CN104097031A - 一种尺寸为￠120-150mm的滚轮高强度、高导电大尺寸滚轮生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及含Al2O3相弥散强化铜材料大尺寸高强度、高导电滚轮生产加工技术，其特点在于利用Al2O3弥散强化铜粉末原料，根据大尺寸导电滚轮材料与加工的特性，相应的利用液压机、挤压机、锤锻机、真空加热系统，研究设计关键的工艺参数，首先加工预成型坯料，利用快速-大能量的特有技术，再经过高温加热、保温、在高速锤锻设备上，使用闭式模具加工成形。

Description

一种尺寸为￠120-150mm的滚轮高强度、高导电大尺寸滚轮生产方法
技术领域
本发明专利涉及一种高强度、高导电、高软化温度Al2O3弥散强化铜基复合材料大尺寸滚轮塑性加工技术。
背景技术
弥散强化铜材料是一种具有优良物理性能和力学性能的功能材料。广泛应用于集成电路的引线框架、各种点焊、高档轿车车身点焊、滚焊电极、触头材料、电动工具换向器、高速电气化铁路架空线、大功率异步牵引电动机转子、高脉冲磁场导体材料，航空航天导体材料。特别是近十年来随着新材料技术的发展，轿车产业、信息产业、微电子产业大量使用高强高导材料的趋势非常强劲，氧化铝弥散强化铜复合材料从其功能性方面衡量具有不可替代的作用。为了改善铜及铜合金在高温下强度不足的缺陷，通过在铜基体中加入高温性能稳定的氧化物相粒子，使材料在保持它的高导电性的同时，最大限度的提高它的强度是目前在高强高导铜合金材料领域中研究的热点和产业化方向。氧化铝弥散强化铜复合材料是通过向铜基体中引入均匀分布、细小具有优良热稳定性的氧化铝颗粒，强化铜基体而制得的材料。该材料不但强度高，导电率和导热率也非常好，更具特征的是材料处在高温环境下，它比任何铜合金能保持的强度都高，即优良的抗软化温度。这一特征主要是来自均匀分布在铜基体中微小的氧化铝颗粒。
弥散强化铜大直径滚轮加工技术就是利用锻造设备的快速、大能量获得高密度、大断面、高温性能优良的导电轮系产品，应用于轿车车身、摩托车油箱、飞机油箱、家用电器加工等。但由于该材料中存在氧化铝相的成分，塑性加工时基体材料变形困难。从实验可知，该材料的预成型坯无论是否致密都难以进行自由锻造变形。只有改变坯料在变形时的应力状态，用特定的加工方法才能进行塑性变形。现有加工大直径导电滚轮的方法是利用熔铸工艺浇铸制取坯料，进行自由锻造、机械加工。缺点是利用熔铸工艺，材料的成分大多是Cu-Cr、Cu-Cr-Zr系列合金，属于固溶强化合金材料，在较低温度下约在固溶温度的一半时，将失去它们的大部分强度。因而在高温环境下(500℃以上)，合金材料强度、硬度下降，导致滚轮软化变形性能下降，这在连续化生产线上是非常重要的。
发明内容
本发明专利的目的在于克服浇铸合金加工大直径滚轮导电材料高温性能的缺陷，发明一种快速、大能量加工技术来加工含有陶瓷成分材料的大直径导电滚轮，使常规条件下难以加工的材料变为可行。实现大直径滚轮在高温(900℃以上)达到高强度、高导电、高软化。
一种尺寸为￠120-150mm的滚轮高强度、高导电大尺寸滚轮生产方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，制取合金粉末
采用中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至20～30KW，计算加入铜－铝中间合金，所述Cu:Al＝1:1，再提高电炉功率到满负荷)，使合金熔液过热到1250～1300℃，保温10～15分钟。使用氮气或氩气雾化介质雾化含铝0.5～0.6％重量比的铜－铝合金粉末原料。粉末原料在100～150℃下烘烤，经过筛分获取粒度在150um以下合格的铜－铝合金粉。
