CN103934303B - 一种高性能铜/铝复合管的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高性能铜/铝复合管的制备方法，属于金属复合管材制备技术领域。本发明先将表面处理好的铝管套在铜管管外面或内部，然后在铜管或铝管中插入芯棒，组装成旋锻坯料；再将旋锻坯料放入已升到预定温度的加热炉中进行快速加热或者采用感应在线快速加热，加热过程中采用惰性气体保护；经短时间加热保温后迅速对其进行单道次大变形的旋锻加工，旋锻出口处进行喷水冷却；最后经过一道次的拉拔精整得到界面无金属间化合物、达到冶金结合状态的铜/铝双金属复合管。本发明生产工艺和设备简单、模具寿命高、成材率高、生产成本低，不需要预先的胀管复合，只需套管加热就可直接进行旋锻成形，且根据实际需求更改芯棒、锻锤的尺寸就能生产出不同规格的双金属复合管。

Description

一种高性能铜/铝复合管的制备方法

技术领域

本发明涉及金属复合管材制备技术领域，提供了一种可用于界面达到冶金结合状态的高性能铜/铝复合管的生产方法。

背景技术

冷凝管作为热交换器的关键材料，广泛应用于火力发电、船舶制造、海水淡化、石油化工、家电汽车等国民经济的重要领域。用于制作冷凝管的材料主要有铜及铜合金、钛及钛合金以及不锈钢，其中，空调、冰箱等制冷产品的热交换管材（包括冷凝器、蒸发器用管及其连接管件）主要采用纯铜管，我国年消耗电解铜70万吨以上。近年来由于国际铜价高位运行，使铜管在空调成本中的比例提高到约25%，显著影响企业盈利能力和竞争力，迫切需要理想的替代材料。铝是另一种具有良好导热性能的材料，热导率约为铜的60%，加工性能良好，而且铝资源丰富，价格低廉。然而，研究表明，如果空调中完全采用纯铝冷凝管替代纯铜管，空调的能效比指标达不到国家标准规定要求，要达到国标要求必须加大冷凝器和蒸发器的尺寸，导致生产成本上升。铜/铝双金属复合管是一种典型的层状复合材料，是通过在铜管的内表面或外表面覆盖一层铝制成。相对于单一铜管和铝管，铜铝复合管结合了铜优良的导热性和铝较好的导热性能和低廉的价格，可以在保证热交换性能达到空调等产品国家标准的前提下，显著降低材料成本，这对于降低企业生产成本，提高企业竞争力具有重要意义。

目前双金属复合管的制备方法主要有：拉拔复合、液压胀形复合、滚压复合和热扩散焊接等方法。拉拔复合法[见：俞家正，金属复合管及制作方法和管接结构，中国发明专利，CN1186921A，1998-07-08]、液压胀形法[见：王学生，李培宁，液压胀合有缝不锈钢管衬里复合管的制造技术，压力容器，2001，18（4）：50-52]、滚压复合法[见：毛柏平，王振生，一种碳钢内衬不锈钢复合管旋压加工方法，中国发明专利，CN101745577A，2010-06-23]等冷加工复合法通常都是由基层材料或基、覆层材料产生少量的塑性变形来获得过盈配合而实现复合的，制备出的复合管界面结合强度低，如果在高温下使用，复合管会因应力释放而分层，限制了此类冷加工管只能在较低温度的环境中使用。热扩散焊接法是将空气或液体密封在复合管坯的内管内，并将内、外管间缝隙密封抽真空，最后进行加热扩散退火以实现双层管的冶金结合[见：刘世程，刘德义，陈汝淑等，复合双金属管的生产方法，中国发明专利，CN1367050A，2002-09-04]。这种方法存在的问题是：对设备的密封性要求高，密封焊接质量要求高；由于高温扩散退火时间长，易在界面形成较厚的脆性金属间化合物层，在承受变形时脆性化合物层很容易发生断裂，影响复合管的导热性能和力学性能。此外，其它双金属复合管的成形方法还有热挤压法和爆炸焊接法等。热挤压法是将两种金属组成的复合管坯料加热到一定温度，然后通过模具和心轴间的环状空间进行挤压[见：谢建新，材料加工新技术与新工艺，P.257~258，冶金工业出版社，2004]。热挤压法适合加工难加工、塑性较低的高合金金属，存在的问题是：内层和外层厚度不均匀，设备要求高，管材表面质量较差，并且对变形温度高的金属难度较大。爆炸焊接法是依靠炸药爆炸产生的较大压力，使两种金属在界面处实现固相焊接而复合在一起的方法。其特点是成形时产生高温高压，复合管界面结合强度高，但存在的问题是：操作环境不友好、危险性高、复合过程难以精确控制。

