CN105895268A - 一种铜锌铝三层复合导线制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，包括以下步骤：步骤1)先将铜管镀锌，得到镀锌铜管；步骤2)将第一铝棒插入镀锌铜管中并采用拉管机拉拔至两者贴合，得到复合粗坯；步骤3)用挤压机对复合粗坯进行热挤压，挤压出铜锌铝三层复合管坯；步骤4)将第二铝棒插入铜锌铝三层复合管坯中，用拉管机将铜锌铝三层复合管坯和第二铝棒拉拔至两者贴合，得到复合半成品；步骤5)将复合半成品放入电阻炉中加热，最后，被加热的复合半成品通过连轧机直接轧制成复合导线。本发明获得的复合导线表面质量好，三种金属之间无脆性相生成，结合面强度高，轧制后无分层现象，所用的生产设备简单、灵活性大、成本低。

Description

一种铜锌铝三层复合导线制备工艺

技术领域

本发明涉及复合材料制备领域，具体涉及一种铜锌铝三层复合导线制备工艺。

背景技术

由于铜的电阻较小，仅次于金和银，易折弯而且不易被氧化，是用作电线、电缆的理想材料，需求量巨大。我国铜资源缺乏，因此，采用复合材料制备导线，减少铜资源的消耗量，有广阔的前景和开发空间，目前常用铜包铝复合导线。铜包铝复合线材属于金属层状复合材料，是在铝芯上包覆一层铜的双金属复合线材，主要用于高频信息传输，如移动通讯信号的同轴电缆内导线，以及某些军事用途。由于移动电通信号的频率很高，一般在60～900MHz，由“趋肤效应”的有关理论，频率高的电磁波只是集中在电线的表面很浅的表层上传导，因此铜包铝的复合线材与纯铜线在高频传导上的电学性能基本没有差别。由于金属铝良好的导电性与低密度的特性，在高频信号传输功能上完全达到纯铜导体水平，同时可以明显地减少导线重量，现代社会更为经济适用。

目前生产铜包铝复合导线采用的工艺方法主要包括轧铝线镀铜复合法、包覆静压挤压复合法、焊接复合法、充芯连铸法等。

(1)铝线镀铜法

这种方法较为简便，但镀层的成分不纯、脆性大，铝线镀铜法是在铝芯线表面电镀铜层以获得铜包铝线的方法，潮湿环境下易发生电化学反应，镀铜层与铝芯线往往不同心，容易露出铝，在难以满足同轴电缆的长期使用要求。

(2)静液挤压法

静液挤压法是将大直径紫铜管坯和纯铝棒坯制成的复合坯料的工艺，该特殊的润滑挤压工艺设备比较昂贵，制备的铜包铝线材的原理是铸坯经过静液挤压获得线坯。在挤压过程中，坯料周围充满粘性介质，可以实现铜铝之间的冶金结合，由高静水压力和大加工变形率的作用挤压成形。静液挤压的工艺特点为：变形区与挤压模之间的摩擦控制在最小范围内，压力通过介质作用到坯料上，在挤压过程中没有镦粗变形，与挤压筒、挤压轴没有接触，因此从表层到芯部都能保持较均匀变形，坯料受到均匀的等静水压力。但该工艺不适用于大规模工业化生产，所需设备昂贵，生产率较低。

(3)包覆焊接法

包覆焊接法要对原材料(铜带和铝芯)进行彻底的焊前处理，并处于惰性气体保护中，应用机械法或化学法将铜带和铝芯线同时送入复合箱，同时除去表面的油脂和氧化层，为防止再次氧化，清理后的铜带和铝芯线要气体保护。然后在包覆焊接装置中，沿纵向逐步形成圆管状并将铝芯线包覆其中，铜带在多对垂直成形滚轮和水平成形滚轮的作用下成形。铜包铝线坯缠绕在圆形卷盘上，继而进人焊接区，用高速氩弧焊方法将圆管中间的纵缝焊接，要保持连续不断地焊接。进行多道次的拉拔，将线坯送入拉丝机中，达到规定直径的线材，这样可以使铜、铝界面实现固相冶金结合，通过热处理工艺赋予铜包铝线所需的力学性能。该工艺需要工序较多，而且在包覆焊接时，由于铜的熔点较高(1181℃)，超过了铜铝二元合金的共晶温度(549℃)，所以铜和铝之间会形成金属间化合物θ相(以CuAl2为基体的固溶体)，该相强度、硬度高，塑性差，使得界面易发生脆化，同时，由于冷却速度快，在铜包铝的界面处还容易出现多种金属间化合物的脆性相，造成轧制时铜铝分层，结合强度降低。