步骤二，合金粉低温导氧：
将步骤一所制得的铜－铝合金粉末置于导氧设备中，温度控制在350～450℃，使合金粉末颗粒表面与空气中的氧反应生成一层氧化膜。
步骤三，氧化铝相原位生长：
将步骤三所制的的导入氧源的铜－铝合金粉置于氧化铝生长炉中，密封升温。当温度达到600-800℃时，保温120—180分钟，此阶段铜－铝合金粉中的Al转变成Al2O3，然后降温至100℃以下取出，制得Al2O3相弥散强化铜粉末。
步骤四，
将步骤三所制的粉末经粉碎机粉碎－振动筛筛分－磁选设备磁选－还原炉还原即成为加工高强度、高导电、高软化温度大尺寸滚轮粉末原料。
步骤五，压坯制备：
将步骤四的Al2O3弥散强化铜粉末原料，利用压制模具在200吨液压机设备上制成相对密度大于85％，直径为￠95mm的压坯锭。把压坯锭装入设计制作的金属包套中密封。再将包套至于真空系统中预除气到真空度为10Pa，然后分别在150℃～250℃，250℃～350℃、350℃～450℃三个温度段进行除气，每一温度段除气到真空度10Pa以下后，再升温到下一温度段，在温度450℃除气时真空度达到10Pa以上后，方可封口。
步骤六，热焖压密实加工将步骤五所制取的金属包套至于加热炉中加热，在温度900℃时保温60分钟，然后快速取出，放入800吨挤压机的挤压模膛中挤压密实，当挤压机的压力达到最高时保压0.5分钟，取出冷却、机加工扒皮，作为大尺寸导电轮的预成型坯料。
步骤七，高速大能量成形
将步骤六所制取的预成型坯料在加热炉中保温45-60分钟，温度900-925℃，然后利用1吨锤锻设备，以打击速度大于7m/s、打击能量大于100KJ的工艺条件，在闭式成型模腔中二次成形，变形量不超过70％
将步骤七成形后的坯料机械加工至尺寸为￠120-150mm的滚轮。
步骤二中所述的导氧设备为导氧机(如图3所示)，包括以下部件，减速机(1)，推料轴(2)，加料口(3)，料仓(4)，加热炉(5)，支架(6)和出料口(7)，将步骤一所制得的铜－铝合金粉末通过加料口(3)进入料仓(4)，该料仓(4)通过加热炉(5)对内部物料进行加热，所述减速机(1)连接推料轴(2)，当加热体的温度上升到350℃后，该推料轴(2)将合金粉末从加料口均匀推至料仓(4)，所述推料轴的转速和轴上的螺旋式的叶片可保证粉料在料仓(4)保持30分钟，使粉料的表面吸附一定的氧原子后由出料口(7)排出合金粉末，所述支架(6)用于支撑料仓(4)，所述推料轴的转速为10～15转/分钟。
所述氧化铝生长炉(如图4所示)包括以下部件炉体(1-1)，加热层(1-2)，氧化铝相生长体(1-3)和升降系统(1-4)，通过升降系统(1-4)将导入氧源的铜－铝合金粉至于氧化铝相生长体(1-3)中，该氧化铝相生长体(1-3)通过部件炉体(1-1)加热，所述加热层(1-2)位于氧化铝相生长体(1-3)的外部。
高强度高导电大尺寸滚轮加工技术的机理。
高强度高导电大尺寸滚轮加工实际上就是Al2O3弥散强化铜材料的塑性变形过程。一是致密化，再一个就是增加几何尺寸，实现大型轮坯的可加工性。塑性变形可分为粉体坯料与致密性坯料两种锻造。粉体坯料的锻造必须考虑致密化与塑性变形问题，是比较复杂的。迄今为止它的理论还很不完善，仅限于分析，不具备实际运用的条件。致密性坯料的锻造只考虑材料在变形过程中的断裂给加工造成困难，从根本上说就是解决氧化物相的存在导致延性低、容易开裂的问题。