发明内容

为解决上述工艺存在的问题，本发明的目的是提供一种采用热旋锻进行铜管和铝管复合成形的方法。该方法将由铜管和铝管组成的复合坯料快速加热到一定温度后，采用旋锻方法施加道次大变形量加工，在高温扩散作用和大变形压力作用下实现复合管的冶金结合。同时通过在旋锻机的出口处进行喷水强制冷却，避免了界面上金属间化合物的产生。该方法不仅工艺和设备简单、生产灵活性大、成本低，而且所生产的铜铝复合管界面无脆性金属间化合物生成，结合强度显著高于胀管等传统方法所生产的复合管，在高温下使用也不会产生分层现象，具有良好的可靠性和导热效率。本发明所述铜/铝双金属包括以铜作为复合管的内层和外层的情况，而所述铜包括纯铜和铜合金，铝包括纯铝和变形铝合金。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：先将表面处理好的铝管套在铜管管外面（或内部），然后在铜管（或铝管）中插入芯棒，组装成旋锻坯料；再将坯料放入已升到预定温度的加热炉中进行快速加热或者采用感应在线快速加热，加热过程中采用惰性气体保护；经短时间加热保温后迅速对其进行单道次大变形的旋锻加工，旋锻出口处进行喷水冷却；最后经过一道次的拉拔精整得到界面无金属间化合物、达到冶金结合状态的铜/铝双金属复合管。

本发明的具体步骤如下：

步骤1：对图1中外层管1（铝管或铜管）、内层管2（铜管或铝管）进行表面处理，包括除油、酸洗和钢丝刷打磨。用5%NaOH溶液对铜管和铝管进行除油；然后用10%HCl溶液进行酸洗；为提高效率，只需打磨外层管1的内表面和内层管2的外表面。除油后若表面较洁净且氧化物较少，则可以省掉酸洗去除氧化膜的步骤，直接进行钢丝刷打磨，打磨以暴露出新鲜的金属基体为标准；

步骤2：将内层管2装入外层管1中，二者间隙（称为套管间隙，定义为外管内径和内管外径差值的二分之一）为0.1mm～1.0mm（在能够顺利装配的前提下尽量减小两管的间隙）；芯棒3表面均匀涂布润滑剂（如石墨乳）后插入内层管2中，3与2的间隙为0.1mm～1.0mm；外层管和内层管的壁厚比可根据实际使用需求而定；为了使1和2更容易达到冶金结合，防止因结合性能差需要切除较长头部和尾部而造成浪费，本发明采用嵌入式的边界条件进行套管，即内层管2的两端应比外层管1稍短，这样旋锻开始阶段内层管就会因锻造压力而嵌入到外层管基体内，有利于改善头部和尾部的结合状态，提高成材率；

步骤3：将组装好的双层管1、2及芯棒放入已经升至预定温度的保温炉中进行加热，保温温度在200～500℃之间，保温时间根据管材壁厚确定，一般为5～10分钟，壁厚越大，保温时间越长；旋锻复合管坯也可采用感应在线快速加热方式加热到上述温度范围，保温时间可相应缩短至1～2分钟（保温3～9分钟）；为了避免界面氧化，可在加热前往套管间隙中吹入氩气，然后再进行加热；

