CN102103906B - 一种铜包铝复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜包铝复合材料的制备方法，包括采用铜管和铝棒作为原料，铜管内径与铝棒外径相同，将铜管头部旋压出锥，铝棒头部车锥，铝棒经机械打磨后和铜管套装形成挤压坯料，在其外部涂覆石墨乳润滑膜，尾部进行铜铝钎焊封接；使热静液挤压机的挤压筒温度为350～450℃，挤压模具温度为150～350℃，挤压坯料铜管的温度为350～450℃，铝棒的温度为150～250℃；将挤压坯料送入挤压筒，充填挤压介质后进行静液挤压，挤压比4～100得到铜包铝复合材料。本发明制备的铜包铝复合材料铜铝界面结合强度高，弯曲成形性能好，制备过程需要的退火次数少，退火温度低，简化了生产工序，降低了生产成本。

Description

一种铜包铝复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜包铝复合材料的制备方法，具体是一种铜包铝复合细扁线的制备方法，所成形加工的铜包铝材界面实现良好的固相冶金结合，使铜包铝线具有优良的导电性能和工艺成型性能。
背景技术
铜的导电性能好，目前在电力传输、信号传输等领域依然是最主要材料。随着经济建设快速发展，我国已经成为世界最大的铜产品生产国也是最大的铜资源进口国，每年需要进口大量铜资源保证生产需要，近年来铜价飞涨极大影响了国内企业的经营效益。我国是铝资源大国，虽然铝导电性能稍差于铜，但随着复合技术的不断发展与进步，在保证导电性能的前提下采用复合技术，用廉价的金属部分替代铜以降低生产成本已经成为国内外研究开发重点，其中铜包铝复合材料一种有广泛开发前景的理想的纯铜替代品。以铜包铝代替纯铜的产品包括大面积导线排、CATV同轴射频电缆内导体甚至是家用电线等。由于充分发挥了铜优良的导电性能和铝密度低的优势，可以显著减轻产品的重量和体积，具有广阔的应用前景。
铜包铝线的加工方法有多种，包括铝线镀铜法，轧制压接法、包覆焊接法、铸造法、静液挤压法等。前四种方法工艺比较简单，但存在成形工艺影响容易造成铜铝界面间结合质量较差，从而影响铜包铝线的导电性能和应用性能。传统的静液挤压法是一种润滑挤压工艺，通过将大直径紫铜管坯和纯铝棒坯制成的复合坯料经静液挤压获得良好的冶金结合。但静液挤压法需要专用设备静液挤压机，操作复杂，生产效率相对较低、受工艺条件限制，设备利用率较低，难以生产大尺寸铜包铝产品。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种铜包铝复合材料的制备方法，本发明在传统静液挤压工艺基础上，采用热厚膜静液挤压法，结合了普通挤压、静液挤压、热加工的优点进行铜包铝坯料加工，可以使铜铝界面达到最佳冶金结合同时，简化工艺、具备加工大规格铜包铝产品的能力。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种铜包铝复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)采用铜管和铝棒作为原料，铜管内径与铝棒外径相同，将铜管头部旋压或车削出锥，铝棒头部车锥，所述铝棒经机械打磨后和所述铜管紧密配合套装形成挤压坯料，所述挤压坯料(铜管)外部涂覆石墨乳润滑膜，所述挤压坯料尾部进行铜铝钎焊封接；
(2)将热静液挤压机的挤压筒，挤压模具和挤压坯料分别加热到加工温度，其中挤压模具的温度为150～350℃，挤压筒的温度为350～450℃，挤压坯料采用电炉加热和高频加热，使铜管的温度为350～450℃，铝棒的温度为150～250℃；
(3)将步骤(2)所得挤压坯料送入挤压筒，充填挤压介质后进行静液挤压，挤压比大于4，得到铜包铝复合材料。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述步骤(1)中的铜管旋压出锥后，在350～450℃下进行20～40分钟的软化退火处理，再用15％稀硫酸洗3～5分钟，去除氧化皮，保证内孔光洁；所述的铝棒经化学清洗后再与铜管套装。所使用的铜管为经过挤压、轧制等方法加工后晶粒均匀细化的管坯。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述步骤(1)中的铜管头部旋压出锥的锥度为57°～120°。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述步骤(1)中，所述的挤压坯料中铜所占的截面积比为5％～30％。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述步骤(2)中的挤压坯料先在箱式炉火中频加热器中均热到150～250℃，再在高频加热器中加热到表面温度为350～450℃。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(3)中所述的挤压比为4～100。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(3)中在静液挤压后，在挤压出口处进行气体或液体冷却，使挤压坯料在100秒内降到100℃以下。