在锻造过程中，粉体坯料受到外力和内力的作用产生变形而致密。如图1所示，作用在粉体坯料上的外力有三种：作用力F，反作用力N1、N2和摩擦力f。在锻造时，当坯料受到作用力后，由于下模冲和模壁的阻碍所产生的反作用力N1阻止坯料向下运动和横向流动，从而造成闭式模锻的条件。当坯料产生流动时，在坯料与模壁的接触面上，产生一个与金属流动方向相反的摩擦力f，它作用于金属与模壁的接触面上的切线方向。由于摩擦力作用的结果，改变了反作用力的方向，其合力不再垂直于模壁，而偏向于与金属流动相反的方向，并使坯料的变形抗力增高，显著影响预成型坯的变形和致密过程，改变金属流动的方向，使图1中A部位产生拉应力，出现低密度，造成锻件密度分布和变形的不均匀性，最容易引起纵向开裂。
在粉体坯料锻造过程中，坯料与模具表面的摩擦是不可避免的。由于摩擦力的作用，外部呈现鼓形，中部直径大，两端直径小，按变形与致密的程度不同，可以把坯料在锻造过程中分为三个变形区，三个区的应力状态是不同的，如图2所示。在Ⅰ区，由于所受到模具与坯料接触时的摩擦阻力和急冷作用，造成难变形区。尽管该区内金属处于三向压应力状态，但其应力值较低，因此，该区为低密度区。Ⅱ区为大变形区，在轴向压力作用下，该区内的金属亦有横向流动的趋势，但由于受到周围金属的强大阻力，使该区内的金属处于三向压应力状态，且应力值很高。该区的盈利状态变形和致密化情况与闭式模锻相似。因此，致密化效果好，可获得高密度。Ⅲ区处于锻件侧面的中间位置，是最低密度区。在轴向压力的作用下，预成形坯内各部位的金属都有横向流动的趋势。根据最小阻力定律[36]，变形物体各质点在向不同方向自由移动时，一定向阻力最小的方向移动。所以锻造时，坯料侧面的中间部位的横向流动阻力最小，横向流动最大，因而形成鼓形。在鼓形区产生了周向拉应力，使之成为最低密度区，存在很多孔隙，并且容易导致坯料锻件开裂。
为了使弥散强化铜粉体坯料在锻造过程中既能够达到致密化程度，又能够避免裂纹的产生，在大量实验的基础上，利用快速－高能量－闭式模锻的方式，使模壁起横向约束作用，改变坯料边缘的受力状态，使坯料鼓形表面在裂纹产生之前与模壁接触，就可以同时达到粉体坯料致密化、防止裂纹的产生，从而实现含脆性相粉体材料的大尺寸化。
有益效果：
现有的导电大尺寸滚轮只能用Cu—Cr,Cu—Zr,Cu—Cr—Zr等合金材料浇注而成，通过固溶时效处理后机械加工。在较低温度下约在固溶温度的一半时，将失去它们的大部分强度。因而在高温环境下(500℃以上)，合金材料强度、硬度下降，导致滚轮软化变形性能下降或者无法使用。
为了改善铜及铜合金在高温下强度不足的缺陷，使用在铜基体中加入高温性能稳定的氧化物相粒子Al2O3的弥散强化铜材料，利用快速－高能量－闭式模锻的方式，使模壁起横向约束作用，改变坯料边缘的受力状态，使坯料鼓形表面在裂纹产生之前与模壁接触，就可以同时达到粉体坯料致密化、防止裂纹的产生，从而实现含脆性相粉体材料的大尺寸化。本发明的特点在于实现大尺寸(大于00mm)的同时，在高温(900℃以上)阶段达到了高强度(大于400MPa)、高导电(大于85％IACS)、高软化(900℃以上)的目的。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明坯料在模锻过程中受力状态。
图2为本发明坯料锻造时变形区分布图；
图3为导氧机结构示意图；
图4为氧化铝相生长炉结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
