CN117444375A - 一种镍/铜/镍侧面复合带材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍/铜/镍侧面复合带材及其制备方法,所述镍/铜/镍侧面复合带材中间为铜层,两侧边为镍层,镍与铜的结合界面沿厚度方向呈相互咬合状,所述制备方法为:将退火后的镍/铜/镍层状复合厚板沿垂直于镍铜结合面的方向进行分切获得镍/铜/镍复合坯料,将镍/铜/镍复合坯料翻转90度使切口朝上或朝下进行冷粗轧和冷精轧,即得镍/铜/镍侧面复合带材,本发明对设备要求低,工艺流程短,能耗低,适用于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种镍/铜/镍侧面复合带材及其制备方法,属于金属材料成型领域。
背景技术
在高功率动力电池、电子电器、通讯等领域常用到铜带或镍带。铜带虽然导电性好,但是可焊性和耐蚀却不佳,镍带虽然可焊性和耐蚀较好,但导电性却不如铜。因此常常需要将铜和镍进行连接,使其同时满足导电、易焊、耐蚀等需求。然而常规的电阻焊虽然能实现两者的连接,却存在焊接稳定性和一致性难以控制的不足。因此,需要通过新的技术手段实现高稳定性的铜镍连接。
现有技术中,多采用轧制复合、爆炸复合、扩散连接等方法来实现铜/镍复合,这些方法生产的复合材料通常为正反面复合材料,即一面为铜,另外一面为镍,或者为三明治结构的多层复合材料。这类复合材料虽然能解决导电和焊接的问题,但是却不适用于制备侧面复合的连接片。
目前,制备侧面复合的镍/铜复合带存在多种方法,如熔化焊-打磨法,该方法生产效率低,质量不稳定,且界面处易形成针孔缺陷,带材的平整度也较差。挤压-轧制法也可以制备镍/铜复合带,但该方法需先进行大变形挤压以实现镍和铜预复合,实际生产中需要建设专门的生产线,成本较高。ZL202211708272.8提供的铜/镍复合带的制备方法,需要对镍组件和铜组件拼装后加压保温处理,以实现两者的预复合,然后切片后再进行热轧和冷轧。对于大结合面的组件,加压保温的过程对设备的要求极高,并且该过程不可避免地会形成镍铜扩散层,扩散层的形成并不利于后续轧制。因此为了提高其成形性,首先需要进行热轧,但是热轧的过程进一步增加了扩散层厚度,必然影响最终复合带的导电性。传统的爆炸-轧制法一方面受限于复层厚度难以超过30mm的影响,如镍侧或铜侧中有一侧宽度无法突破30mm;并且现有技术主要提供制备镍/铜双侧复合带的方法,其技术并不一定适用于制造镍/铜/镍三层侧面复合带。三层侧面复合带的应用不仅可以解决双侧镍焊接问题,而且制备过程只要增加分条工艺,即可制备出镍/铜双侧复合带,产品灵活性和生产效率均更高。
因此,亟需提供一种工艺路线简单,生产成本低、界面形状可控的镍/铜/镍侧面复合带材的制备工艺。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的第一个目的在于提供一种镍/铜/镍侧面复合带材。
本发明的第二个目的在于提供一种工艺路线简单,生产成本低、界面形状可控的镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法。本发明通过将镍/铜/镍层状复合厚板分切后翻转90度获得镍/铜/镍对称结构坯料,然后将切口面朝上或朝下进行冷轧,避免了轧制过程中镍和铜因塑性变形能力不同而弯曲。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种镍/铜/镍侧面复合带材,所述镍/铜/镍侧面复合带材中间为铜层,两侧边为镍层,镍与铜的结合界面沿厚度方向呈相互咬合状。
本发明所提供的镍/铜/镍侧面复合带材,镍与铜的结合界面沿厚度方向呈相互咬合状,界面强度高。
