CN102409376B - 一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及输电用导电排，具体是一种在组合电磁场作用下铜/铝复合导电排的电镀制备方法以及装置。本发明的特点是对现有制备铜/铝复合导电排的工艺改变较少，对基底材料及其状态没有特殊要求，通过在原有制备铜/铝复合导电排方法的主镀铜过程中同时施加旋转磁场和行波磁场进行组合磁场下的电磁搅拌，使得电镀溶液呈现螺旋搅拌的效果，可以有效提高搅拌强度，弥补单一磁场搅拌的不足，改善镀层中电镀离子的分布，克服电镀溶液中不同高度方向的离子相分布差异，加强了离子的运输能力，实现制备成本低、镀层均匀而致密的铜/铝复合导电排的目标。
Description
技术领域
本发明涉及输电用导电排，具体是一种在组合电磁场作用下铜/铝复合导电排的电镀制备方法以及装置。
背景技术
随着我国电力工业的迅速发展，对输电设备（如高低压开关柜、高低压母线槽等）使用需求也日益增加，而输电设备的制造需要大量消耗高导电性的铜，但我国的铜资源相对匮乏，其40%~50%的铜材依赖于进口，造成铜价在近年来价格不断上涨，增加了企业制造的成本。为降低成本，在市场上已逐步出现铜的替代产品，如利用我国铝资源非常丰富的特点，制备铜/铝复合导电排，通过使用少量的铜和其它金属结合做成产品来替代铜，达到既能满足铜导体的技术指标，又可以大幅度降低产品成本的目的。
目前市场上铜/铝复合导电排的常见制备方法是包覆法，通过将高纯度铜带同心地包覆在铝导线的外表面，通过多道次拉拔及热处理，制成所需的导电产品；其较之纯铜导体，铜/铝复合材料导体具有明显优势：重量轻、线质柔软、成本低廉、节约铜资源等，但用包覆法制备铜/铝复合导电排时存在以下缺陷：1、导体中含铜量仍然较大，其含铜重量比为40%左右，材料成本比较高； 2、两种金属间的结合牢度不足，生产出来后部分成品从断面可见缝隙，影响了导体的质量和导电性能。
中国专利200910035288.5提出了一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法，通过采用铝排表面电镀铜的方法制备了含铜重量比较小并且两种金属结合较致密的导电排产品，较之包覆法该制备方法具有明显的质量和成本优势，但该专利提出的电镀生产方法直接用于铜/铝复合导电排的生产时仍然存在着一些不足之处：为了使产品表面镀上的电解铜分布均匀，在电镀中通过吹气法对产品表面硫酸铜溶液进行搅拌，但气体搅拌法的搅拌强度有限、搅拌不均匀以及喷吹气体会把杂质带进电镀槽，污染溶液，并且使镀液与空气接触，易使电镀溶液氧化，不利于提高产品质量。
发明内容
本发明目的是为了克服现有铜/铝复合导电排的电镀制备方法的不足，提供一种在组合电磁场作用下电镀制备成本低、镀层均匀而致密的铜/铝复合导电排的方法。
本发明是通过以下技术方案实现：首先制备导电用铝排，然后把铝排放入清洗装置进行清洗，清洗后把铝排放入预镀装置中进行预镀铜，将预镀铜后的铝排放入主镀装置中进行硫酸铜镀铜得到铜/铝复合导电排；最后对铜/铝复合导电排进行后处理得到最终产品；本发明的特点是对现有制备铜/铝复合导电排的工艺改变较少，对基底材料及其状态没有特殊要求，通过在原有制备铜/铝复合导电排过程中施加组合电磁场对溶液进行螺线型搅拌，实现制备高质量的铜/铝复合导电排的目标。
本发明所述的制备导电用铝排是指先制备1-20 mm，宽20-300 mm的圆边铝排，制作后根据产品需要用模具拉拔至所需的尺寸。