一种尺寸为￠120-150mm的滚轮高强度、高导电大尺寸滚轮生产方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，制取合金粉末
采用中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至20～30KW，计算加入铜－铝中间合金，所述Cu:Al＝1:1，再提高电炉功率到满负荷)，使合金熔液过热到1250～1300℃，保温10～15分钟。使用氮气或氩气雾化介质雾化含铝0.5～0.6％重量比的铜－铝合金粉末原料。粉末原料在100～150℃下烘烤，经过筛分获取粒度在150um以下合格的铜－铝合金粉。
步骤二，合金粉低温导氧：
将步骤一所制得的铜－铝合金粉末置于导氧设备中，温度控制在350～450℃，使合金粉末颗粒表面与空气中的氧反应生成一层氧化膜。
步骤三，氧化铝相原位生长：
将步骤三所制的的导入氧源的铜－铝合金粉置于氧化铝生长炉中，密封升温。当温度达到600-800℃时，保温120—180分钟，此阶段铜－铝合金粉中的Al转变成Al2O3，然后降温至100℃以下取出，制得Al2O3相弥散强化铜粉末。
步骤四，
将步骤三所制的粉末经粉碎机粉碎－振动筛筛分－磁选设备磁选－还原炉还原即成为加工高强度、高导电、高软化温度大尺寸滚轮粉末原料。
步骤五，压坯制备：
将步骤四的Al2O3弥散强化铜粉末原料，利用压制模具在200吨液压机设备上制成相对密度大于85％，直径为￠95mm的压坯锭。把压坯锭装入设计制作的金属包套中密封。再将包套至于真空系统中预除气到真空度为10Pa，然后分别在150℃～250℃，250℃～350℃、350℃～450℃三个温度段进行除气，每一温度段除气到真空度10Pa以下后，再升温到下一温度段，在温度450℃除气时真空度达到10Pa以上后，方可封口。
步骤六，热焖压密实加工将步骤五所制取的金属包套至于加热炉中加热，在温度900℃时保温60分钟，然后快速取出，放入800吨挤压机的挤压模膛中挤压密实，当挤压机的压力达到最高时保压0.5分钟，取出冷却、机加工扒皮，作为大尺寸导电轮的预成型坯料。
步骤七，高速大能量成形
将步骤六所制取的预成型坯料在加热炉中保温45-60分钟，温度900-925℃，然后利用1吨锤锻设备，以打击速度大于7m/s、打击能量大于100KJ的工艺条件，在闭式成型模腔中二次成形，变形量不超过70％
将步骤七成形后的坯料机械加工至尺寸为￠120-150mm的滚轮。
步骤二中所述的导氧设备为导氧机(如图3所示)，包括以下部件，减速机(1)，推料轴(2)，加料口(3)，料仓(4)，加热炉(5)，支架(6)和出料口(7)，将步骤一所制得的铜－铝合金粉末通过加料口(3)进入料仓(4)，该料仓(4)通过加热炉(5)对内部物料进行加热，所述减速机(1)连接推料轴(2)，当加热体的温度上升到350℃后，该推料轴(2)将合金粉末从加料口均匀推至料仓(4)，所述推料轴的转速和轴上的螺旋式的叶片可保证粉料在料仓(4)保持30分钟，使粉料的表面吸附一定的氧原子后由出料口(7)排出合金粉末，所述支架(6)用于支撑料仓(4)，所述推料轴的转速为10～15转/分钟。
所述氧化铝生长炉(如图4所示)包括以下部件炉体(1-1)，加热层(1-2)，氧化铝相生长体(1-3)和升降系统(1-4)，通过升降系统(1-4)将导入氧源的铜－铝合金粉至于氧化铝相生长体(1-3)中，该氧化铝相生长体(1-3)通过部件炉体(1-1)加热，所述加热层(1-2)位于氧化铝相生长体(1-3)的外部。
实例1