作为优选方案,所述镍/铜/镍侧面复合带材的厚度为0.2~0.5mm,铜层的宽度为5~50mm,两侧边镍层的宽度均为2~50mm,且两侧边镍层的宽度相同。
作为优选方案,所述镍/铜/镍侧面复合带材中,铜为T1、T2、T3、TU1和TU2中的一种,镍为N2、N4、N6中的一种。
本发明还提供一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,将镍/铜/镍层状复合厚板进行第一次退火处理,将退火后的镍/铜/镍层状复合厚板沿垂直于镍铜结合面的方向进行分切获得镍/铜/镍复合坯料,将镍/铜/镍复合坯料翻转90度使切口朝上或朝下进行冷粗轧,获得冷轧坯料,将冷轧坯料进行第二次退火处理,然后将退火后的冷轧坯料进行冷精轧,即得镍/铜/镍侧面复合带材。
本发明的制备方法,将镍/铜/镍层状复合厚板分切获得镍/铜/镍复合坯料,然后将镍/铜/镍复合坯料翻转90度使切口朝上或朝下进行冷粗轧以及冷精轧,通过左右对称结构避免了轧制过程中镍和铜因塑性变形能力不同而弯曲,从而获得中间为铜,两侧为镍的镍/铜/镍侧面复合带材。
作为优选方案,采用爆炸复合的方法制备镍/铜/镍层状复合厚板。
进一步的优选,所述爆炸复合时,将铜板置于中间,铜板的上面与下面均为镍板,且以铜板为基层,两面的镍板为复层。
发明人发现,采用爆炸复合可使镍/铜界面形成良好的冶金结合,且避免形成金属间化合物,因此能够保证分切后的坯料铜镍之间的结合强度高,后续轧制能够顺利进行。后续轧制过程,由于两种金属的流动性不一致,必然会在结合界面产生附加拉应力,只有界面的结合强度足够高,才能保证该附加拉应力不足以将界面拉裂。
在实际生产过程中,根据产品尺寸要求,选择不同厚度的镍板和铜板作为待爆炸板材,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,所述铜板的厚度为5~50mm,镍板的厚度为2~50mm,当镍板的厚度≥25mm时,采用多次爆炸复合。
进一步的优选,所述爆炸复合采用低爆速炸药,使铜镍界面为平直界面。
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后,复合板中的铜镍界面呈平直界面,相比于波浪界面,平直界面可保证轧制后界面形状规则,性能更优。
作为优选方案,所述镍/铜/镍层状复合厚板的宽度为300mm~1500mm,长度为500mm~3000mm,厚度为9mm~150mm。
作为优选方案,所述第一次退火处理的温度为400℃~450℃,第一次退火处理的时间为10~12h。在本发明中,将镍/铜/镍层状复合厚板在较低温度下进行退火处理,可避免镍/铜界面形成较厚的扩散层,扩散层会引起界面脆化,导致后续轧制过程界面开裂。此外,较低温度下的长时间退火处理,可起到消除爆炸附加应力的作用,特别是复板(镍板)中的应力,爆炸附加应力消除后,铜和镍之间的塑性变形能力将趋于一致,可保证后续轧制过程中铜镍变形的一致性。
在实际操作过程中,将退火后的镍/铜/镍层状复合厚板进行整平处理,然后经超声波探伤后去除边缘结合不良的部分;再沿垂直于镍铜结合面的方向进行分切。
本发明中,将镍/铜/镍复合坯料翻转90度使切口朝上或朝上进行冷轧,冷轧时,镍/铜/镍复合坯料的宽度方向即为镍/铜/镍层状复合厚板的厚度方向,镍/铜/镍复合坯料的厚度方向,即为镍/铜/镍层状复合厚板分切的宽度,镍/铜/镍复合坯料的长度方向与原始镍/铜/镍层状复合厚板的长度方向一致。
作为优选方案,待轧的镍/铜/镍复合坯料的厚度小于镍/铜/镍层状复合厚板的50%。该待轧的镍/铜/镍复合坯料的厚度以复合坯料冷轧时的方向定义,发明人发现,将分切的宽度即后续冷轧时镍/铜/镍复合坯料的厚度控制为镍/铜/镍层状复合厚板厚度的50%以下,可以更好地控制轧制带材尺寸的稳定性。
