CN103266290A - 一种铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火方法和装置。工艺为：将铜包铝复合材料放入退火加热装置中进行加热，加热温度和时间可通过加热装置控制器设定和控制；在加热的同时，由变压器组和负载组成的供电系统向复合材料中通以一定强度的交变电流，电流的方向与复合导体的界面方向平行；通过退火温度高低和交变电流大小的调控，可调控复合材料退火后的断后伸长率、硬度、界面层厚度和界面结合强度等性能指标，该装置由变压器组、退火加热装置、温度控制器、温度传感器和负载组成。本发明可以退火时界面层厚度明显变薄，并可通过辅助电流的大小对界面层厚度进行调控；同时获得较高的伸长率和界面结合强度；设备简单，容易实现，操作方便。

Description

一种铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火方法及装置
技术领域
本发明属金属层状复合材料领域，涉及一种可控制退火过程中界面层厚度与性能的铜包铝复合材料退火方法和装置。
 
背景技术
铜包铝复合材料是一种典型的双金属层状复合材料，具有低密度、低成本、易钎焊等优点，其中铜包铝导线和扁排可作为优良的新型导体材料应用于漆包线、配电母线槽、中高频加热设备以及电力、交通、化工、冶金等行业的大型汇流排等。铜包铝导线或扁排一般是通过一定的复合技术（见：戴雅康，等．电线电缆，1997，(5)：25-28；谢建新，等．一种包复材料水平连铸直接复合成形设备与工艺．中国专利：ZL200610112817.3．）先制备出铜包铝复合坯料，再经轧制、挤压或拉拔等后续成形加工工艺，生产一定断面形状和尺寸的产品。经轧制或拉拔成形后，铜包铝复合材料的抗拉强度和硬度升高，拉伸断后伸长率明显下降，导电率下降。在大多数应用场合，希望获得尽可能高的导电率，且对于需要弯曲成形等情形，对铜包铝复合材料的断后伸长率要求较高，因而一般需要通过等温退火热处理提高铜包铝复合材料的电导率和伸长率。退火温度范围在200～500℃（见：王秋娜，等．材料工程，2008，（7）：30～35．），一般是退火温度越高，电导率、伸长率改善越显著。但另一方面，由于铜和铝的相互扩散，铜包铝复合材料在退火热处理过程中如果退火温度要求较高时，容易导致界面层厚度明显增大，界面中生成硬脆性的金属间化合物层，对铜包铝复合材料的界面结合性能和宏观力学性能等产生不利影响。一般退火热处理温度越高，界面层厚度越大。研究表明：当铜/铝界面金属间化合物层厚度大于2微米后，界面的断裂将从延性断裂转变为脆性断裂，界面结合强度显著降低（见：Abbasi M, et al. Journal of Alloys and Compounds, 2001, 319(1-2): 233-241. 以及Chen C Y, et al. Materials Transactions, 2006, 47(4): 1232-1239.）。因此，在退火热处理时，往往既要保证复合材料的断后伸长率等满足使用要求，又要控制铜铝复合界面的厚度和保证较高的结合强度，然而采用常规的等温退火方法，铜包铝复合材料往往很难同时满足伸长率和界面结合强度均较高的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有常规的等温退火方法存在的上述问题，提供一种在退火过程中对铜包铝复合材料中通以一定强度电流的退火新方法及装置，可以有效地抑制铜包铝复合材料界面厚度明显增大现象，从而同时获得较大伸长率、较小的界面厚度和较高的界面结合强度。
 
本发明的技术方案是：一种铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火方法，具体步骤如下：
①将待退火的铜包铝复合扁排两端进行机械加工，以方便接入电路；
②将铜包铝复合扁排、负载、电流表、电压表接入到变压器组的输出端；
③将铜包铝复合扁排置于退火加热装置内，将温度传感器接触铜包铝复合扁排并固定，以进行温度监控，然后将退火加热装置、温度传感器接入温度控制器；
④将变压器组输入端接入工频50Hz交流供电；向温度控制器供电；
⑤控制变压器组的输出电压使得通过铜包铝复合扁排的交变电流的电流密度为0.1～10 A/mm2，交变电流的频率为10～10000Hz；调节温度控制器控温温度为200～550℃；
⑥在200～550℃保温10～300分钟后将铜包铝复合扁排取出，得到铜包铝复合材料，该材料具有较高的伸长率和界面结合强度。
本发明的另一目的是提供上述铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火的装置，该装置主要由变压器组、退火加热装置、温度控制器、温度传感器和负载组成；
其中，所述变压器组的输入端接交流电源，输出端依次接入待退火的铜包铝复合材料和负载，电路中接入电流表和电压表监控电路运行状态，通过所述调节变压器组的输出电压和负载的阻值控制流经铜包铝复合材料的电流强度，从而控制电流密度，温度控制器和退火加热装置由与变压器组无关的另一独立电源供电，所述温度传感器置于所述退火加热装置中，用于检测铜包铝复合材料的保温温度并将信号传送给所述温度控制器，所述温度控制器根据所述温度传感器的信号控制所述退火加热装置的加热功率，使铜包铝复合材料在一定的温度下保温。
本发明提供的电流辅助退火工艺具有以下优点：
(1)    电流辅助退火可以有效地抑制铜包铝复合材料在退火时界面层厚度显著增大和脆性金属间化合物相生成。在相同的退火温度和时间下，与无电流的一般退火工艺相比，电流辅助退火后的铜包铝复合材料的界面金属间化合物层厚度明显变薄。
(2)    当退火温度一定时，界面层厚度可通过辅助电流的大小进行调控。结合退火温度的合理选择，经合适的电流辅助退火后的铜包铝复合材料，可以同时获得较高的伸长率和界面结合强度。
(3)    电流辅助退火设备简单，容易实现，操作方便。
 