本发明所述的清洗装置由清洗槽、超声波发生器和铝排移动装置组成，其中铝排移动装置由转动手柄、转动轴和夹紧装置组成，转动手柄通过销钉固定在转动轴一端，转动轴通过轴承安装在清洗槽侧壁上，并可以转动，夹紧装置安装在清洗槽内的转动轴另一端。清洗槽内装有氢氧化钠碱性溶液，超声波发生器安装在清洗槽两面侧壁，铝排的清洗过程为：将铝排固定在铝排移动装置的夹紧装置上并置入清洗槽内浸泡，浸泡时间5 -10分钟，碱洗槽内溶液温度为20 - 40摄氏度，同时通过设置在清洗槽内的超声波发生器，施加频率范围为20～50 kHz的超声波作用在铝排表面，清洗表面的氧化层及油污等脏物，并通过铝排移动装置使得铝排作一定幅度的转动，从而使铝排均匀地接受超声波的振动清洗，再配合氢氧化钠碱性溶液浸泡碱洗作用，达到把铝排彻底清洗干净的目的，完毕后迅速将铝排放入清水槽内用流动水进行冲洗干净。
本发明所述的预镀装置由预镀槽组成，铝排预镀铜采用氰化物预镀工艺：将清洗过的铝排迅速放入预镀槽中进行预镀铜，预镀槽内温度为20～50℃，预镀时间1～5min，在铝排表面镀上一层薄薄而均匀的铜层，以增强铜镀层与基体的结合强度，预镀铜完成后把铝排放入清水槽中冲洗干净。
本发明所述的主镀装置由主镀槽和电磁场发生器组成，其中主镀槽内装有硫酸铜溶液，电磁场发生器安装在主镀槽两面侧壁和底部，铝排主镀铜时，铝排电镀表面作为阴极，电解铜板作为阳级平铺在主镀槽的底部，将已预镀铜的铝排放入主镀槽进行镀铜，设置在主镀槽外的电磁场发生器，在主镀铜时施加电磁场作用，给溶液施加旋转磁场和行波磁场进行螺旋形搅拌，通过电磁螺旋形搅拌作用，克服电镀离子在不同高度方向的离子相分布差异，降低了浓差极化，使铝排表面镀上的电解铜分布均匀，从而在铝排表面获得均匀而致密的镀层。
本发明所述的在主镀过程中施加旋转磁场，是指：在主镀槽外侧安置旋转磁场发生器，安装位置根据主镀槽内溶液高度确定，磁场线圈中心与溶液中心在同一高度，施加的旋转磁场参数范围为频率：10～100Hz，工作电流：10～1000A，根据溶液的搅拌强度调节电磁参数。
本发明所述的在主镀过程中施加行波磁场，是指：在主镀槽底部安置行波磁场发生器，施加的行波磁场参数范围为频率：10～100Hz，工作电流：10～1000A，根据溶液的搅拌强度调节电磁参数。
本发明所述的铝排主镀铜过程，主镀要求：主镀槽内温度为 30-40摄氏度；
本发明所述的铝排主镀铜过程，包括电镀时间的控制，主要是为了在铝排表面得到不同厚度的电镀铜镀层，电镀时间越长镀层越厚，根据产品需要的电镀铜镀层厚度，电镀时间分别为2-5小时，最后将电镀好的铜/铝复合导电排移动至清洗槽在流动清水中漂洗干净；
本发明所述的主镀后铜/铝复合导电排后处理成形，是指将主镀后的铜/铝复合导电排用定尺的模具进行拉拔，使铜/铝复合导电排尺寸达到产品要求，拉拔尺寸余量保持在0.5 mm以下。
本发明为一种在组合电磁场下制备铜/铝复合导电排的新方法：通过在现有的铜/铝复合导电排的电镀制备方法中同时施加旋转磁场和行波磁场进行复合磁场下的电磁搅拌，原因是在电镀制备过程中单独施加旋转磁场对电镀溶液进行电磁搅拌，则溶液以水平方向的圆周运动为主，而在电镀制备过程中单独施加行波磁场，则电镀溶液在磁场作用下呈垂直（上下）运动，若同时施加旋转磁场和行波磁场，即采用本发明提出的组合磁场，则电镀溶液呈现螺旋搅拌的效果，搅拌强度有效提高，可以弥补单一磁场搅拌的不足，改善镀层中电镀离子的分布，以获得致密平整的良好镀层，本发明对现有的电镀工艺及电镀液组分改变较小，对基底材料及其状态没有特殊要求，设备简单易行、效果好、无污染、易推广。
与原有电镀法的制备方法相比，本发明的优势体现在：
1、电磁搅拌实现无接触搅拌，比吹气搅拌更均匀，不会给电镀溶液带来污染，而且搅拌强度易于实现精确调控。
2、由于电磁场在整个溶液中均匀分布，可避免其它搅拌方法中存在的“死角”或薄弱区域的出现，
3、电磁螺旋形搅拌使得离子在溶液中分布更加均匀，镀层更加致密，减少了疏松、气孔等缺陷，改善了电镀质量。