步骤4：达到预设保温时间后，从加热炉中迅速取出套管，放入旋锻机进行单道次大变形加工，减壁率为50%～80%；出料速度在1～3m/min之间。在旋锻出口处采用喷水强制冷却，一方面可以防止复合管组织因余热而再结晶长大，另一方面可以避免复合管长时间处于高温条件下导致界面形成脆性金属间化合物，降低界面结合强度，此外，还有助于复合管外表面的高温氧化膜的破裂和去除；

步骤5：热旋锻后，管材表面会留下许多凹凸不平的锤印，可施加1道次减壁率在10%～20%之间的拉拔精整，提高管材的尺寸精度和表面质量。热旋锻制得的复合管外表面会受到明显的氧化，需经内外表面酸洗、清洗处理，然后切头切尾，获得双金属复合管。

本发明具有如下优点：

1、本发明通过对高温复合管坯施加大变形旋锻加工，并对旋锻后的复合管施加强制冷却的方法，既可使复合管坯在加工过程中同时获得短时高温和大变形的条件，实现双金属管的冶金结合，又可控制界面无脆性金属间化合物生成，提高界面结合强度和复合管的后续冷加工性能。

2、本发明生产工艺和设备简单、模具寿命高、生产成本低，不需要预先的胀管复合，只需套管加热就可直接进行旋锻成形，且根据实际需求更改芯棒、锻锤的尺寸就能生产出不同规格的双金属复合管。

3、本发明的套管组合采用内管比外管短，这样内管就会从端部开始嵌入到外管的基体中，这种嵌入式的边界条件有利于双管一开始就紧密贴合，有利于改善头部和尾部的结合状态，提高成材率。

附图说明：

下面结合附图对本发明的工艺作进一步的说明：

图1：旋锻工艺示意图；

图中标号：1-外层管（铝管或铜管）；2-内层管（铜管或铝管）；3-芯棒；4-锻模；5-复合管。

图2：高性能铜/铝复合管制备的工艺流程图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

制备冶金结合铜/铝（外铝内铜）双金属复合管。

（1）表面处理：铝管采用规格为Φ17×2mm的3003铝合金管，铜管采用规格为Φ12.7×0.55mm纯铜管，套管间隙为0.15mm，芯棒为Φ11.4mm的硬质合金，用5%NaOH溶液对铜管和铝管进行除油，然后用10%HCl溶液进行酸洗，之后用钢丝刷将铝管的内表面和铜管的外表面打磨出新鲜的金属基体。

（2）套管组合：将打磨好的铜管套入铝管中，再将芯棒插入铜管内，保证铜管比铝管短、芯棒前端最长，芯棒表面均匀涂布石墨乳润滑。

（3）加热保温：将组装好的双层管和芯棒放入已经升至300℃的加热炉中进行加热，保温时间为5min，采用氩气保护。

（4）旋锻复合：保温后迅速放入旋锻机进行1道次成形，得到尺寸为Φ13.6×1.05mm的复合管，总壁厚减薄率（以旋锻前内外层金属管壁厚之和t₁₂与旋锻后复合管壁厚t的差值△t，按△t/t₁₂计算）为58.8%，总断面减缩率（以旋锻前内外层金属管断面面积之和S₁₂与旋锻后复合管断面面积S的差值△S，按△S/S₁₂计算）为64.1%，出料速度为1m/min，出口处喷水冷却。

（5）后续精整：经一道次拉拔后，切去头部和尾部，清洗后获得尺寸为Φ13×0.9mm的铜/铝双金属复合管。

实施例2：

制备冶金结合的铜/铝（外铜内铝）双金属复合管。

（1）表面处理：铜管采用规格为Φ17×0.5mm的纯铜管，铝管规格为Φ15.8×2.1mm的纯铝管，套管间隙为0.1mm，芯棒为Φ11.4mm的模具钢，用5%NaOH溶液对铜管和铝管进行除油，然后铜管和铝管用10%HCl溶液进行酸洗，之后用钢丝刷将铜管的内表面和铝管的外表面打磨出新鲜的金属基体。