1).按照本发明所涉及的相关工艺技术制取粉末原料；
2).制取￠120mm滚轮的压坯锭。压坯锭￠96mm，相对密度大于85％，在液压机上压制；
3).把压坯锭装入设计制作的金属包套中密封。再将包套至于真空系统中预除气到真空度为10Pa，然后分别在150℃～250℃，250℃～350℃、350℃～450℃三个温度段进行除气，每一温度段除气的真空度为10Pa以上时，再升温到下一温度段，在温度450℃真空度达到10Pa以上时，封口。
4).将包套至于加热炉中加热，在温度900℃时保温60分钟，然后快速取出，放入800吨挤压机的挤压模膛中挤压密实，当挤压机的压力达到最高时保压0.5分钟，取出冷却、机加工扒皮，作为大尺寸导电轮的预成型坯料。
5).将预成型坯料在加热炉中保温60分钟，温度900℃，然后利用1吨锤锻设备，以打击速度大于7m/s、打击能量大于100KJ的工艺条件，在闭式成型模腔中一次成形，变形量不能超过70％，将坯料机械加工至尺寸为￠120mm的滚轮。
实例2
1).按照本发明所涉及的相关工艺技术制取粉末原料；
2).制取150mm滚轮的压坯锭。压坯锭￠96mm，相对密度大于85％，在液压机上压制；
3).把压坯锭装入设计制作的金属包套中密封。再将包套至于真空系统中预除气到真空度为10Pa，然后分别在150℃～250℃，250℃～350℃、350℃～450℃三个温度段进行除气，每一温度段除气的真空度到10Pa以上时，再升温到下一温度段，在温度450℃真空度到10Pa以上时，封口。
4).将包套至于加热炉中加热，在温度900℃时保温60分钟，然后快速取出，放入800吨挤压机的挤压模膛中挤压密实，当挤压机的压力达到最高时保压0.5分钟，取出冷却机加工扒皮，作为大尺寸导电轮的预成型坯料。
5).将预成型坯料在加热炉中保温60分钟，温度900℃，然后利用1吨锤锻设备，以打击速度大于7m/s、打击能量大于100KJ的工艺条件，在闭式成型模腔中一次成形，然后二次加热二次成形，变形量不能超过70％，将坯料机械加工至尺寸为￠150mm的滚轮。
实例3
1).按照本发明所涉及的相关工艺技术制取粉末原料；
2).制取150mm滚轮的压坯锭。压坯锭￠96mm，相对密度大于85％，在液压机上压制；
3).把压坯锭装入设计制作的金属包套中密封。再将包套至于真空系统中预除气到真空度为10Pa，然后分别在150℃～250℃，250℃～350℃、350℃～450℃三个温度段进行除气，每一温度段除气的真空度到10Pa以上时，再升温到下一温度段，在温度450℃真空度到10Pa以上时，封口。
4).将包套至于加热炉中加热，在温度900℃时保温60分钟，然后快速取出，放入800吨挤压机的挤压模膛中挤压密实，当挤压机的压力达到最高时保压0.5分钟，取出冷却机加工扒皮，作为大尺寸导电轮的预成型坯料。
5).将预成型坯料在加热炉中保温45分钟，温度925℃，然后利用1吨锤锻设备，以打击速度大于7m/s、打击能量大于100KJ的工艺条件，在闭式成型模腔中一次成形，然后二次加热二次成形，变形量不能超过70％，将坯料机械加工至尺寸为￠150mm的滚轮。
表1 高强高导大尺寸滚轮的化学成分
表2 高强高导大尺寸滚轮的物理力学性能
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种尺寸为￠120-150mm的滚轮高强度、高导电大尺寸滚轮生产方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，制取合金粉末