附图说明
图1为本发明的清洗装置俯视示意图；
图2为本发明的主镀装置俯视示意图；
图3为本发明的主镀装置侧视示意图；
图中：1.清洗槽；2.超声波发生器；3. 夹紧装置；4. 转动轴；5. 转动手柄；6.铝排；7. 主镀槽；8. 旋转磁场发生器；9. 行波磁场发生器；10.电解铜板。
具体实施方式
如图1所示，清洗装置由清洗槽1、超声波发生器2和铝排移动装置组成，其中铝排移动装置由转动手柄5、转动轴4和夹紧装置3组成，转动手柄5通过销钉固定在转动轴4一端，转动轴4通过轴承安装在清洗槽1侧壁上，并可以转动，夹紧装置3安装在清洗槽内的转动轴4另一端，清洗槽1内装有氢氧化钠碱性溶液，超声波发生器2安装在清洗槽1两面侧壁，在铝排6的清洗过程中，要求铝排6浸没于氢氧化钠碱性溶液中，并且铝排6放置在清洗槽1中时尽量使得待清洗表面与超声波发生器2平行，这样超声波发生器2发射的超声波可以最大程度的清洗铝排6表面，铝排6固定在铝排移动装置的夹紧装置3上，在清洗过程中，铝排移动装置能够以往复运动的方式带动铝排6相对于清洗槽1作一定幅度转动，令铝排6能均匀地接受超声波的振动清洗，再配合氢氧化钠碱性溶液的化学清洗作用，将铝排6彻底清洗干净。
如图2，3所示，本发明所述的主镀装置由主镀槽7、旋转磁场发生器8和行波磁场发生器9组成，其中主镀槽7内装有硫酸铜溶液，旋转磁场发生器8安装在主镀槽7两面侧壁，行波磁场发生器9安装在主镀槽7底部。铝排6主镀铜时，铝排6电镀表面作为阴极，电解铜板10作为阳级平铺在主镀槽7的底部，在铝排6的主镀过程中，要求铝排6浸没于硫酸铜溶液中，旋转磁场发生器8和行波磁场发生器9给溶液施加旋转磁场和线性行波磁场进行螺线型搅拌，使铝排6表面镀上的电解铜分布均匀，从而获得均匀而致密的镀层。
实施例1
步骤一，制备厚10 mm，宽100 mm的圆边铝排，制作后用模具拉拔至所需的尺寸。
步骤二，将铝排置入清洗装置内浸泡，浸泡时间5分钟，清洗槽内溶液温度为40摄氏度，同时通过设置在清洗槽内的超声波发生器，施加频率范围为50kHz的超声波作用在铝排表面，清洗铝排表面的氧化层及油污等脏物，在清洗过程中，铝排移动机构能够以往复运动的方式带动铝排相对于清洗槽作一定幅度转动，令铝排能均匀地接受超声波的振动清洗，再配合氢氧化钠碱性溶液的化学清洗作用，将铝排彻底清洗干净，完毕后迅速将铝排放入清水槽内用流动水进行冲洗干净。
步骤三，将清洗过的铝排迅速放入预镀装置中进行预镀铜，预镀铜采用氰化物预镀工艺：将清洗过的铝排迅速放入预镀槽中进行预镀铜，预镀槽内温度为40℃，预镀时间为3分钟，预镀铜完成后把铝排放入清水槽中冲洗干净。
步骤四，将已预镀铜的铝排放入主镀装置中进行硫酸铜镀铜，主镀要求：主镀槽内温度为 40摄氏度；电流密度是铝排表面积4.5A／dm2；主镀时间：5小时；镀层厚度以保证含铜重量比至13%，在主镀铜时施加电磁场作用，给溶液同时施加旋转磁场和行波磁场进行螺旋形搅拌，施加的旋转和行波电磁场参数范围为频率：40Hz，工作电流：400A，通过电磁螺旋形搅拌作用，克服电镀离子在不同高度方向的离子相分布差异，降低了浓差极化，使铝排表面镀上的电解铜分布均匀，从而在铝排表面获得均匀而致密的镀层。
步骤五，将镀好的产品移动至清洗槽在流动清水中漂洗干净；
步骤六，将电镀后的产品用定尺的模具进行拉拔，使产品尺寸达到要求；拉拔尺寸余量保持在0.5 mm以下；
生产的铜/铝复合导电排表面铜层均匀，同心度高，每吨成品耗铜量为130 kg，可确保信号的传输、导电、易于焊接以及抗氧化等性能的可靠性，确保产品能够满足客户的使用要求，而包覆法的含铜量在40%，也就是说铜的含量是400 kg/吨，铜利用率低，由于铜含量低产品的比重就低，因此本发明生产铜/铝复合导电排的比重为2.89g /cm3，而包覆法比重为3.63 g/cm3，同比产品的比重降低了20%以上；并且本发明生产的铜/铝复合导电排的裸载流量是纯铜的81%左右，与铜排相比，相同的载流量至少可节约成本35%以上。因此能够用铝合金代替更多的铜，既降低了成本，又节约了稀有金属。