(4)充芯连铸法

铜包铝充芯连铸法是把铜和铝分别在两个熔池中熔化，分别按照各自的流动管下流；然后经过水冷结晶器凝固，最后形成连铸坯。在各自的熔池中还要有控温系统、加热系统，出了结晶器之后，还要配备二次冷却水系统，以保证内外层金属的凝固，最后连铸出来的就是复合铸坯，但是该方法要实现连续生产，需要复杂的卷曲机构、设备复杂不便于操作和维护，实现自动化生产较为困难。同时，由于铜和铝通过该方法结合时铝为液相，由于铝液温度较高，超过了铜铝二元合金的共晶温度(549℃)，容易生成金属间化合物θ相，原因与上述包覆焊接法基本相同，因此该工艺生产的铜包铝线结合强度降低，轧制时铜铝容易分层，影响导电效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，本发明获得的复合导线表面质量好，三种金属之间无脆性相生成，结合面强度高，轧制后无分层现象，所用的生产设备简单、灵活性大、成本低。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，包括以下步骤：

步骤1)先对铜管的内、外表面进行打磨处理，然后将铜管放入盛有液态锌的槽中，进行内、外表面热镀锌，得到镀锌铜管；

步骤2)对第一铝棒的外表面进行打磨处理，然后将第一铝棒插入镀锌铜管中，第一铝棒的长度和镀锌铜管的长度相同，接着采用拉管机将镀锌铜管和第一铝棒拉拔至两者贴合，得到复合粗坯；

步骤3)用挤压机对复合粗坯进行热挤压，挤压出铜锌铝三层复合管坯；

步骤4)对第二铝棒的外表面进行打磨处理，然后插入铜锌铝三层复合管坯中，用拉管机将铜锌铝三层复合管坯和第二铝棒拉拔至两者贴合，并排出铜锌铝三层复合管坯和第二铝棒中间的空气，最后在铜锌铝三层复合管坯两端用铜板焊接密封，得到复合半成品，其中铜板的直径和铜锌铝三层复合管坯的外径相同；

步骤5)将复合半成品放入电阻炉中加热，最后，被加热的复合半成品通过连轧机直接轧制成复合导线。

进一步的，所述步骤1)中铜管外径为100mm-400mm，壁厚为8mm-40mm，可根据不同制备产品的尺寸灵活选择，铜管长度为外径的三倍，并且热镀锌温度为480-580℃，镀锌层厚度为10-150μm。

进一步的，所述步骤2)中镀锌铜管和第一铝棒之间的间隙为0.8mm-2mm。

进一步的，所述步骤3)中挤压机的温度为400-600℃，挤压速度1mm/s-15mm/s，挤压后坯料尺寸外径为30mm-100mm，壁厚为3mm-10mm。

进一步的，所述步骤4)中焊接采用氩弧焊。

进一步的，所述步骤5)中电阻炉的加热温度为400-600℃。

本发明的有益效果是:

(1)本发明在铜管内表面热镀了一层很薄的锌，在进行与中间铝棒进行挤压复合时，即使温度超过了800℃，铜和铝也不会生成共晶脆性相，因为外层铜和锌可以可生成α固溶体(如图1所示)，α固溶体有良好的塑性，不会降低铜锌复合界面的结合强度，进行后续加工时也不会出现界面分层的情况；同理，锌和内层铝在轧制产生高温时也可以生成α₁固溶体(如图2所示)，α₁固溶体同样具有良好的塑性，不会降低铝、锌复合界面的结合强度，进行后续加工时也不会出现界面分层的情况。因此，通过在铜管内壁热镀锌，有效地避免了铜管和铝管的直接复合时在高温下产生脆性相的不足，提高了结合面的强度，避免了后续加工中的分层现象；