作为优选方案,所述冷粗轧的道次变形量为10~15%,总变形量为70~85%,轧制速度为2~3m/min。在本发明中,采用较低的道次变形量与轧制速度,可以保证冷轧坯料在较低的应变速率条件下进行变形,所产生的变形不协调性以及变形不均匀性均会显著降低,因而轧制过程中材料不发生开裂。
作为优选方案,所述第二次退火处理在保护气氛中进行,所述第二次退火处理的温度为680℃~720℃,第二次退火处理的时间为30min~40min,退火方式为带式连续退火。
本发明的第二次退火处理,采用上述温度下短时间退火,保证前期轧制板材中的铜和镍均发生完全再结晶,带材得到软化,有利于进一步冷精轧;较短的退火时间可降低界面扩散层的厚度,有利于后续轧制;带式连续化退火相比于成卷退火,不仅效率更高,而且可避免卷式退火导致的相互粘黏。
进一步的优选,所述保护气氛为氩气。
在实际操作过程中,当待轧的镍/铜/镍复合坯料厚度相对较薄时,第二次退火处理后,直接进行冷精轧,当待轧的镍/铜/镍复合坯料厚度相对较厚时,第二次退火处理后,先继续进行若干道次的冷粗轧,然后再进行冷精轧,以提升轧制效率。
作为优选方案,所述冷精轧的道次变形量为8~10%,轧制速度为1~2m/min。
在实际操作过程中,冷精轧至厚度为0.2~0.5mm后,切边,可得到双侧面复合的镍/铜/镍侧面复合带材。
作为优选方案,将镍/铜/镍侧面复合带材分条,获得镍/铜侧面复合带材。
原理与优势
本发明提供了一种镍/铜/镍侧面复合带材,所述镍/铜/镍侧面复合带材中间为铜层,两侧边为镍层,镍与铜的结合界面沿厚度方向呈相互咬合状;界面强度高。
本发明还提供了一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,首先利用爆炸复合形成冶金结合的特点,避免了轧制前需要先通过焊接、扩散、热压、挤压等方法进行两种金属冶金连接的工序。另外通过控制爆炸复合板材的界面结构为平直界面,避免了传统波浪形界面导致的轧后带材界面形状不规则的缺点。轧制过程将待轧坯料设计为左右对称式结构,避免了因铜和镍的塑性不同而导致的轧制弯曲现象。此外,将较软的铜设置于较硬的两层镍之间,避免了轧制过程中铜向侧面流动,从而减小了镍/铜界面的横向拉应力,保证轧后界面不开裂。轧制过程中利用轧制理论中应变速率对塑性变形均匀性的影响规律,通过设置较小的道次变形量和较低的轧制速度,实现了低应变速率轧制,提高了变形均匀性,避免了附加应力过大而引起的开裂。精轧之前的带式连续退火显著提高了生产效率。因此,本发明的方法具有工艺路线简单,可连续化生产,成本低的优势。
附图说明
图1本发明实施例1中镍/铜/镍侧面复合样品。
图2本发明实施例1中镍/铜/镍侧面复合带材沿厚度方向显微组织。
图3对比例1中镍/铜复合带的形貌。
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
采用一次爆炸复合获得总厚度为14mm的镍/铜/镍复合板(铜为T2纯铜,镍为N6纯镍),其中镍层厚度为2mm,分别位于铜的两面,铜层厚度为10mm位于两层镍之间,复合板的长和宽分别为2m和1m,铜镍界面呈平直界面。将爆炸复合板置于退火炉中进行400℃/12h去应力退火处理,退火后进行整平,并用超声波探伤,去除边缘结合不良的部分。沿爆炸复合板的长度方向切取厚度为7mm,长度为1.5m的坯料。切取的坯料按照7mm为轧制厚度,14mm(原始爆炸板厚度)为轧制宽度,1.5m为轧制长度。在Φ200mm×300mm冷轧机上进行冷粗轧,控制道次变形量为15%,轧制速度为2m/min,当坯料长度超过3m时,增加收卷装置,进行张力轧制,当坯料厚度达到2mm时,停止轧制。