实施例2
步骤1中圆边铝排的尺寸为厚10 mm，宽100 mm。
步骤2中浸泡时间10分钟，清洗槽内溶液温度为40摄氏度，超声波的频率为20 kHz。
步骤3中预镀槽内温度为50℃，预镀时间为1分钟。
步骤4中主镀槽内温度为30摄氏度；电流密度是铝排表面积5A／dm2；主镀时间4小时；镀层厚度以保证含铜重量比至16%；施加的旋转和行波电磁场参数范围为频率：60Hz，工作电流：600A。
其他与实施例1相同。
生产的铜/铝复合导电排表面铜层均匀，同心度高，每吨成品耗铜量为160kg，可确保信号的传输、导电、易于焊接以及抗氧化等性能的可靠性，确保产品能够满足客户的使用要求，而包覆法的含铜量在40%，即铜的含量达400 kg/吨，铜利用率低。由于铜含量低产品的比重就低，因此本发明生产铜/铝复合导电排的比重为2.98g /cm3，而包覆法比重为3.63 g/cm3，同比产品的比重降低了17%以上；并且本发明生产的铜/铝复合导电排的裸载流量是纯铜的83%左右，与铜排相比，相同的载流量至少可节约成本36%以上，因此能够用铝合金代替更多的铜，既降低了成本，又节约了稀有金属。
实施例3
步骤1中圆边铝排的尺寸为厚10 mm，宽100 mm。
步骤2中浸泡时间8分钟，清洗槽内溶液温度为30摄氏度，超声波的频率为30 kHz。
步骤3中预镀槽内温度为20℃，预镀时间为5分钟。
步骤4中主镀槽内温度为 40摄氏度；电流密度是铝排表面积5A／dm2；主镀时间3小时；镀层厚度以保证含铜重量比至18%；施加的旋转和行波电磁场参数范围为频率：80Hz，工作电流：800A。
其他与实施例1相同。
生产的铜/铝复合导电排表面铜层均匀，同心度高，每吨成品耗铜量为180kg，可确保信号的传输、导电、易于焊接以及抗氧化等性能的可靠性，确保产品能够满足客户的使用要求，而包覆法的含铜量在40%，即铜的含量达400 kg/吨，铜利用率低。由于铜含量低产品的比重就低，因此本发明生产铜/铝复合导电排的比重为3.05g /cm3，而包覆法比重为3.63 g/cm3，同比产品的比重降低了15%以上；并且本发明生产的铜/铝复合导电排的裸载流量是纯铜的85%左右，与铜排相比，相同的载流量至少可节约成本36%以上，因此能够用铝合金代替更多的铜，既降低了成本，又节约了稀有金属。
Claims (8)
1.一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法，包括铝排清洗的步骤，铝排进行预镀铜的步骤和将预镀铜后的铝排进行主镀铜的步骤，其特征在于：在铝排清洗过程中施加超声波，在将预镀铜后的铝排进行主镀铜的过程中施加旋转磁场和行波磁场的组合磁场；电磁场发生器安装在主镀槽两面侧壁和底部，铝排主镀铜时，铝排电镀表面作为阴极，电解铜板作为阳级平铺在主镀槽的底部，将已预镀铜的铝排放入主镀槽进行镀铜，设置在主镀槽外的电磁场发生器，在主镀铜时施加电磁场作用，给溶液施加旋转磁场和行波磁场进行螺旋形搅拌，通过电磁螺旋形搅拌作用，克服电镀离子在不同高度方向的离子相分布差异，降低了浓差极化，使铝排表面镀上的电解铜分布均匀，从而在铝排表面获得均匀而致密的镀层。
2.如权利要求1所述的一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法，其特征在于：所述的铝排是指先制备1-20 mm，宽20-300 mm的圆边铝排，制作后根据产品需要用模具拉拔至所需的尺寸。