(2)由于先得到铜锌铝三层复合管坯采用热挤压复合，铜管和铝管坯变形量大，温度较高，成品内部组织致密度显著提高，晶粒组织明显细化，轧件尺寸精度高；同时，产生大量的新生界面，三种金属可以很好地复合在一起，后续轧制时不会出现分层情况；

(3)在轧制成线材时，挤压出铜锌铝三层复合管坯内层材料也为铝和第二铝棒是同种材质，在一定的温度和压下量的作用下，因此很容易复合在一起，不会出现分层现象；

(4)坯料规格和材质适应范围广，铜管外径规格为100mm-400mm，外径规格可从40mm-120mm，壁厚8mm-40mm，适用于多种包覆厚度比例的线材制备；同时，材质适应范围广，外层可采用纯铜或铜合金材料，内层可以采用纯铝或铝合金材料。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的铜锌二元合金相图；

图2是本发明的铝锌二元合金相图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

制备直径3mm，包覆壁厚10％的铜锌铝三层复合电线。

具体步骤如下：

步骤1：将经内、外表面打磨处理后的铜管放入盛有液态锌的槽中，进行内、外表面热镀锌，铜管外径100mm，壁厚8mm，铜管长度300mm，热镀锌温度480℃，镀锌层厚度15μm；

步骤2：将经过外表面打磨处理的第一铝棒插入热镀锌后的铜管中，第一铝棒坯长度和铜管相同，镀锌后的铜管和铝棒间隙在0.8mm之间，用拉管机将镀锌的铜管和铝棒拉拔至两者贴合；

步骤3：用挤压机对套在一起的镀锌后的铜管和第一铝棒进行热挤压，挤压出铜锌铝三层复合管坯，挤压温度400℃，挤压速度3mm/s，挤压后坯料尺寸外径30mm，壁厚3mm；

步骤4：将表面打磨后的第二铝棒插入所述的铜锌铝三层复合管坯，用拉管机将三层复合管坯和第二铝棒拉拔至两者贴合，并排出复合管坯和第二铝棒中间的空气，管坯两端用铜板焊接密封，焊接时采用氩弧焊，铜板的直径30mm，避免后期加热时空气进入氧化；

步骤5：将紧贴在一起的三层复合管坯和第二铝棒放入电阻炉中加热，加热温度400℃，用连轧机直接将被加热的三层复合管坯和第二铝棒轧制成铜锌铝三层复合导线，轧后导线直径3mm，包覆壁厚10％，中间不需要退火，轧制复合后的铜锌铝三层复合导线表面质量好，结合强度高，无分层现象。

实施例2

制备直径2mm，包覆壁厚15％的铜锌铝三层复合电线。

本发明的具体步骤如下：

步骤1：将经内、外表面打磨处理后的铜管放入盛有液态锌的槽中，进行内、外表面热镀锌，铜管外径200mm，壁厚10mm，铜管长度600mm，热镀锌温度500℃，镀锌层厚度30μm；

步骤2：将经过外表面打磨处理的第一铝棒插入热镀锌后的铜管中，第一铝棒长度和铜管相同，镀锌后的铜管和第一铝棒间隙在1.2mm之间，用拉管机将镀锌的铜管和第一铝棒拉拔至两者贴合；

步骤3：用挤压机对套在一起的镀锌后的铜管和第一铝棒进行热挤压，挤压出铜锌铝三层复合管坯，挤压温度450℃，挤压速度5mm/s，挤压后坯料尺寸外径60mm，壁厚5mm；

步骤4：将表面打磨后的第二铝棒插入所述的铜锌铝三层复合管坯，用拉管机将三层复合管坯和第二铝棒拉拔至两者贴合，并排出复合管坯和第二铝棒中间的空气，管坯两端用铜板焊接密封，焊接时采用氩弧焊，铜板的直径60mm，避免后期加热时空气进入氧化；

步骤5：将紧贴在一起的三层复合管坯和第二铝棒放入电阻炉中加热，加热温度450℃，用连轧机直接将被加热的三层复合管坯和第二铝棒轧制成铜锌铝三层复合导线，轧后导线直径2mm，包覆壁厚15％，中间不需要退火，轧制复合后的铜锌铝三层复合导线表面质量好，结合强度高，无分层现象。