采用中频感应电炉熔炼电解铜，待电解铜熔化后降低电炉功率至20～30KW，计算加入铜－铝中间合金，所述Cu:Al＝1:1，再提高电炉功率到满负荷)，使合金熔液过热到1250～1300℃，保温10～15分钟，使用氮气或氩气雾化介质雾化含铝0.5～0.6％重量比的铜－铝合金粉末原料，粉末原料在100～150℃下烘烤，经过筛分获取粒度在150um以下合格的铜－铝合金粉；
步骤二，合金粉低温导氧：
将步骤一所制得的铜－铝合金粉末置于导氧设备中，温度控制在350～450℃，使合金粉末颗粒表面与空气中的氧反应生成一层氧化膜；
步骤三，氧化铝相原位生长：
将步骤三所制的的导入氧源的铜－铝合金粉置于氧化铝生长炉中，密封升温，当温度达到600-800℃时，保温120—180分钟，此阶段铜－铝合金粉中的Al转变成Al2O3，然后降温至100℃以下取出，制得Al2O3相弥散强化铜粉末；
步骤四，
将步骤三所制的粉末经粉碎机粉碎－振动筛筛分－磁选设备磁选－还原炉还原即成为加工高强度、高导电、高软化温度大尺寸滚轮粉末原料；
步骤五，压坯制备：
将步骤四的Al2O3弥散强化铜粉末原料，利用压制模具在200吨液压机设备上制成相对密度大于85％，直径为￠95mm的压坯锭，把压坯锭装入设计制作的金属包套中密封，再将包套至于真空系统中预除气到真空度为10Pa，然后分别在150℃～250℃，250℃～350℃、350℃～450℃三个温度段进行除气，每一温度段除气到真空度10Pa以下后，再升温到下一温度段，在温度450℃除气时真空度达到10Pa以上后，方可封口；
步骤六，热焖压密实加工将步骤五所制取的金属包套至于加热炉中加热，在温度900℃时保温60分钟，然后快速取出，放入800吨挤压机的挤压模膛中挤压密实，当挤压机的压力达到最高时保压0.5分钟，取出冷却、机加工扒皮，作为大尺寸导电轮的预成型坯料；
步骤七，高速大能量成形
将步骤六所制取的预成型坯料在加热炉中保温45-60分钟，温度900-925℃，然后利用1吨锤锻设备，以打击速度大于7m/s、打击能量大于100KJ的工艺条件，在闭式成型模腔中二次成形，变形量不超过70％
将步骤七成形后的坯料机械加工至尺寸为￠120-150mm的滚轮。
2.如权利要求1所述的一种尺寸为￠120-150mm的滚轮高强度、高导电大尺寸滚轮生产方法，其特征在于步骤二中所述的导氧设备为导氧机，包括以下部件，减速机(1)，推料轴(2)，加料口(3)，料仓(4)，加热炉(5)，支架(6)和出料口(7)，将步骤一所制得的铜－铝合金粉末通过加料口(3)进入料仓(4)，该料仓(4)通过加热炉(5)对内部物料进行加热，所述减速机(1)连接推料轴(2)，当加热体的温度上升到350℃后，该推料轴(2)将合金粉末从加料口均匀推至料仓(4)，所述推料轴的转速和轴上的螺旋式的叶片可保证粉料在料仓(4)保持30分钟，使粉料的表面吸附一定的氧原子后由出料口(7)排出合金粉末，所述支架(6)用于支撑料仓(4)，所述推料轴的转速为10～15转/分钟。
3.如权利要求1所述的一种尺寸为￠120-150mm的滚轮高强度、高导电大尺寸滚轮生产方法，其特征在于所述氧化铝生长炉包括以下部件炉体(1-1)，加热层(1-2)，氧化铝相生长体(1-3)和升降系统(1-4)，通过升降系统(1-4)将导入氧源的铜－铝合金粉至于氧化铝相生长体(1-3)中，该氧化铝相生长体(1-3)通过部件炉体(1-1)加热，所述加热层(1-2)位于氧化铝相生长体(1-3)的外部。
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