3.如权利要求1所述的一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法，其特征在于：将电镀后的铜/铝复合导电排用定尺的模具进行拉拔，使铜/铝复合导电排尺寸达到产品要求，拉拔尺寸余量保持在0.5 mm以下。
4.如权利要求1所述的一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法，其特征在于：所述的在铝排清洗过程中施加超声波指：将铝排置入清洗槽内浸泡，浸泡时间5 -10分钟，碱洗槽内溶液温度为20 - 40摄氏度，同时施加频率范围为20～50 kHz的超声波作用在铝排表面，清洗铝排表面。
5.如权利要求1所述的一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法，其特征在于：所述铝排进行预镀铜的步骤指将清洗过的铝排迅速放入预镀槽中进行预镀铜，预镀槽内温度为20～50℃，预镀时间分别为1-5分钟，预镀铜完成后把铝排放入清水槽中冲洗干净。
6.如权利要求1所述的一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法，其特征在于：所述在将预镀铜后的铝排进行主镀铜的过程中施加旋转磁场和行波磁场的组合磁场指将已预镀铜的铝排放入主镀槽进行主镀铜，在主镀铜时施加电磁场作用，给溶液施加旋转磁场和行波磁场进行搅拌，施加的旋转磁场参数范围为频率：10～100Hz，工作电流：10～1000A，施加的行波磁场参数范围为频率：10～100Hz，工作电流：10～1000A，电镀时间为2-5小时，主镀槽内温度为 30-40摄氏度，通过电磁搅拌作用，克服电镀离子在不同高度方向的离子相分布差异，使铝排表面镀上的电解铜分布均匀，从而在铝排表面获得均匀而致密的镀层。
7.实施如权利要求1所述的一种铜/铝复合导电排的电镀制备方法的装置，包括用于铝排清洗的清洗装置和用于铝排主镀铜的主镀装置，其特征在于：所述的清洗装置由清洗槽（1）、超声波发生器（2）和铝排移动装置组成，其中铝排移动装置由转动手柄（5）、转动轴（4）和夹紧装置（3）组成，转动手柄（5）通过销钉固定在转动轴（4）一端，转动轴（4）通过轴承安装在清洗槽（1）侧壁上，并能转动，夹紧装置（3）安装在清洗槽（1）内的转动轴（4）另一端，清洗槽（1）内装有氢氧化钠碱性溶液，超声波发生器（2）安装在清洗槽（1）的与安装转动轴（4）侧壁垂直的两面侧壁上；所述用于铝排主镀铜的主镀装置由主镀槽（7）、旋转磁场发生器（8）和行波磁场发生器（9）组成，旋转磁场发生器（8）安装在主镀槽（8）两面侧壁外，与位于主镀槽（8）电镀溶液内的铝排（6）平行，行波磁场发生器（9）安装在主镀槽（8）的底部；电磁场发生器安装在主镀槽两面侧壁和底部，铝排主镀铜时，铝排电镀表面作为阴极，电解铜板作为阳级平铺在主镀槽的底部，将已预镀铜的铝排放入主镀槽进行镀铜，设置在主镀槽外的电磁场发生器，在主镀铜时施加电磁场作用，给溶液施加旋转磁场和行波磁场进行螺旋形搅拌，通过电磁螺旋形搅拌作用，克服电镀离子在不同高度方向的离子相分布差异，降低了浓差极化，使铝排表面镀上的电解铜分布均匀，从而在铝排表面获得均匀而致密的镀层。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：旋转磁场发生器（8）的安装位置根据主镀槽（8）内电镀溶液高度确定，磁场线圈中心与溶液中心在同一高度。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20140528 Termination date: 20161123 |