将2mm复合带在氩气保护气氛的带式连续退火炉中退火,设置退火温度为680℃,退火时间为40min,通过控制带材的运行速度,保证其在炉中的时间为40min。退火后带材在工作辊尺寸为Φ100mm×300mm的四辊冷精轧机上冷精轧,控制道次变形量为10%,轧制速度为1m/min。当带材厚度为0.2mm时停止轧制。用切边机切除侧面宽展部分,保留镍层宽度为2mm,得到厚度为0.2mm,长度为50m的镍/铜/镍侧面复合带材,其中两侧镍层宽度为2mm,中间铜层宽度为10mm,镍铜界面呈相互咬合状。进一步可用分切机将镍/铜/镍复合带按照所需尺寸分切,得到不同宽度比例的镍/铜/镍侧面复合带或镍/铜侧面复合带。拉剪法测得该复合带镍/铜界面的结合强度为204MPa。
实施例2
采用四次爆炸复合获得总厚度为150mm的镍/铜/镍复合板(铜为T2纯铜,镍为N6纯镍),其中镍层厚度为50mm,分别位于铜的两面,铜层厚度为50mm位于两层镍之间,复合板的长和宽分别为1m和0.5m,铜镍界面呈平直界面。将爆炸复合板置于退火炉中进行450℃/10h去应力退火处理,退火后进行整平,并用超声波探伤,去除边缘结合不良的部分。沿爆炸复合板的长度方向切取厚度为70mm,长度为0.8m的坯料。切取的坯料按照70mm为轧制厚度,150mm(原始爆炸板厚度)为轧制宽度,0.8m为轧制长度。在Φ380mm×400mm冷轧机上进行冷粗轧,控制道次变形量为10%,轧制速度为3m/min,当坯料长度超过3m时,进行张力轧制,当坯料厚度达到20mm时,停止轧制。将20mm复合带在氩气保护气氛的带式连续退火炉中退火,设置退火温度为720℃,退火时间为40min,通过控制带材的运行速度,保证其在炉中的时间为40min。退火后带材在Φ380mm×400mm冷轧机上进行冷轧(轧制工艺与前置工序一致)至厚度为5mm时,转移至工作辊尺寸为Φ200mm×300mm的四辊冷精轧机上冷精轧,控制道次变形量为8%,轧制速度为2m/min。当带材厚度为0.5mm时停止轧制。用切边机切除侧面宽展部分,保留镍层宽度为50mm,得到厚度为0.5mm,长度为110m的镍/铜/镍侧面复合带材,其中两侧镍层宽度为50mm,中间铜层宽度为50mm,镍铜界面呈相互咬合状。进一步可用分切机将镍/铜/镍复合带按照所需尺寸分切,得到不同宽度比例的镍/铜/镍侧面复合带或镍/铜侧面复合带。拉剪法测得该复合带镍/铜界面的结合强度为213MPa。
实施例3
采用一次爆炸复合获得总厚度为40mm的镍/铜/镍复合板(铜为T2纯铜,镍为N6纯镍),其中镍层厚度为10mm,分别位于铜的两面,铜层厚度为20mm位于两层镍之间,复合板的长和宽分别为3m和1.5m,铜镍界面呈平直界面。将爆炸复合板置于退火炉中进行420℃/10h去应力退火处理,退火后进行整平,并用超声波探伤,去除边缘结合不良的部分。沿着爆炸复合板的长度方向切取厚度为20mm,长度为2.5m的坯料。切取的坯料按照20mm为轧制厚度,40mm(原始爆炸板厚度)为轧制宽度,2.5m为轧制长度。在Φ380mm×400mm冷轧机上进行冷粗轧,控制道次变形量为12%,轧制速度为2.5m/min,当坯料长度超过3m时,进行张力轧制,当坯料厚度达到6mm时,停止轧制。将6mm复合带在氩气保护气氛的带式连续退火炉中退火,设置退火温度为700℃,退火时间为30min,通过控制带材的运行速度,保证其在炉中的时间为30min。退火后带材在工作辊尺寸为Φ200mm×300mm的四辊冷精轧机上进行冷精轧,控制道次变形量为10%,轧制速度为1.5m/min。当带材厚度为0.35mm时停止轧制。用切边机切除侧面宽展部分,保留镍层宽度为10mm,得到厚度为0.35mm,长度为140m的镍/铜/镍侧面复合带材,其中两侧镍层宽度为10mm,中间铜层宽度为20mm,镍铜界面呈相互咬合状。进一步可用分切机将镍/铜/镍复合带按照所需尺寸分切,得到不同宽度比例的镍/铜/镍侧面复合带或镍/铜侧面复合带。拉剪法测得该复合带镍/铜界面的结合强度为202MPa。
