轧制条件与退火工艺对铜/铝复合板结合性能的影响研究

摘要

铜/铝复合材料具有高导电和高导热以及质轻价廉等优点，在电力电缆、电子器件等方面有很好的应用前景，生产铜/铝复合材料对于我国过剩铝金属的利用以及贵重铜金属的节约有着重要意义。本文主要通过冷轧制备铜/铝复合板，对比研究同步和异步轧制不同轧制压下率下，金属组元的变形规律、复合板的结合强度以及结合表面的状况，分析界面结合机理和力学行为，为轧制工艺制定提供理论依据。同时探索了退火热处理对于异步轧制复合板界面的影响，为退火工艺的制定提供指导。主要研究结果如下:
　　(1)研究压下率及层厚比对同步轧制和异步轧制复合板组元铜和铝变形率的影响发现，金属铝的变形率大于金属铜。随着压下率的增大，两组元变形率之间的差异减小。异步轧制下，组元的变形率差值比同步轧制大。层厚大的复合板组元变形率差值小，有利于获得好的板型。
　　(2)研究同步和异步轧制复合板不同压下率下结合强度及表面结合状况的变化发现，相同轧制压下率下，异步轧制复合板的结合强度高于同步复合板，且结合更加均匀稳定。轧制时，新鲜金属铝和铜通过表面脆性裂纹从内层挤压出来，金属铜咬入金属铝中，金属铝在铜基体上铺展开来，两者作用形成良好的结合。铜/铝复合板的结合过程可以分为三个阶段:1）物理接触;2）机械结合;3）冶金结合。铜/铝复合界面流速差的存在引起摩擦力，异步轧制界面的摩擦比同步轧制的剧烈复杂。
　　(3)随着扩散退火温度/时间的增加，铜/铝异步轧制复合板扩散层厚度增大，扩散层厚度随温度的变化比随时间的变化大。退火温度T与扩散层厚度w之间的关系推导为:lnw=-2.35/T+7.99。退火时间t与扩散层厚度w之间的关系推导为:lnw=0.50lnt-1.52。
　　(4)低温扩散退火，扩散层主要由铜基及铝基固溶体组成。350℃-500℃退火，扩散层形成三种金属间化合物:Al2Cu，AlCu和Al4Cu9。首先形成的为Al2Cu和Al4Cu9，随后AlCu形成。用修正的有效形成能模型MEHF计算金属间化合物的生成顺序，最先生成的为Al2Cu，其次为AlCu，随后为Al3Cu4和Al4Cu9。经退火后的复合板加工硬化程度减小，界面生成脆性金属间化合物Al2Cu和AlCu，且界面逐渐发展为多孔疏松结构，复合板结合强度下降。低于350℃温度进行扩散退火将有利于复合板在获得一定的成型性下保持相对较高的结合强度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 铜／铝复合材料生产方法概述

1．3 铜／铝轧制复合影响因素

1．4 铜／铝复合板轧制理论研究现状

1．4．1 轧制复合结合机理

1．4．2 轧制变形行为分析

1．4．3 结合强度预测模型

1．5 铜／铝复合材料扩散退火研究现状

1．5．1 扩散层界面金属间化合物

1．5．2 扩散退火对结合性能的影响

1．6 铜／铝复合板研究中存在的问题及展望

1．7 本文研究的意义与主要内容

第2章 铜／铝复合板的制备、热处理及性能检测

2．1 实验工艺流程设计

2．2 实验设备

2．3 实验材料

2．4 表面处理

2．5 铜、铝板轧制复合工艺

2．6 铜／铝复合板退火工艺

2．7 性能检测

2．7．1 结合强度测试

2．7．2 硬度测试

2．7．3 金相显微观察

2．7．4 微观组织及成分测定

第3章 铜／铝复合板轧制工艺研究

3．1 轧制条件与铜／铝复合板组元变形率

3．1．1 轧制压下率对组元变形率的影响

3．1．2 轧制形式对组元变形率的影响

3．1．3 层厚对组元变形率的影响

3．2 压下率对同步／异步轧制复合板结合状况的影响

3．2．1 复合板结合强度

3．2．2 复合板表面粘铝量

3．2．3 复合板表面粘铜量

3．2．4 复合板表面裂纹

3．2．5 铜／铝复合板结合强度与表面状况综合分析

3．3 铜／铝复合板轧制结合过程

3．4 铜／铝轧制复合板界面力学行为

3．4．1 同步轧制复合界面摩擦

3．4．2 异步轧制复合界面摩擦

3．5 本章小结

第4章 退火工艺对铜／铝异步轧制复合板界面的影响

4．1 退火温度对复合板扩散层的影响

4．1．1 扩散层厚度

4．1．2 扩散层成分

4．2 退火温度对复合板剥离断裂及断口成分的影响

4．2．1 剥离面形貌及成分

4．2．2 剥离断裂位置及断口形貌

4．3 退火温度对铜／铝复合板硬度和结合强度影响

4．3．1 退火温度与组元硬度

4．3．2 退火温度与结合强度

4．4 退火时间对铜／铝复合板扩散层的影响

4．4．1 扩散层厚度

4．4．2 剥离面断裂形貌及成分

4．5 退火时间对复合板硬度和结合强度的影响

4．5．1 退火时间与组元硬度

4．5．2 退火时间与结合强度

4．6 剥离断裂理论及扩散层金属间化合物分析

4．6．1 剥离断裂理论分析

4．6．2 扩散层初生金属间化合物相预测

4．7 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A (攻读硕士学位期间发表的学术论文目录)