本发明根据铜包铝产品的尺寸设计和挤压机的能力设计挤压坯料尺寸、厚膜热静液挤压加工率，采用厚膜热静液挤压实现所需界面形状的冶金结合的铜包铝坯料，其中获得良好冶金结合材料的厚膜热静液挤压加工率不小于75％，最大可以达到99％。根据设计的坯料尺寸选择着铜管和铝棒原料，铜管截面积与铝棒截面积之比等于成品铜包铝产品铜铝截面积比。
本发明所得的铜包铝复合材料，根据成品要求，进行后续冷热加工，即通过拉拔、轧制等常规冷、热加工方法达到要求的成品尺寸，制得铜包铝复合细扁线。其中热加工温度为150～400℃，道次冷加工率为10～30％，总的冷加工率可达到90％，冷加工后的退火温度为150～300℃。制得的铜包铝复合细扁线，由芯铝体及纯铜包覆层组成，加工出来的材料横截面为圆、椭圆、矩形等对称形状，铜层的厚度均匀分布，纯铜的包覆面积比为5％～30％。
本发明使用热厚膜挤压工艺加工出的铜包铝坯料，没有加工硬化问题，减少了后续加工中的热处理工序，保证铜铝界面结合良好，提高了铜包铝材的使用性能。既可以直接成为铜包铝复合材产品，也可以经过后续冷、热变形加工(拉拔、轧制)制备更小规格铜包铝材。该方法制备的铜包铝复合材料产品铜铝界面结合强度高，弯曲成形性能好，制备过程需要的退火次数少，退火温度低，简化了生产工序，降低了生产成本。使用热厚膜挤压工艺，可以通过相对小的加工率获得同样质量的铜铝结合质量，因此可以在同样的设备条件下制得更大截面尺寸的产品。相对于普通静液挤压，由于减少了介质的使用，可以使被加工坯料的直径可以像普通挤压一样接近于挤压筒，极大地提高了设备利用率。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
实施例1
尺寸为50x5mm铜包铝扁带的制备。
(1)采用铜管和铝棒作为原料，铜管为经过挤压、轧制等方法加工后晶粒均匀细化的管坯。铝棒为纯度98％以上的铸态或锻态纯铝。将外径89mm，内径86mm铜管头部旋锥，锥度为115°，随后进行400℃，30分钟软化退火，采用15％稀硫酸洗液，酸洗5分钟去除氧化皮，保证内孔光洁。根据铜管内径和内锥尺寸车削铝棒，铝棒头部车锥，并经15％氢氧化钠碱水清洗3～10分钟烘干后与铜管紧密配合套装形成挤压坯料，挤压坯料(铜管)外部涂覆石墨乳润滑膜，挤压坯料尾部进行铜铝钎焊封接；
(2)使用挤压筒直径为90mm的热静液挤压机，挤压筒加热到400℃。模具为密封锥角120°，模口尺寸为50x10mm的型模，加热到200℃。挤压坯料先于箱式炉火中频加热器中均热到150℃，再在高频加热器中加热到表面温度为400℃。
(3)快速将挤压坯料送入挤压筒，根据挤压筒空容积和坯料体积之差，充填足够中温粘塑性挤压介质(石墨粉和高温油脂的混合物)后，进行静液挤压，挤压速度为10～15mm/s，挤压比15，挤压压力不大于8000大气压。并在挤压出口处以压缩空气进行吹气冷却，使挤压坯料在100秒内降到100℃以下，得到铜包铝复合材料。
(4)将得到的铜包铝复合材料以轧制速度1～5m/min，道次减薄率为10％～25％进行多道次冷轧加工，至直尺寸达到50x5mm。
实施例2
尺寸为φ1mm。截面比15％的铜包铝软导线的制备。
(1)采用铜管和铝棒作为原料，铜管为经过挤压、轧制等方法加工后晶粒均匀细化的管坯。铝棒为纯度98％以上的铸态或锻态纯铝。将外径49mm，内径45mm铜管头部旋锥，锥度为87°，随后进行400℃，30分钟软化退火，采用15％稀硫酸洗液，酸洗5分钟去除氧化皮，保证内孔光洁。根据铜管内径和内锥尺寸车削铝棒，铝棒头部车锥，并经15％氢氧化钠碱水清洗3～10分钟烘干后与铜管紧密配合套装形成挤压坯料，挤压坯料(铜管)外部涂覆石墨乳润滑膜，挤压坯料尾部进行铜铝钎焊封接；
(2)使用挤压筒直径为50mm的中温静液挤压机，挤压筒加热到400℃。模具为密封锥角90°，模口尺寸为φ5mm，加热到200℃。挤压坯料于箱式炉中均热到150℃。