附图说明
图1为电流辅助退火方法的原理图
图中:
1为电流表，2为铜包铝复合导体材料，3为退火加热装置，4为温度控制器，5为温度传感器，6为负载，7为电压表，8为变压器组。
 
具体实施方法
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火的装置，该装置主要由变压器组8、退火加热装置3、温度控制器4、温度传感器5和负载6组成；
其中，所述变压器组8的输入端接交流电源，输出端依次接入待退火的铜包铝复合材料2和负载6，电路中接入电流表1和电压表7监控电路运行状态，通过所述调节变压器组8的输出电压和负载6的阻值控制流经铜包铝复合材料2的电流强度，从而控制电流密度，温度控制器4和退火加热装置3由与变压器组8无关的另一独立电源供电，所述温度传感器5置于所述退火加热装置3中，用于检测铜包铝复合材料2的保温温度并将信号传送给所述温度控制器4，所述温度控制器4根据所述温度传感器5的信号控制所述退火加热装置3的加热功率，使铜包铝复合材料2在一定的温度下保温。
实施例：断面宽度为50mm、断面高度为5mm、铜包覆层厚度约0.6mm的铜包铝复合扁排的电流辅助退火工艺。电流辅助退火的工艺步骤如下：①将待退火的铜包铝复合扁排2两端进行机械加工，以方便接入电路；②将铜包铝复合扁排2、负载6、电流表1、电压表7根据图1接入到变压器组8的输出端；③将铜包铝复合扁排2置于加热器3内，将温度传感器5接触铜包铝复合扁排2并固定，以进行温度监控，然后将加热器3、温度传感器5接入温度控制器4；④将变压器组(8)输入端接入工频（50Hz交流供电；向温度控制器4供电；⑤控制变压器组8的输出电压使得通过铜包铝复合扁排2的电流强度为300A；调节温度控制器4控温温度为400℃；⑥在400℃保温1h后将铜包铝复合扁排2取出。经过上述电流辅助退火工艺退火的铜包铝复合扁排2的界面化合物层的厚度小于1μm，界面结合强度（剪切强度）为44.8MPa。而不加载电流，在同样的退火温度和时间下，铜包铝复合扁排的界面化合物层厚度为5μm，界面结合强度（剪切强度）为26.3MPa。

Claims (2)

1.一种铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火方法，具体步骤如下：
①将待退火的铜包铝复合扁排(2)两端进行机械加工，以方便接入电路；
②将铜包铝复合扁排(2)、负载(6)、电流表(1)和电压表(7)接入到变压器组(8)的输出端；
③将铜包铝复合扁排(2)置于退火加热装置(3)内，将温度传感器(5)接触铜包铝复合扁排(2)并固定，以进行温度监控，然后将退火加热装置(3)、温度传感器(5)接入温度控制器(4)；
④将变压器组(8)输入端接入工频交流供电；向温度控制器(4)供电；
⑤控制变压器组(8)的输出电压，使得通过铜包铝复合扁排(2)的交变电流的电流密度为0.1～10 A/mm2，交变电流的频率为10～10000Hz；调节温度控制器(4)控温温度为200～550℃；
⑥在200～550℃温度下，保温10～300分钟后将铜包铝复合扁排(2)取出，得到铜包铝复合材料，该材料具有较高的伸长率和界面结合强度。
2.一种如权利要求1所述的铜包铝复合材料界面厚度与性能调控退火的装置，其特征在于，该装置主要由变压器组(8)、退火加热装置(3)、温度控制器(4)、温度传感器(5)和负载(6)组成；
其中，所述变压器组(8)的输入端接交流电源，输出端依次接入待退火的铜包铝复合材料(2)和负载(6)，电路中接入电流表(1)和电压表(7)监控电路运行状态，通过所述调节变压器组(8)的输出电压和负载(6)的阻值控制流经铜包铝复合材料(2)的电流强度，从而控制电流密度，温度控制器(4)和退火加热装置(3)由与变压器组(8)无关的另一独立电源供电，所述温度传感器(5)置于所述退火加热装置(3)中，用于检测铜包铝复合材料(2)的保温温度并将信号传送给所述温度控制器(4)，所述温度控制器(4)根据所述温度传感器(5)的信号控制所述退火加热装置(3)的加热功率，使铜包铝复合材料(2)在一定的温度下保温。
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