[J].CompositesScienceandTechnology,2008,68(7):2003-2009.[14]MOZAFFARIA.,MANESHHD,JANGHORBANK.EvaluationofmechanicalpropertiesandstructureofmultilayeredAl/Ni⁃compositesproducedbyaccumulativerollbonding(ARB)process[J].Journalof⁃AlloysandCompounds.2010,489(1):103-109.[15]何春雨,许荣昌,任学平,等.钛/钢复合板累积叠轧焊复合工艺的试验研究[J].上海金属,2006,28(3):28-31.HEChunyu,XURongchang,RENXueping,etal.StudyonthemanufactureofTA1/Q235cladplatebyARBprocess[J].ShanghaiMetals,2006,28(3):28-31.[16]XURC,TANGD,RENXP,etal.ImprovementofthematrixandtheinterfacequalityofaCu/AlcompositebytheMARBprocess[J].RareMetals,2007,26(3):230-235.[17]CHENCY,CHENHL,HWANGWS.Influenceofinterfacialstructuredevelopmentonthefracturemechanismandbondstrengthofaluminum/copperbi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周大爷
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