实施例3

制备直径1mm，包覆壁厚20％的铜锌铝三层复合电线。

本发明的具体步骤如下：

步骤1：将经内、外表面打磨处理后的铜管放入盛有液态锌的槽中，进行内、外表面热镀锌，铜管外径250mm，壁厚15mm，铜管长度750mm，热镀锌温度520℃，镀锌层厚度30μm；

步骤2：将经过外表面打磨处理的第一铝棒插入所述的热镀锌后的铜管中，第一铝棒长度和铜管相同，镀锌后的铜管和第一铝棒间隙在1.5mm之间，用拉管机将镀锌的铜管和第一铝棒拉拔至两者贴合；

步骤3：用挤压机对套在一起的镀锌后的铜管和第一铝棒进行热挤压，挤压出铜锌铝三层复合管坯，挤压温度480℃，挤压速度8mm/s，挤压后坯料尺寸外径80mm，壁厚8mm；

步骤4：将表面打磨后的第二铝棒插入所述的铜锌铝三层复合管坯，用拉管机将三层复合管坯和第二铝棒拉拔至两者贴合，并排出复合管坯和第二铝棒中间的空气，管坯两端用铜板焊接密封，焊接时采用氩弧焊，铜板的直径80mm，避免后期加热时空气进入氧化；

步骤5：将紧贴在一起的三层复合管坯和第二铝棒放入电阻炉中加热，加热温度480℃，用连轧机直接将被加热的三层复合管坯和第二铝棒轧制成铜锌铝三层复合导线，轧后导线直径1mm，包覆壁厚20％，中间不需要退火，轧制复合后的铜锌铝三层复合导线表面质量好，结合强度高，无分层现象。

上述三个实施例中，对镀锌铜管表面的镀锌厚度需要选择在20-150μm之间，能够满足现有通用尺寸产品的制备，该厚度范围下制备的产品具有较搞的结合度，不分层，参照图1与图2所示，能够看出两种材料结合牢固度极高。能够满足两种材料间的结合，制备出优质的复合导线。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)先对铜管的内、外表面进行打磨处理，然后将铜管放入盛有液态锌的槽中，进行内、外表面热镀锌，得到镀锌铜管；

步骤2)对第一铝棒的外表面进行打磨处理，然后将第一铝棒插入镀锌铜管中，第一铝棒的长度和镀锌铜管的长度相同，接着采用拉管机将镀锌铜管和第一铝棒拉拔至两者贴合，得到复合粗坯；

步骤3)用挤压机对复合粗坯进行热挤压，挤压出铜锌铝三层复合管坯；

步骤4)对第二铝棒的外表面进行打磨处理，然后插入铜锌铝三层复合管坯中，用拉管机将铜锌铝三层复合管坯和第二铝棒拉拔至两者贴合，并排出铜锌铝三层复合管坯和第二铝棒中间的空气，最后在铜锌铝三层复合管坯两端用铜板焊接密封，得到复合半成品，其中铜板的直径和铜锌铝三层复合管坯的外径相同；

步骤5)将复合半成品放入电阻炉中加热，最后，被加热的复合半成品通过连轧机直接轧制成复合导线。

2.根据权利要求1所述的一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，其特征在于：所述步骤1)中铜管外径为100mm-400mm，壁厚为8mm-40mm，铜管长度为外径的三倍，并且热镀锌温度为480-580℃，镀锌层厚度为10-150μm。

3.根据权利要求1所述的一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，其特征在于：所述步骤2)中镀锌铜管和第一铝棒之间的间隙为0.8mm-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，其特征在于：所述步骤3)中挤压机的温度为400-600℃，挤压速度1mm/s-15mm/s，挤压后坯料尺寸外径为30mm-100mm，壁厚为3mm-10mm。

5.根据权利要求1所述的一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，其特征在于：所述步骤4)中焊接采用氩弧焊。

6.根据权利要求1所述的一种铜锌铝三层复合导线制备工艺，其特征在于：所述步骤5)中电阻炉的加热温度为400-600℃。