（2）套管组合：将打磨好的铝管套入铜管中，芯棒表面均匀涂布润滑油后插入铝管内。

（3）加热保温：往组装好的双层管中吹入氩气，然后放入已经升至400℃的加热炉中进行加热，保温时间5min。

（4）旋锻复合：温度后从加热炉中取出双管，迅速放入旋锻机进行1道次大变形旋锻，得到尺寸为Φ14×1.25mm的复合管，总壁厚减薄率（以旋锻前内外层金属管壁厚之和t₁₂与旋锻后复合管壁厚t的差值△t，按△t/t₁₂计算）为52%，总断面减缩率（以旋锻前内外层金属管断面面积之和S₁₂与旋锻后复合管断面面积S的差值△S，按△S/S₁₂计算）为62.1%，出料速度为3m/min，出口处喷水冷却。

（5）后续精整：经一道次游动芯头拉拔后，切去头部和尾部，获得尺寸为Φ13.5×1.1mm的铜/铝双金属复合管。

Claims (2)

1.一种高性能铜/铝复合管的制备方法，先将表面处理好的铝管套在铜管管外面或内部，然后在铜管或铝管中插入芯棒，组装成旋锻坯料；再将旋锻坯料放入已升到预定温度的加热炉中进行快速加热或者采用感应在线快速加热，加热过程中采用惰性气体保护；经短时间加热保温后迅速对其进行单道次大变形的旋锻加工，旋锻出口处进行喷水冷却；最后经过一道次的拉拔精整得到界面无金属间化合物、达到冶金结合状态的铜/铝双金属复合管，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：对外层管（1）、内层管（2）进行表面处理，用5%NaOH溶液对铜管和铝管进行除油；然后用10%HCl溶液进行酸洗；打磨时只打磨外层管（1）的内表面和内层管（2）的外表面；在除油后若表面较洁净且氧化物较少的情况下省掉酸洗去除氧化膜的步骤，直接进行钢丝刷打磨，打磨以暴露出新鲜的金属基体为标准；

步骤2：将内层管（2）装入外层管（1）中，二者间隙称为套管间隙，套管间隙为0.1mm～1.0mm，在能够顺利装配的前提下要尽量减小两管的间隙；芯棒（3）表面均匀涂布润滑剂后插入内层管（2）中，芯棒（3）与内层管（2）的间隙为0.1mm～1.0mm；外层管和内层管的壁厚比根据实际使用需求而定；

步骤3：将组装好的外层管和内层管及芯棒组成旋锻坯料放入已经升至预定温度的加热炉中进行加热，保温温度在200～500℃之间，保温时间为5～10分钟，壁厚越大，保温时间越长，或者所述旋锻坯料采用感应在线快速加热方式加热到200～500℃之间，保温时间为3～9分钟，在加热前往套管间隙中吹入氩气，然后再进行加热；

步骤4：达到预设保温时间后，从加热炉中迅速取出套管，放入旋锻机进行单道次大变形加工，减壁率为50%～80%；出料速度在1～3m/min之间；在旋锻出口处采用喷水强制冷却；

步骤5：热旋锻后，管材表面会留下许多凹凸不平的锤印，要施加1道次减壁率在10%～20%之间的拉拔精整，提高管材的尺寸精度和表面质量；热旋锻制得的复合管要经内外表面酸洗、清洗处理，然后切头切尾，获得双金属复合管。

2.根据权利要求1所述一种高性能铜/铝复合管的制备方法，其特征在于步骤2采用嵌入式的边界条件进行套管，即内层管（2）的两端要比外层管（1）稍短，这样旋锻开始阶段内层管就会因锻造压力而嵌入到外层管基体内。