实施例4
采用一次爆炸复合获得总厚度为30mm的镍/铜/镍复合板(铜为T2纯铜,镍为N6纯镍),其中镍层厚度为5mm,分别位于铜的两面,铜层厚度为20mm位于两层镍之间,复合板的长和宽分别为2m和0.3m,铜镍界面呈平直界面。将爆炸复合板置于退火炉中进行420℃/12h去应力退火处理,退火后进行整平,并用超声波探伤,去除边缘结合不良的部分。沿着爆炸复合板的长度方向切取厚度为15mm,长度为1.6m的坯料。切取的坯料按照15mm为轧制厚度,30mm(原始爆炸板厚度)为轧制宽度,1.6m为轧制长度。在Φ200mm×300mm冷轧机上进行冷粗轧,控制道次变形量为12%,轧制速度为3m/min,当坯料长度超过3m时,进行张力轧制,当坯料厚度达到4.5mm时,停止轧制。将4.5mm复合带在氩气保护气氛的带式连续退火炉中进行退火,设置退火温度为700℃,退火时间为30min,通过控制带材的运行速度,保证其在炉中的时间为30min。退火后带材在工作辊尺寸为Φ100mm×300mm的四辊冷精轧机上进行冷精轧,控制道次变形量为8%,轧制速度为1.5m/min。当带材厚度为0.3mm时停止轧制。用切边机切除侧面宽展部分,保留镍层宽度为5mm,得到厚度为0.3mm,长度为75m的镍/铜/镍侧面复合带材,其中两侧镍层宽度为5mm,中间铜层宽度为20mm,镍铜界面呈相互咬合状。进一步可用分切机将镍/铜/镍复合带按照所需尺寸分切,得到不同宽度比例的镍/铜/镍侧面复合带或镍/铜侧面复合带。拉剪法测得该复合带镍/铜界面的结合强度为211MPa。
对比例1
采用一次爆炸复合获得总厚度为20mm的镍/铜两层复合板(铜为T2纯铜,镍为N6纯镍),其中镍层厚度为10mm,铜层厚度为10mm复合板的长和宽分别为1m和1.5m,铜镍界面呈平直界面。将爆炸复合板置于退火炉中进行400℃/12h去应力退火处理,退火后进行整平,并用超声波探伤,去除边缘结合不良的部分。沿着爆炸复合板的长度方向切取厚度为10mm,长度为50mm的坯料。切取的坯料按照10mm为轧制厚度,20mm(原始爆炸板厚度)为轧制宽度,50mm为轧制长度在Φ200mm×300mm的冷轧机上进行冷轧,控制道次变形量为12%,轧制速度为2m/min,由于坯料宽度方向两侧不对称,铜的伸长远超过镍,导致轧制过程坯料不断向镍侧严重弯曲(如附图3所示),无法形成平直的带材,轧制失败。
对比例2
其它条件与实施例1相同,仅冷粗轧时的道次变形量调整为40%,轧制速度调整为5m/min,此时由于铜和镍的塑性变形能力不同,中间铜层的伸长远大于两侧镍层,导致铜和镍之间形成较大的附加拉应力,最终在镍/铜界面处发生开裂,无法继续轧制。
对比例3
其它条件与实施例1相同,仅冷精轧时的道次变形量调整为30%,轧制速度调整为4m/min,此时由于铜和镍的塑性变形能力不同,中间铜层的伸长远大于两侧镍层,导致铜和镍之间形成较大的附加拉应力,最终在镍/铜界面处发生开裂,其开裂现象与对比例2类似,因而轧制失败。
对比例4
其它条件与实施例2相同,仅将第一次退火时的温度调整为350℃,退火时间调整为5h。由于退火温度低,退火时间短,爆炸复合板材中的应力去除不充分,特别是镍层的应力去除不充分。当进行冷粗轧时,轧制力明显增大,且镍和铜的变形协调性不一致,镍层的变形明显困难,最终因板形难以控制,轧制失败。
对比例5