(3)快速将挤压坯料送入挤压筒，根据挤压筒空容积和坯料体积之差，充填预热到400℃中温粘塑性挤压介质(石墨粉和高温油脂的混合物)后，进行静液挤压，挤压速度为10～15mm/s，挤压比100，挤压压力不大于8000大气压。并在挤压出口处以压缩空气进行吹气冷却，使挤压坯料在100秒内降到100℃以下，得到铜包铝复合材料。
(4)将得到的铜包铝复合棒坯以拉伸速度1～20m/min，道次加工率为10％～25％进行多道次冷拉加工，至直尺寸达到φ1mm。
实施例3
尺寸为φ20，截面比30％的铜包铝棒材的制备。
(1)采用铜管和铝棒作为原料，铜管为经过挤压、轧制等方法加工后晶粒均匀细化的管坯。铝棒为纯度98％以上的铸态或锻态纯铝。将外径49mm，内径40mm铜管头部车锥，锥度为57°，随后进行400℃，30分钟软化退火，采用15％稀硫酸洗液，酸洗5分钟去除氧化皮，保证内孔光洁。根据铜管内径和内锥尺寸车削铝棒，铝棒头部车锥，并经15％氢氧化钠碱水清洗3～10分钟烘干后与铜管紧密配合套装形成挤压坯料，挤压坯料(铜管)外部涂覆石墨乳润滑膜，挤压坯料尾部进行铜铝钎焊封接；
(2)使用挤压筒直径为50mm的中温静液挤压机，挤压筒加热到400℃。模具为密封锥角60°，模口尺寸为φ20mm，加热到350℃。挤压坯料于箱式炉中均热到150℃。
(3)快速将挤压坯料送入挤压筒，根据挤压筒空容积和坯料体积之差，充填预热到400℃中温粘塑性挤压介质(石墨粉和高温油脂的混合物)后，进行静液挤压，挤压速度为3～8mm/s，挤压比6，挤压压力不大于5000大气压。并在挤压出口处以压缩空气进行吹气冷却，使挤压坯料在100秒内降到100℃以下，得到铜包铝复合棒材。
本发明使用热厚膜挤压工艺加工铜包铝坯料，没有普通静液挤压通常产生的加工硬化问题，减少了后续加工中的热处理工序，避免铜铝界面产生脆性化合物，保证铜铝界面结合良好，提高了铜包铝材的使用性能。使用热厚膜挤压工艺，由于在铜铝变形界面区同时存在高温高压作用，可以在相对较少加工率(最小挤压比只需4)下获得同样质量的铜铝结合质量，因此可以在同样的设备条件下制得更大截面尺寸的合格的铜包铝产品。厚膜静液挤压由于介质的使用量只有普通静液挤压的10％以下，可以使被加工坯料的直径可以像普通挤压一样接近于挤压筒，极大地提高了设备利用率。

Claims (5)

1.一种铜包铝复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)采用铜管和铝棒作为原料，铜管内径与铝棒外径相同，将铜管头部旋压出锥，铝棒头部车锥，所述铝棒经机械打磨后和所述铜管紧密配合套装形成挤压坯料，所述挤压坯料外部涂覆石墨乳润滑膜，所述挤压坯料尾部进行铜铝钎焊封接；所述的铜管旋压出锥后，在350～450℃下进行20～40分钟的软化退火处理，再用15％稀硫酸洗3～5分钟，去除氧化皮；所述的铝棒经化学清洗后再与铜管套装；
(2)将热静液挤压机的挤压筒，挤压模具和挤压坯料分别加热到加工温度，其中挤压模具的温度为150～350℃，挤压筒的温度为350～450℃，挤压坯料采用电炉加热和高频加热，使铜管的温度为350～450℃，铝棒的温度为150～250℃；
(3)将步骤(2)所得挤压坯料送入挤压筒，充填挤压介质后进行静液挤压，挤压比为4～100，得到铜包铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的铜包铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的铜管头部旋压出锥的锥度为57°～120°。
3.根据权利要求1所述的铜包铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述的挤压坯料中铜所占的截面积比为5％～30％。
4.根据权利要求1所述的铜包铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的挤压坯料先在箱式炉火中频加热器中均热到150～250℃，再在高频加热器中加热到表面温度为350～450℃。
5.根据权利要求1所述的铜包铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中在静液挤压后，在挤压出口处进行气体或液体冷却，使挤压坯料在100秒内降到100℃以下。
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