其它条件与实施例2相同,仅冷粗轧后进行退火时未采用氩气保护,退火温度调整为800℃,退火时间调整为20min,虽然高温短时退火也能实现材料软化,但是一方面高温退火在没有保护气氛的情况下,带材发生明显氧化;另一方面界面扩散严重,形成较厚的扩散层,扩散层的塑性变形能力远低于铜和镍,因此在接下来的冷精轧时,界面发生开裂,轧制失败。
Claims (10)
1.一种镍/铜/镍侧面复合带材,其特征在于:所述镍/铜/镍侧面复合带材中间为铜层,两侧边为镍层,镍与铜的结合界面沿厚度方向呈相互咬合状。
2.根据权利要求1所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材,其特征在于:所述镍/铜/镍侧面复合带材的厚度为0.2~0.5mm,中间铜层的宽度为5~50mm,两侧边镍层的宽度均为2~50mm,且两侧边镍层的宽度相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材,其特征在于:所述镍/铜/镍侧面复合带材中,铜为T1、T2、T3、TU1和TU2中的一种,镍为N2、N4、N6中的一种。
4.权利要求1-3任意一项所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,其特征在于:将镍/铜/镍层状复合厚板进行第一次退火处理,将退火后的镍/铜/镍层状复合厚板沿垂直于镍铜结合面的方向进行分切获得镍/铜/镍复合坯料,将镍/铜/镍复合坯料翻转90度使切口朝上或朝下进行冷粗轧,获得冷轧坯料,将冷轧坯料进行第二次退火处理,然后将退火后的冷轧坯料进行冷精轧,即得镍/铜/镍侧面复合带材。
5.根据权利要求4所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,其特征在于:采用爆炸复合的方法制备镍/铜/镍层状复合厚板,所述爆炸复合时,将铜板置于中间,铜板的上面与下面均为镍板,且以铜板为基层,两面的镍板为复层。
6.根据权利要求5一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,其特征在于:所述铜板的厚度为5~50mm,镍板的厚度为2~50mm,当镍板的厚度≥25mm时,采用多次爆炸复合;
所述爆炸复合采用低爆速炸药,使铜镍界面为平直界面。
7.根据权利要求4或5所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,其特征在于:所述镍/铜/镍层状复合厚板的宽度为300mm~1500mm,长度为500mm~3000mm,厚度为9mm~150mm。
8.根据权利要求4或5所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,其特征在于:所述第一次退火处理的温度为400℃~450℃,第一次退火处理的时间为10~12h;
待轧的镍/铜/镍复合坯料的厚度小于镍/铜/镍层状复合厚板的50%。
9.根据权利要求4或5所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,其特征在于:所述冷粗轧的道次变形量为10~15%,总变形量为70~85%,轧制速度为2~3m/min;
所述第二次退火处理在保护气氛中进行,第二退火处理的温度为680℃~720℃,第二退火处理的时间为30min~40min,退火方式为带式连续退火;
所述冷精轧的道次变形量为8~10%,轧制速度为1~2m/min。
10.根据权利要求4或5所述的一种镍/铜/镍侧面复合带材的制备方法,其特征在于:将镍/铜/镍侧面复合带材分条,获得镍/铜侧面复合带材。
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